本发明涉及用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料及制备和焊接方法，属于钎焊领域。
背景技术：
铜铝的某些性质和用途很接近，如它们的导电性、导热性、耐腐蚀性都较好，因此铜铝间有很强的替代性，他们都主要用于建筑、交通、电力等行业，在很多原来使用铜的领域，用铝部分代替铜，能满足性能的需要，又因铜铝价格间的巨大差异，既降低了成本又缓解了我国铜资源短缺的现状。同时铝代铜技术多数用于铝部分取代铜构件，因此，在铜铝构件间便产生了铜铝接头。展望未来，铝铜接头将广泛用于发电、制冷、能、化工、国防等领域。
铝表面易产生一层坚固的氧化膜，这是铜铝连接主要障碍，氧化膜的电阻率非常大，导致了铝与铜机械连接后在工作中并不可靠。在铝铜焊接中常采用钨极氩弧焊、电子束焊、熔化极气体保护焊、激光焊等常规焊接方法焊接铜和铝。由于铝铜的物理和化学性能两方面的差别都很大(其膨胀系数相差近40％)，导致了熔焊接铜和铝时焊接性很差，焊后接头脆性较大、及易产生裂纹，接头强度较低。冷压焊焊接铜铝易使接头软化，工艺复杂。铜铝摩擦焊易产生脆化物，会降低接头强度。为此，常采用钎焊方法以提高铜铝接头的使用性能。
孟胶东等人采用真空扩散焊方法焊接铜和铝，当采取适当的焊接工艺时，基本可以实现接头较好的铜铝扩散连接，但界面仍会有金属间化合物生成，强度不高，且钎焊温度高，能源消耗较多。闫飞等人采用扩散焊的焊接方法焊接铜和铝并制备出了铜铝焊接接头，但依旧有氧化膜的出现，实验耗时长。马世涛等人用Zn-Al-Cu钎料配合稀土元素Nd、La钎焊铝和铜，这种钎焊方法适当提高了耐蚀性能，但是钎料润湿性不是很理想。刘海明等人研究稀土Sm对Sn-Ag-Cu钎料组织性能的影响，钎焊接头强度增强，但是银在其中含量较多，生产成本高，经济适用性低。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料及制备和焊接方法，该钎料的流动性好，对母材润湿性好，且与铝和铜的结合性能佳，抗拉强度较高，能够有效减小钎焊时产生的残余应力。
技术方案：为实现上述目的，本发明的用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料，所述钎料以重量百分比计的元素成分包括：Ni0.5％～3.0％，Cu0.1％～4.0％，Ga0.5％～5.0％，In0.5％～4.0％，Sm0.05％～0.5％，Ce0.1％～0.5％，余量为Zn。
作为优选，所述钎料以重量百分比计的元素成分包括：Ni1.0％～2.0％，Cu0.5％～3.0％，Ga1.0％～4.0％，In1.0％～3.0％，Sm0.1％～0.3％，Ce0.15％～0.3％，余量为Zn。
作为优选，所述钎料以重量百分比计的元素成分包括：Ni1.0％，Cu2.0％，Ga2.5％，In2.0％，Sm0.1％，Ce0.2％，余量为Zn。
作为优选，所述钎料为箔片带状，厚度为50～80μm。
一种上述的用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的制备方法，包括以下步骤：
1)按质量百分比称取高纯度的Ga颗粒、In颗粒、Cu片、Ni片、稀土Ce、Sm制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20±3℃的温度下进行超声清洗15～20min；
2)将步骤1)超声清洗后的混合物在30～50℃的温度下烘干，得到干燥的混合物；
3)将步骤2)的混合物和Zn采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金，将制备出的母合金碾碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为180～200μm；
5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至200～230mbar；
6)开启电机，使铜辊转速30～33m/s的范围内，再开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体70s～80s；
7)将Ar气气压调制P＝50KPa左右，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，从而得到钎料。
作为优选，所述步骤3)中石英管喷嘴呈长方形，其长度为8～10mm，宽度为0.8～1.2mm。
作为优选，所述步骤6)中铜辊直径为250mm，铜辊宽度为50mm。
一种上述的用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的铝和铜试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，用金相砂纸进行研磨光滑，将铝和铜及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于铜片和铝片待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.04～0.06MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，以6～10℃/min的速率升温至380～420℃，保温15～20min，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
本发明在钎焊材料中添加元素Ni，显著提升接头的耐热和耐蚀性，克服对P化物脆性，提高润湿性，增强其接头性能。添加元素Ga，可以使钎料成分均匀化，细化组织，有效抑制金属间化合物的生长，适当的Ga可以降低固液相线，提高润湿性。添加元素In能显著提高钎料铺展性能和接头强度，但是其含量需严格控制。添加元素Cu和稀土元素Sm，Cu本身是母材成分，Sm可以起到变质和细化晶粒的作用，改善了铜的机械性和加工性。添加稀土元素Ce提高钎焊接头的蠕变断裂寿命，细化钎料组织。
有益效果：相比现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明的显著优点为该钎料的流动性好，对母材润湿性好，且与铝和铜的结合性能佳，抗拉强度较高，能够有效减小钎焊时产生的残余应力；本发明钎料的钎焊温度在380～420℃，钎料熔化温度较之前的硬钎料，钎焊温度大大降低，钎料熔化均匀；尤其是加入稀土元素Sm、Ce，显著提高了润湿面积，控制界面冶金反应，显著改善接头力学性能。
(2)采用本发明的钎料连接工艺稳定可靠，利用真空钎焊连接，构件在加热过程中处于真空状态，整个构件无变形，无微观裂纹、气孔和夹杂等缺陷，其表面润湿铺展较好，钎料与基体母材充分形成固溶冶金反应，组织细粒，充分填充钎缝，提高了接头的整体强度，以及拥有良好的塑性变形能力，因而能获得更为稳定可靠的连接接头。
(3)本发明获得的钎料制备方法和钎焊工艺简单，实施方便快捷，钎料的制备以及钎焊工艺可重复再现，真空钎焊过程无须添加钎剂以及保护措施，便于广泛的推广与应用。
具体实施方式
实施例1
钎料的成分及质量百分比配比为：Ni2.0％，Cu3.0％，Ga1.0％，In1.0％，Sm0.05％，Ce0.1％，余量为Zn。
上述一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的制备方法，
包括以下步骤：
1)按质量百分比称取高纯度的Ga颗粒、In颗粒、Cu片、Ni片、稀土Ce、Sm制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在17℃温度下进行超声清洗15～20min；
2)将步骤1超声清洗后的混合物在30～50℃的温度下烘干，得到干燥的混合物；
3)将混合物和Zn采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金，将制备出的母合金碾碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为180～200μm；
5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至200～230mbar；
