本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种金属体系的钎焊方法。
背景技术：
金属-金属钎焊连接技术以其变形尺度小，尺寸精度高、电阻率低等特性，被广泛用于航空航天、汽车机械、电子信息化以及国防军工等领域。通常情况下，金属体系钎焊接头的可靠性与两者之间的润湿性以及接头金属间化合物(imcs)的形成密切相关。一方面，焊料与母材的成分、钎焊温度、母材表面氧化以及母材表面粗糙度决定了焊料与母材间的润湿性能，而这其中金属母材的表面氧化是公认的最难控制的影响因素。例如，纯fe只要露置于大气环境1秒钟，其表面就会自发形成一层5nm厚的氧化膜；而纯cu在空气中形成5nm厚的氧化膜也仅仅需要10秒。这种纳米级别的氧化膜顽固地附着于金属表面，严重地影响了焊接体系的润湿性。以纯sn在cu基板上的润湿为例，当基板存在氧化膜时，其表观润湿角约为120°，而氧化膜去除以后，其接触角则会瞬间降至25°。
现有去除表面氧化的措施主要是使用助焊剂，利用助焊剂在钎焊温度区间内所表现的物理性质及化学活性达到辅助热传导、去除氧化物以及降低材质表面张力等目的，进而帮助和促进润湿以及焊接过程。然而，助焊剂的使用往往伴随着界面腐蚀元素的残留、气孔缺陷、不同钎焊条件下助焊剂与温度配合不佳且难以有效调控等问题，在一些工作环境要求较高或者母材与焊料成分较为特殊的钎焊工艺中，如何有效地避免上述问题，同时获得金属液-固界面的本征润湿性是目前亟待解决的热点问题之一。
另一方面，焊料的熔点普遍较低，强度较差，形成接头以后一般要求焊料区完全转变为固溶体或imcs，以满足钎焊接头的强度要求。而对于绝大多数金属-金属体系而言，imcs的数量、形貌和种类则是直接影响钎焊接头质量的关键因素。同样以sn/cu体系为例，由于扩散动力学在界面反应过程中占据主导地位，体系的界面产物通常会形成以扇贝状的cu6sn5相为主，岛状或薄层状的cu3sn为辅的结构。脆性以及电阻率较大cu6sn5相的过度生长使界面处的力学性能下降，进而影响钎焊接头的可靠性和服役时间。
cn102151930公开了一种异质金属材料间的钎焊方法，异质金属材料包括材质不同的第一母材和第二母材，该方法包括以下步骤：将第一母材装卡在可伸缩夹具上，第二母材装卡在固定夹具上，使第一母材的、第二母材的焊接面相对并将钎料置于所述焊接面之间；在第一母材上施加相对于所述焊接面的预压力；对所述第一母材与第二母材的焊接部位局部快速加热，达到设定温度后保温；将所述预压力升至焊接压力；用超声压杆对第一母材施加相对于所述焊接面的超声振动；超声振动完成后继续保温保压，然后停止加热并继续保压至所述焊接部位冷却。但是，超声辅助钎焊对于液态钎料的空化削弱了焊料区的固溶或界面反应强化作用，尤其在使用该专利所述的sn基、zn基等低强度钎料时，力学性能下降会非常显著。此外，虽然该发明提出了一种无钎剂施焊的方法，但压力+超声辅助的方式同样存在超声衰减、工艺复杂等可控性差的问题。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种金属体系的钎焊方法，解决现有助焊剂的使用导致高成本、气孔缺陷、界面残留造成的接头电化学腐蚀，焊接过程的可调控性差以及界面脆性产物过度生长等技术问题，提高金属体系钎焊接头的力学、电学和服役寿命等综合性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种金属体系的钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）电流耦合钎焊偶的建立
（1）用感应加热炉将所选焊料熔化并喷注在圆柱形石英管内，切割内含焊料的石英管制成焊料薄片，剥取焊片并对其进一步打磨，使其厚度达到30~60μm；
（2）将第一母材、第二母材和焊片分别抛光至表面粗糙度低于50nm，然后将钎片置于第一母材、第二母材之间并用可通电的夹具夹紧形成钎焊偶；
