低银和非银填充金属和合金以及相应的连接体系和方法

专利名称：低银和非银填充金属和合金以及相应的连接体系和方法
低银和非银填充金属和合金以及相应的连接体系和方法 相关申请的交叉引用
本国际申请要求于2006年12月11日提交的美国临时申请60/869,471 的优先权利益，将其通过引用而明确地整个结合在此。
背景技术：
1. 发明领域
本发明主要涉及非焊接连接技术的领域，比如硬钎焊和软钎焊。更具 体地，本发明涉及使用非银或低银填充金属接合金属的体系和方法。特别 地，本发明的一个优选实施方案涉及使用铜基填充金属如合金CDA464、 CDA680和CDA681硬钎焯的体系和方法。
2. 相关技术的讨论
如本领域技术人员已知的，硬钎焊是一种接合工艺，其中将填充金属 加热到比母材金属(base metal)的熔化温度低的熔化温度，并且使其在两个 以上的紧密配合的部件之间分布。熔化的填充金属和焊剂与母材金属相互 作用，然后冷却以形成坚固、密封的接头。可以使用多种填充金属和合金。
来自青铜族填充金属的铜基填充金属的使用在本领域尤其为人所熟 知。然而，青铜硬钎焊的现有形式要求使用高温焊剂。这些高温焊剂留下 非常难以去除的残留物。典型地，仅能通过机械手段如金属丝清理、刨削 或喷砂来完成去除。此外，高温焊剂趋于在母材金属上形成厚的氧化物层， 这留下烧焦或焦化的外观，导致对于涂布如上漆或镀敷而言无法接受的表 面，和/或其它不美观的外观。
使用银基填充金属的硬钎焊通常被用作青铜硬钎焊的替换方案，因为 银硬钎焊不受困于青铜硬钎焊的现有形式所具有的缺点，比如，例如留下 的残留物和在母材金属上的厚的、不美观并且难以去除的氧化层形成。然 而，使用银基填充金属的硬钎焊的缺点在于使用的银合金非常昂贵。在控制气氛炉中使用铜基和镍基填充金属的硬钎焊是另一种通常使用 的硬钎焊形式。在控制气氛炉中使用铜和镍的硬钎焊典型为需要大存量的 组件和填充金属的间歇方法。为了保持功能性硬钎焊气氛，典型地需要所 述炉不断地运行，这导致高的使用成本和大的组件存量。此外，需要大量 资本设备支出以购买、安装和维护控制气氛硬钎焊炉。不必说，希望提供 这样的硬钎焊方法，其即使用与银基填充金属相比较不昂贵的填充金属， 也提供比常规青铜硬钎焊更容易的事后清理，并且不需要控制气氛炉硬钎 焊的高资本和使用支出。
发明简述和目的
本发明涉及用于非焊接连接工艺的填充金属和相应的使用这种填充金 属的体系和方法，所述填充金属结合了比典型填充金属少得多的银组分， 优选没有银组分。所述体系和方法包括用于高温接合应用的填充金属以及 用于低温接合应用的焊剂材料。在一些实施方案中，在硬钎焊过程中使用 高温填充金属和低温焊剂材料，并且通过保护气使接头组件免受环境影 响。
在一些实施方案中，所述体系和方法包括使用铜基填充金属，比如商
业上已知为CDA 464、 CDA 680和CDA681的合金。这样一来，本发明 提供使用青铜填充金属的硬钎焊方法，其中使用作为常规银硬钎焊的备选 方案的低成本填充金属，从而降低了硬钎焊方法的总成本。应当指出，与 通常使用的银合金填充金属相比，本发明的各种非银填充金属显著地较不
臼虫 卬贝o
本发明还提供与常规青铜硬钎焊方法相比，需要少得多的硬钎焊后 (post-brazing)清理的青铜硬钎焊的方法。在一些实施方案中，使用低温、 优选水溶性的焊剂材料，这种焊剂材料提供在硬钎焊加工完成之后更容易 的清理。与常规的铜硬钎焊相比，本发明提供其它显著的优点，因为本发 明允许整体(one-piece)工作流程并且消除了对大的组件和填充金属存量的 需要。这导致资本支出、使用成本和必需的设备维护量的明显降低。此外， 与常规地通过银型硬钎焊获得的接头相比，本发明提供相对更高强度的硬 钎焊接头。根据本发明的一些方面，上述优点和目的通过这样的接合方法提供， 所述接合方法包括准备至少两块母材金属，提供高温填充金属和低温焊 剂材料，所述高温填充金属即为适于高温接合的填充金属，所述低温焊剂 材料即为适于低温接合的焊剂材料。示例性的低温焊剂包括各种硬钎焊后
