一种多场辅助的钎焊装置的制作方法

本实用新型属于钎焊技术领域，涉及一种多场辅助的钎焊装置，具体涉及一种适用于钎料在多场辅助作用下的多场耦合钎焊连接工艺研究及应用的多场辅助的钎焊装置。

背景技术：

钎焊作为电子信息产品组装和封装的关键技术，在计算机、通讯、家用电器、航空航天、军事等领域广泛应用。随着现代工业的快速发展，大量工程所需的异种材料诸如陶瓷及复合材料等新型材料的连接已难以借助于常规焊接方法得以实现，钎焊作为连接异种材料的常用方法存在其独特的优越性，这也为钎焊开辟了更为广阔的应用领域。

经过对国内外相关文献检索表明，钎焊质量的好坏取决于钎料在母材表面的润湿、铺展以及填缝。通常会从钎料自身的性能和钎焊的工艺性能来提高钎料的润湿、铺展以及填缝等性能，从而达到提高钎焊接头质量的目的。外加能场辅助焊接为目前改善钎焊工艺性能提供了一个新的研究方向。超声波作用于液态钎料时，会产生声空化作用和声涡流作用，进而破碎固体和液态钎料表面的氧化膜，使固液界面张力降低，增加钎料的毛细填缝能力，有利于液态金属在固体表面的铺展润湿，并加快界面物质的传输速率，同时超声波作用于熔体时还可以细化晶粒、提高钎焊接头的剪切强度。大气或保护气氛下铜合金、铝合金、不锈钢、金属基复合材料等同、异种材料的无钎剂连接已可借助于超声辅助钎焊技术实现。因此，超声振动为开发提高钎料润湿新方法及钎焊新工艺提供了新思路。伴随着电致迁移、电致塑性等现象的发现，电场在改善金属的组织、性能等方面的作用已受到人们的关注。材料内部晶格缺陷如：空位或位错的电子状态受电场影响，施加电场后，材料表面的电荷分布发生变化。表面电荷和带电缺陷尤其是空位产生交互作用，空位发生运动，在一定程度上，空位运动所导致的溶质和杂质在晶界处的富集，弱化了晶界，促进了物质迁移。磁场可产生电磁搅拌，通过电磁搅拌作用，改变熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程，进而改变晶粒的结晶方向，细化晶粒，减小偏析，提高接头性能。因此，在钎焊过程中若辅助超声振动、电场和磁场可往不同程度地提高钎料的润湿性，并且很好地提高了接头的性能，以期从改善钎焊工艺性方面为提高钎焊可靠性开辟新途径，具有经济效益和社会效益。

目前现有技术中，都是通过运用外加超声波或电场或磁场的方法来改善钎焊工艺性能，不管是单一的施加超声波还是单一施加静电场或是单一施加磁场，都能提高钎料的润湿性，但不能很好的提高钎料的润湿性，同时也不能显著提高钎焊接头的性能。具体体现在以下缺陷：

1、单一运用超声波辅助钎焊存在均温性差、超声波施加方式功率损失大的不足；

2、单一运用静电场辅助钎焊存在静电场电源品种单一，不能开展电场种类、极性等对钎焊过程中钎料润湿性的影响以及单一电场作用不明显的不足；

3、单一运用磁场辅助钎焊存在磁力搅拌作用不明显的不足；

4、另外，超声波和电场、超声波和磁场或电场和磁场的两种外场辅助钎焊，均存在钎焊装置二次开发性差的弊端，进而外能辅助钎焊设备存在外能施加方式单一或是不完善、施加方式存在功率损失大、而且改善钎料润湿性和提高钎焊接头质量不明显、不能综合评估外场对钎焊性能的提高等现有技术的不足。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决上述现有技术的不足，提供一种多场辅助的钎焊装置，使钎焊过程在多场辅助作用下进行，施加方式完善，功率损失小，均温性好，能更好地提高钎料的润湿性，显著提高钎焊接头质量，以期为改善钎焊工艺性能、提高钎焊可靠性开辟新途径，应用前景广泛。

为了实现上述目的,本实用新型所采用的技术方案是：一种多场辅助的钎焊装置，包括磁场系统、加热系统、电场系统和超声系统，所述磁场系统用于对钎焊试样施加磁场，磁场系统包括磁场支架、通过导线与磁场支架连接的磁场电源和固接于磁场支架下方的线圈，所述磁场电源给线圈输出交流电，所述线圈产生磁场对焊接过程作用，所述线圈通过磁场支架悬挂在钎焊炉周围；

所述加热系统包括具有长方形内腔的钎焊炉和控制钎焊炉的温度控制模块，钎焊炉内设有加热结构和热电偶，所述加热结构和热电偶分别经导线与外部的温度控制模块相连接，所述钎焊炉内的底部设有实验平台；

所述电场系统包括高压电源、上电极板和下电极板，所述上电极板经绝缘陶瓷支柱支撑在钎焊炉内的实验平台上，所述下电极板的上下分别通过绝缘平台和绝缘陶瓷垫片与实验平台绝缘，所述绝缘平台的台面为放置钎焊试样的平面，钎焊试样通过夹具固定于绝缘平台上，所述上电极板和下电极板分别经电极引线与外部的高压电源相连接；