（3）将制备好的钎焊偶置于真空室内，钎焊偶的下端与高纯石墨下电极接触，钎焊偶的上端通过设备的底座调姿系统与平头的高纯石墨上电极接触；
2）系统参数的调控
（1）对真空室内进行机械泵预抽、分子泵精抽使炉内真空度达到5×10-4pa；然后通入高ar-10h2还原性气体；
（2）将钎焊偶体系以10~20k/min的速度连续加热，并在预设钎焊温度保温；
（3）选择稳流直流电流强度进行钎焊接头的制备；
3）电流耦合钎焊
（1）打开直流电源的通电开关，预设好电流强度，将通电初始时刻记为起始时间点，通电终了时刻记为结束时间点，完成电流耦合钎焊；
（2）通电结束后冷却至室温，对钎焊接头进行结构表征和性能检测。
相比现有技术，本发明具有如下的优点：
（1）本发明方法采用直流电辅助技术能够有效地破除母材表面的氧化膜，从而获得金属液-固界面良好的本征体，解决现有助焊剂的使用导致高成本、气孔缺陷、界面残留造成的接头电化学腐蚀，焊接过程的可调控性差以及界面脆性产物过度生长等技术问题。与传统的采用助焊剂方法相比，具有去氧化速度快，成本低廉且界面不引入其他杂质等优势。
（2）本发明方法避免了焊剂与使用温度的配合调整，转化为单一的电流参数控制，增加了工艺的可调控性，同时拓展了钎焊材质乃至母材的选择范围。
（3）本发明方法采用直流电辅助技术能够有效地调控钎焊界面反应产物的形貌、种类和数量，针对具体的焊接母材，选取适当的焊料，可以显著提升钎焊接头的力学、电学、服役寿命等综合性能。提高金属体系钎焊接头的力学、电学和服役寿命等综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中在还原性气氛下在473k和10a电流强度作用下cu/sn57bi/cu去氧化体系钎焊接头纵剖面的界面背散射显微结构图，(a1，a2)15min，(b1，b2)30min，(c1，c2)60min，(d1，d2)90min。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种金属体系的钎焊方法，包括如下步骤：
1、电流耦合钎焊偶的建立
具体包括如下步骤：
1）用感应加热炉将sn57bi焊料熔化并喷注在圆柱形石英管内，切割内含焊料的石英管制成sn57bi薄片，剥取焊片并对其进一步打磨，使其厚度达到30~60μm；；
2）将两块cu母材和sn57bi薄片分别进行抛光，然后将sn57bi薄片置于两块cu母材之间并用可通电的夹具夹紧形成钎焊偶；
3）将制备好的cu-sn57bi-cu钎焊偶置于真空室内，cu-sn57bi-cu钎焊偶的下端与高纯石墨下电极接触，cu-sn57bi-cu钎焊偶的上端通过设备的底座调姿系统与平头的高纯石墨上电极接触；
2、钎焊参数的设定
1）对真空室内进行机械泵预抽、分子泵精抽使炉内真空度达到5×10-4pa；然后通入高ar-10h2还原性气体；
2）将ar-10h2还原性气氛中的cu-sn57bi-cu钎焊偶体系加热到473k后并进行保温；
3）选择10a的稳流直流电流进行钎焊接头的制备；
3、电流耦合钎焊
1）打开直流电源的通电开关，预设好电流强度为10a，通电15min、30min、60min和90min，完成电流耦合钎焊；
2）通电结束后冷却至室温，获得钎焊接头。
将实施例1中得到的cu/sn57bi/cu钎焊接头纵剖面的界面背散射显微结构进行观察得到图1，图(a1，a2)15min，图(b1，b2)30min，图(c1，c2)60min，图(d1，d2)90min。从图1中可以看出，电子从上端界面流向下端界面，随着通电时间的延长，钎焊偶阴极和阳极两端的界面金属间化合物不断长大，同时，与不通电条件下生成大量cu6sn5脆性相相比，此时生成的界面产物相均为cu3sn相(高熔点、低电阻率以及较其他sn基界面产物更好的力学性能)占主导。由此可知，直流电辅助cu-sn57bi-cu钎焊体系有效地提升了其钎焊接头的综合性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。