(post-braze)水溶性的焊剂，以及其它合适的低温焊剂。
在本发明中可以通过使用非常快速并且提供局部加热的感应加热法实 现低温焊剂的使用，从而使焊剂烧坏或变得另外用尽的可能性最小化。与 其它形式的加热相比，感应加热是理想的，因为其能够快速加热并且其将 加热过程中氧化物形成最小化。已知感应加热在硬钎焊加工中是可靠的， 并且当与其它加热形式如控制气氛加热相比时，感应加热设备需要最少的 维护、成本和资本投入。
基于(i)一种或多种母材金属，(ii)一种或多种填充金属和(iii)焊剂材料 的具体材料组成，选择在本发明体系中使用的温度和采用的方法。优选地， 温度高得足以使一种或多种填充金属熔化和流动，同时低得足以避免使一
种或多种母材金属的熔化。应当指出，这样的温度将典型地高于约840华 氏度，任选其它的温度，同样依赖于母材和填充金属和/或焊剂材料的具体 材料组成。与所采用的具体温度无关，按照需要，可以将所得到的接头在 热水中淬火，以促进多余焊剂从母材金属的移除。
填充金属是低银填充金属，含有低于约30%的银，任选地低于约25% 的银，任选地不含有银。例如，在一些实施方案中，通过提供以药芯预制 件(flux cored perform)或药芯焊丝料件(flux cored wire feed)形式的青铜填 充金属如CDA 464、 CDA 680或CDA 681来实现各种目的。优选地，在 芯中使用的焊剂应当是低温、水溶性的焊剂，比如由Lucas-Milhaupt以 "HANDY FLUX"产品线提供的专有的硬钎焊后水溶性焊剂。药芯焊丝 优选为在美国专利6,830,632中所公开的。在硬钎焊加工完成之后，低温 焊剂可以在热水中容易地移除。此外，因为焊剂为药芯焊丝的形式，所以 焊剂残留物将被最小化和局域化在硬钎焊接头。
填充金属可以以连续长度的药芯焊丝或其它焊丝例如实心青铜焊丝的 形式提供，并且如果需要，使用单独的低温焊剂代替药芯焊丝。在一些实 施方案中，无论以药芯焊丝或其它形式实现，都可以以预成型的几何形状的形式提供填充金属。取决于母材金属(parent metal)或材料的一种或多种 具体构造，适宜的预成型的几何形状包括，例如圆形、椭圆形和各种多边 形构造。
在一些执行(implementations)中，通过保护气使接头或热影响的区域免 受环境影响。保护气可以是任意的各种合适的惰性气体如氮，其可以包围、 封套、或占据热影响的区域，以使氧化的影响降低或最小化。备选地，可 以使用保护气如氩或二氧化碳、氩和二氧化碳的混合物、或还原气体如氢。
本发明的低银或非银例如青铜硬钎焊法可以主要用于目前使用银基填 充金属的钢至钢(steeUo-steei)硬钎焊应用。这种应用包括水力管线装配、 用于冷却系统的传动流体传输、燃料传输、油传输、和废气传输。然而， 按照需要，还可以将本方法用于接合众多其它的类似和/或不同的母材金属 组合，如铜、不锈钢和碳化物。
在再其它的实施方案中，本发明的方法可以被用作在控制气氛炉中使 用铜或镍基填充金属硬钎焊的备选方案。所提出的青铜硬钎焊法允许整体 工作流程，因此消除了对大的组件和填充金属存量的需要。资本支出将比 在控制气氛炉中进行的常规铜硬钎焊的资本支出小约数十倍，从而大大降 低引起的使用成本。
当与以下说明和附图一起考虑时，本发明的这些和其它的方面和目的 将被更好地领会和理解。然而，应当理解，尽管指明了本发明的优选实施 方案，但是以下说明是通过例证而非限制给出的。在不偏离本发明的精神 的条件下，可以在本发明的范围内进行许多变化和修改，并且本发明包括 所有这些修改。