6)开启电机，使铜辊转速30～33m/s的范围内，再开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体70s～80s；
7)将Ar气气压调制P＝50KPa左右，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到钎料箔片带，厚度为50～80μm。
一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的钎焊工艺，包括以下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的铝和铜试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，用金相砂纸进行研磨光滑，将铝和铜及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于铜片和铝片待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.04～0.06MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，以6～10℃/min的速率升温至380～420℃，保温15～20min，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的连接接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温抗拉强度为306MPa。
实施例2
钎料的成分及质量百分比配比为：Ni1.5％，Cu4.0％，Ga3.0％，In2.5％，Sm0.1％，Ce0.15％，余量为Zn。
上述一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的制备方法，
包括以下步骤：
1)按质量百分比称取高纯度的Ga颗粒、In颗粒、Cu片、Ni片、稀土Ce、Sm制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的温度下进行超声清洗15～20min；
2)将步骤1超声清洗后的混合物在30～50℃的温度下烘干，得到干燥的混合物；
3)将混合物和Zn采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金，将制备出的母合金碾碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为180～200μm；
5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至200～230mbar；
6)开启电机，使铜辊转速30～33m/s的范围内，再开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体70s～80s；
7)将Ar气气压调制P＝50KPa左右，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到钎料箔片带，厚度为50～80μm。
一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的钎焊工艺，包括以下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的铝和铜试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，用金相砂纸进行研磨光滑，将铝和铜及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于铜片和铝片待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.04～0.06MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，以6～10℃/min的速率升温至380～420℃，保温15～20min，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的连接接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温抗拉强度为322MPa。
实施例3
钎料的成分及质量百分比配比为：Ni1.0％，Cu2.0％，Ga2.5％，In2.0％，Sm0.1％，Ce0.2％，余量为Zn。
上述一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的制备方法，
包括以下步骤：
1)按质量百分比称取高纯度的Ga颗粒、In颗粒、Cu片、Ni片、稀土Ce、Sm制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的温度下进行超声清洗15～20min；
2)将步骤1超声清洗后的混合物在30～50℃的温度下烘干，得到干燥的混合物；
3)将混合物和Zn采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金，将制备出的母合金碾碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为180～200μm；
5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至200～230mbar；
6)开启电机，使铜辊转速30～33m/s的范围内，再开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体70s～80s；
7)将Ar气气压调制P＝50KPa左右，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到钎料箔片带，厚度为50～80μm。
一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的钎焊工艺，包括以下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的铝和铜试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，用金相砂纸进行研磨光滑，将铝和铜及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于铜片和铝片待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.04～0.06MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，以6～10℃/min的速率升温至380～420℃，保温15～20min，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的连接接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温抗拉强度为330MPa。
实施例4
钎料的成分及质量百分比配比为：Ni0.5％，Cu0.1％，Ga0.5％，In0.5％，Sm0.5％，Ce0.4％，余量为Zn。
上述一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的制备方法，
包括以下步骤：
1)按质量百分比称取高纯度的Ga颗粒、In颗粒、Cu片、Ni片、稀土Ce、Sm制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃的温度下进行超声清洗15～20min；
2)将步骤1超声清洗后的混合物在30～50℃的温度下烘干，得到干燥的混合物；
3)将混合物和Zn采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金，将制备出的母合金碾碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为180～200μm；
5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至200～230mbar；