附图简述
通过参照在附图中示出的、并且形成本说明书的一部分的示例性、因 而非限制性的实施方案，对于构成本发明的优点和特征、以及本发明提供 的典型机构的构造和操作的清晰概念将更易于变得明显，其中在数个视图
中同样的附图标记表示相同的元件，并且其中图l示出以药芯预制件或
药芯焊丝料件形式的青铜填充金属的横截面视图；图2示出根据本发明的
硬钎焊方法的流程图；并且图3是示出两块母材金属通过本发明的硬钎焊方法接合的示意图。
在对附图中示出的本发明优选实施方案的描述中，出于清楚的目的将 采取特定术语。然而，并非意在将本发明限制于这样选择的特定术语，并 且应当理解每个特定术语包括以类似方式使用以实现类似目的全部技术 等价物。例如，经常使用与其关联、附加的词，或与其类似的术语。它们 不限于直接关联，而包括通过其它要素的关联，其中这种关联被本领域技 术人员认为是等同的。
优选实施方案的描述
参照在以下描述中详细描述的非限制性实施方案，更全面地说明本发 明及其各种特征和优点细节。
1.体系综述
本发明涉及使用低银或非银填充金属，优选铜基金属或合金如CDA 464、 680和681的硬钎焊方法。CDA464、 680和681是在本发明的领域 内众所周知的特种合金，其包含铜、锡、锰、铁、硅、镍和锌的组合。这 种合金例如在高温硬钎焊中使用，并且适合于高温接合，并且因而定义了 高温填充金属。
本发明可以以药芯预制件或药芯焊丝料件的形式使用铜基或青铜填充 金属，例如高温填充金属。在芯中使用的焊剂是任意在低温硬钎焊中使用 的各种焊剂，例如，适合于低温接合，并且因而定义低温硬钎焊材料。优 选地，在药芯中使用的低温硬钎焊材料是硬钎焊后水溶性焊剂，使得可以 在硬钎焊完成之后通过将硬钎焊的金属在热水中淬火或冲洗而容易地移 除焊剂残留物。合适的低温硬钎焊材料典型地包含例如硼酸、无机氟化物 和硼酸盐作为组分，并且还可以包含元素硼。例如，取决于具体的最终使
用环境和相关条件，可以证明理想的是提供以下各项中的至少一项，例如
以约0.5%至5%的量的元素硼、以约0.3%至5%的量的两性表面活性剂如 deriphat 160或其它表面活性剂、以约30%至45%的量的氟化氢钾、以约 25%至40%的量的硼酸、以约15%至30%的量的氟硼酸钾、以约5%至10% 的量的四硼酸钾，和/或所需的其它组分。本领域技术人员明确知道以上列出的和其它的焊剂组分的具体百分比组成将交替变化，并且基于例如母材 和填充金属的材料组成和具体的预期最终用途以及所需特性而进行选择。
母材金属优选通过本发明中的快速热源如感应加热、激光加热、电阻 加热甚至火焰而被加热。优选感应加热，因为其加热迅速，并且使加热处 理过程中形成的氧化物最小化。本方法优选在保护气如氮、氩、或二氧化 碳的存在下进行。保护气起到使硬钎焊加工过程中氧化的效果进一步最小 化的作用，并且可以用于防止局部过热的区域。
2.优选实施方案的具体描述
参照附图，显示青铜硬钎焊的方法。现在参照

图1，显示要在本发明 中使用的硬钎焊材料的横截面视图。如图1中所示，如Fuerstenau等在美 国专利6,830,632中所公开的那样，以药芯预制件或药芯悍丝料件10的形 式提供填充金属，将该美国专利通过引用结合在此。尽管显示了焊丝环， 但是可以使用任何形状。焊剂丝IO包括轧制的金属合金片12，该金属合 金片12限定了包围芯的焊剂材料14延伸的外壳。
填充金属是非银或低银(少于20%的银)填充物。优选地，填充金属是 CDA464、 CDA680或CDA681中的一种。CDA464是众所周知的特种合 金，其具有如下组成构成
CDA 464组成
铜60.0% ±1%
锌39.3% ± 1%
锡0.8% ± 1%
如所提到的，CDA680和681在本发明的领域内是众所周知的特种合 金，其包含锡、锰、铜、铁、硅、锌、镍、铅和铝。优选的组成构成如下 CDA 680组成 锡.75%-1.10% 锰.01%-.5% 铜56.0%-60.0% 铁.25%-1.25% 硅.04%-, 15%锌余量镍.2%-.8%在芯中使用的焊剂优选为低温、水溶性、专有的硬钎焊后焊剂，比如由 Lucas-Milhaupt提供的HANDY FLUX焊料(braze)。任选地，可以使用 Lucas-Milhaupt Braze 250，其具有25%士1%的银、52% ± 1%的铜和22.5% ± 1%的锌。现在转到图2和3，分别显示出本发明的硬钎焊方法的流程图和示意 图。硬钎焊方法通常包括6个步骤。第一步骤16是选择要接合的母材金 属。之后，将母材金属清洁18、固定到适当的位置22、并且用焊剂处理 (fluxed)20，为硬钎焊作准备。为了使氧化和焊剂燃烧最小化，在实际加热 循环之前、过程中、和之后，使保护或还原气体吹扫热影响区域，例如通 过散逸。之后，发生母材金属的实际硬钎焊24。使用感应热源28对要接 合的母材金属30、 32施加热量。硬钎焊不会使要接合的母材金属熔化； 反而施加于母材金属的硬钎焊温度应当低于要接合的金属的熔点。 一旦母 材金属被加热到合适的硬钎焊温度，就将以上述药芯预制件或药芯焊丝料 件形式的青铜填充金属34施用于要形成接头的区域。这可以通过相对于 接头区域简单地保持材料如焊丝、预先放置的药芯填充材料或预制件来完 成。被加热的母材金属30、 32将熔化掉填充金属34的一部分，这一部分 将通过毛细管作用被吸引到整个接头区域中。在将填充金属34应用于接 头区域之后，允许组合体冷却，使得填充材料固化并且形成牢固的接头。最后，对硬钎焊的组合体进行清洗26，并且将剩余的焊剂残留物移除。 由于焊剂残留物典型地是化学腐蚀性的，所以无法合适地移除残留物可能 导致接头的削弱。因此，在本发明中使用的焊剂优选为水溶性焊剂，这样 可以通过将其在优选120华氏度以上的热水中淬火而将焊剂从组合体上移 除。备选地，可以在组合体仍然温暖的时候进行淬火处理，只要填充金属 在淬火之前充分固化即可。本发明实际上有无数的用途，它们都不需要在此详述。所公开的实施 方案全部可以在无需过多实验的情况下实现。此外，尽管在上面公开了本 发明人预期的实现本发明的最佳方式，但是本发明的实践并不限于此。显 然，在不偏离根本的发明概念的精神和范围的情况下，可以进行对本发明特征的各种添加、修改和重新排列。例如，可以通过提供略微不同的填充 金属，比如含镍的填充金属，或一些不同的焊剂材料，使本发明的硬钎焊 工艺得到改善。此外，各个组分无需由所公开的材料制备，而可以由基本 上任何合适的材料制备。另外，各个组分无需以所公开的形状形成，或以 所公开的构造组合，而可以以基本上任意的形状提供，并且以基本上任意 的构造组合。此外，尽管在此描述的焊剂是物理上独立的组分，但是显然， 它可以被结合到其它组分中。此外，每一个公开的实施方案的所有公开的 特征都可以与所有其它公开的实施方案的公开的特征结合，或代替所有其 它公开的实施方案的公开的特征，这种特征相互排斥的除外。后附权利要求意在涵盖所有这样的添加、修改和重新排列。本发明的 有利实施方案由后附权利要求来区分。
权利要求
1.一种使用填充金属在至少两块母材金属之间形成接头的接合方法，所述方法包括以下步骤a.准备要接合的至少两块母材金属；b.提供适于高温接合的高温填充金属；c.提供适于低温接合的低温焊剂材料；d.使用快速加热循环加热所述母材金属的接头部分；和e.通过使用高温填充材料和低温焊剂材料的硬钎焊技术，将所述至少两块母材金属接合，以形成所述接头。
2. 权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括将保护气用作对周围环境的阻挡物。