6)开启电机，使铜辊转速30～33m/s的范围内，再开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体70s～80s；
7)将Ar气气压调制P＝50KPa左右，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到钎料箔片带，厚度为50～80μm。
一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的钎焊工艺，包括以下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的铝和铜试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，用金相砂纸进行研磨光滑，将铝和铜及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于铜片和铝片待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.04～0.06MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，以6～10℃/min的速率升温至380～420℃，保温15～20min，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的连接接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温抗拉强度为320MPa。
实施例5
钎料的成分及质量百分比配比为：Ni3.0％，Cu0.5％，Ga4.0％，In3.0％，Sm0.3％，Ce0.3％，余量为Zn。
上述一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的制备方法，
包括以下步骤：
1)按质量百分比称取高纯度的Ga颗粒、In颗粒、Cu片、Ni片、稀土Ce、Sm制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在21℃的温度下进行超声清洗15～20min；
2)将步骤1超声清洗后的混合物在30～50℃的温度下烘干，得到干燥的混合物；
3)将混合物和Zn采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金，将制备出的母合金碾碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为180～200μm；
5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至200～230mbar；
6)开启电机，使铜辊转速30～33m/s的范围内，再开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体70s～80s；
7)将Ar气气压调制P＝50KPa左右，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到钎料箔片带，厚度为50～80μm。
一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的钎焊工艺，包括以下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的铝和铜试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，用金相砂纸进行研磨光滑，将铝和铜及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于铜片和铝片待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.04～0.06MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，以6～10℃/min的速率升温至380～420℃，保温15～20min，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的连接接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温抗拉强度为318MPa。
实施例6
钎料的成分及质量百分比配比为：Ni2.5％，Cu1.0％，Ga5.0％，In4.0％，Sm0.2％，Ce0.5％，余量为Zn。
上述一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的制备方法，
包括以下步骤：
1)按质量百分比称取高纯度的Ga颗粒、In颗粒、Cu片、Ni片、稀土Ce、Sm制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在23℃的温度下进行超声清洗15～20min；
2)将步骤1超声清洗后的混合物在30～50℃的温度下烘干，得到干燥的混合物；
3)将混合物和Zn采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金，将制备出的母合金碾碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为180～200μm；
5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至200～230mbar；
6)开启电机，使铜辊转速30～33m/s的范围内，再开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体70s～80s；
7)将Ar气气压调制P＝50KPa左右，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到钎料箔片带，厚度为50～80μm。
一种用于钎焊铝和铜的高温Zn基软钎料的钎焊工艺，包括以下步骤：
(1)准备阶段：对待钎焊的铝和铜试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，用金相砂纸进行研磨光滑，将铝和铜及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于铜片和铝片待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.04～0.06MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，以6～10℃/min的速率升温至380～420℃，保温15～20min，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的连接接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温抗拉强度为324MPa。
实施例7
设计3组对比例，基本步骤与实施例3相同，不同之处在于原料含量不同，具体为：
对比例1的组分含量：Ni1.0％，Cu2.0％，Ga2.5％，In2.0％，Sm0％，Ce0.2％，余量为Zn。
对比例2的组分含量：Ni1.0％，Cu2.0％，Ga2.5％，In2.0％，Sm0.1％，Ce0％，余量为Zn。
对比例3的组分含量：Ni1.0％，Cu2.0％，Ga2.5％，In2.0％，Sm0.3％，Ce0.3％，余量为Zn。
将实施例1-3和7制得的焊接接头进行性能检测，获得的试验结果如表1所示。
表1制得的焊接接头的性能对照表
由表1可知，实施例1-3制得的钎焊接头微观结构致密，均匀分布，连接界面明显，抗拉强度在306～330MPa之间，由此可知本发明用于铝和铜的钎焊材料具备良好的附着力和润湿性能，且钎焊接头结合强度高。对比例1～3是在最优设计实施例3的基础上进行的，对比例1和2说明稀土Sm和稀土Ce的缺少明显降低接头性能，因为适量的稀土元素有利于细化组织，提高性能。对比例3说明稀土元素过高，容易出现稀土脆性相，造成钎料润湿性和接头强度的降低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。