3. 权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括将所述母材金属在热水中淬火，以从所述母材金属移除多余的焊剂。
4. 权利要求1所述的方法，其中所述焊剂材料是硬钎焊后水溶性焊剂。
5. 权利要求1所述的方法，其中所述填充金属是CDA 680合金和CDA681合金中的至少一种。
6. 权利要求1所述的方法，其中所述填充金属以连续长度的丝的形式提供。
7. 权利要求1所述的方法，其中所述填充金属以预成型的几何形状的形式提供。
8. 权利要求7所述的方法，其中所述预成型的几何形状为圆形。
9. 权利要求7所述的方法，其中所述预成型的几何形状为椭圆形。
10. 权利要求7所述的方法，其中所述预成型的几何形状为多边形。
11. 权利要求6所述的方法，其中所述丝是药芯焊丝。
12. 权利要求11所述的方法，其中所述药芯焊丝包括硬钎焊后水溶性焊剂材料。
13. —种使用填充金属在至少两块母材金属之间形成接头的接合方法，所述方法包括以下步骤.-a. 准备要接合的至少两块母材金属；b. 提供青铜基填充金属；c. 提供适于低温接合的低温焊剂材料；d. 将所述母材金属加热至适于使所述填充金属熔化和流动的温度；和e. 通过使用所述青铜基填充金属和所述低温焊剂材料的硬钎焊技术，将所述至少两块母材金属接合，以形成所述接头。
14. 权利要求13所述的方法，其中所述母材金属的所述加热通过感应加热技术进行。
15. 权利要求13所述的方法，其中将所述母材金属加热到适于使所述填充金属熔化和流动并且低得足以防止所述母材金属熔化的温度。
16. 权利要求13所述的方法，其中将所述母材金属加热至高于约840华氏度的温度。
17. 权利要求13所述的方法，其中所述填充金属是低银填充金属。
18. 权利要求17所述的方法，其中低银填充金属含有少于约30%的银。
19. 权利要求17所述的方法，其中低银填充金属含有少于约25%的银。
20. 权利要求17所述的方法，其中在低银填充金属中不含有银。
21. —种使用填充金属在至少两块母材金属之间形成接头的接合方法，所述方法包括以下步骤a. 准备要接合的至少两块母材金属；b. 适于高温接合的高温填充金属；b. 将所述至少两块母材金属用焊剂处理；c. 将所述至少两块母材金属加热至低于在限定热影响区域的焊接加工中所需的温度；d. 使用保护气通过置换吹扫临近所述热影响区域的周围气体；和e. 向所述加热的母材金属施用所述高温填充金属，使得所述填充金属通过毛细管作用被吸引到所述至少两块母材金属之间的区域中，以形成接头。
22. 权利要求18所述的方法，其中所述填充金属为CDAA"合金。
23. 权利要求18所述的方法，其中所述填充金属为CDA680合金和CDA681合金中的至少一种。
全文摘要
本发明描述了使用低银和非银基填充金属的用于硬钎焊和软钎焊的体系和方法。本发明包括使用铜基或青铜型填充金属代替含银的填充金属用于硬钎焊和软钎焊的方法和体系。所述体系和方法提供的优点在于，青铜填充金属比通常使用的银合金填充金属显著地更加便宜。此外，本发明使用低温、水溶性焊剂，其允许了在硬钎焊加工完成之后的更简单的清理。另外，本发明提供的优于常规铜硬钎焊的显著的优点在于，本发明允许整体工作流程并且消除了对大的组件和填充金属存量的需求。这导致资本开支和使用成本的显著降低。最后，所述方法导致设备维护和资本投入的量的显著降低。
文档编号B23K35/02GK101600535SQ200780050787
公开日2009年12月9日 申请日期2007年12月11日 优先权日2006年12月11日
发明者阿兰·别洛赫拉夫 申请人:卢卡斯米尔霍特公司;阿兰·别洛赫拉夫