所述超声系统包括超声波压杆、超声波发生器和组合体，组合体包括压电陶瓷换能器和聚能器，超声波压杆伸入上电极板并伸出钎焊炉的外部，所述超声波发生器连接组合体经超声波压杆固定于钎焊炉的上方，超声波发生器产生超声波经组合体作用后通过超声波压杆施加在钎焊试样上。

进一步的，所述磁场系统所产生的磁场强度为0-1T。

进一步的，所述钎焊炉上设有进气口和出气口，钎焊炉采用交流220V供电，钎焊炉的工作温度范围为室温至1000℃。

进一步的，所述上电极板和下电极板上分别设有接线柱Ⅰ和接线柱Ⅱ，接线柱Ⅰ和接线柱Ⅱ分别经电极引线与外部的高压电源相连接。

进一步的，所述上电极板和下电极板之间的间距不小于4cm，上电极板和下电极板之间的电场强度为0-5kV/cm，上电极板和下电极板采用上下相对平行间隔绝缘设置。

进一步的，所述超声波发生器提供的超声波功率为0-1000W,超声频率为20-40kHz。

进一步的，所述绝缘陶瓷支柱、绝缘陶瓷垫片和绝缘平台均采用高强度的氮化硅陶瓷制成。

本实用新型的有益效果是：

综上所述，本实用新型所提供的一种多场辅助的钎焊装置，克服了已有外能辅助钎焊装置存在外能辅助方式单一、超声施加方式功率损失过大、工作温度不高、电场种类及极性单一、装置绝缘性能不佳、外能辅助的耦合作用对钎焊过程影响不能研究、应用范围窄等不足，本实用新型使得钎焊过程在多场辅助作用下进行，施加方式完善，功率损失小，均温性好，能更好地提高钎料的润湿性，显著提高钎焊接头质量，以期为改善钎焊工艺性能、提高钎焊可靠性开辟新途径，应用前景广泛。具体体现在：

本实用新型所提供的一种多场辅助的钎焊装置，具有功能齐全、安全可靠、使用方便的特点。该钎焊装置可以达到钎焊温度范围为从室温到1000℃、电场强度范围为0-5kV/cm、超声波功率范围为0-1000W、磁场强度范围为0-1T、真空度能达到8.0×10^-3Pa的多功能优化的效果。该钎焊装置相比于现有技术，不仅只是超声波和电场，同时还添加了磁场，多场的施加方式完善，而且超声波施加方式功率损失小，整体均温性好、绝缘性好、性能完善。该钎焊装置可对钎料在多场辅助条件下钎焊的研究，并为可以提供真空和气氛保护的多功能钎焊装置，进而可往不同程度地更好地提高钎料的润湿性，改善钎焊工艺性，以期为提高钎焊接头质量开辟新途径，具有经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本实用新型一种多场辅助的钎焊装置的结构示意图；

图2是图1中磁场系统和加热系统的结构示意图；

图3是图1中电场系统的结构示意图；

图4是图1中超声系统的结构示意图；

图5是钎焊试样的结构示意图；

图中标记：1、磁场支架，2、导线，3、磁场电源，4、线圈，5、高压电源，6、接线柱Ⅰ，7、上电极板，8、绝缘陶瓷支柱，9、接线柱Ⅱ，10、下电极板，11、实验平台，12、绝缘陶瓷垫片，13、绝缘平台，14、夹具，15、钎焊试样，1501、母材，1502、钎料，16、热电偶，17、钎焊炉，18、温度控制模块，19、进气口，20、出气口，21、超声波压杆，22、组合体，23、超声波发生器。

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细说明，以下实施例为本实用新型的最佳实施例，具体情况要根据本领域技术人员的实际操作而定。

如图1-5所示，一种多场辅助的钎焊装置，包括磁场系统、加热系统、电场系统和超声系统，所述磁场系统用于对钎焊试样15施加磁场，磁场系统包括磁场支架1、通过导线2与磁场支架1连接的磁场电源3和固接于磁场支架1下方的线圈4，所述磁场电源3给线圈4输出交流电，所述线圈4产生磁场对焊接过程作用，所述线圈4通过磁场支架1悬挂在钎焊炉17周围；

所述加热系统包括具有长方形内腔的钎焊炉17和控制钎焊炉17的温度控制模块18，钎焊炉17内设有加热结构和热电偶16，所述加热结构和热电偶16分别经导线与外部的温度控制模块18相连接，所述钎焊炉17内的底部设有实验平台11；

所述电场系统包括高压电源5、上电极板7和下电极板10，所述上电极板7经绝缘陶瓷支柱8支撑在钎焊炉17内的实验平台11上，所述下电极板10的上下分别通过绝缘平台13和绝缘陶瓷垫片12与实验平台11绝缘，所述绝缘平台13的台面为放置钎焊试样15的平面，钎焊试样15通过夹具14固定于绝缘平台13上，所述上电极板7和下电极板10分别经电极引线与外部的高压电源5相连接；

所述超声系统包括超声波压杆21、超声波发生器23和组合体22，组合体22包括压电陶瓷换能器和聚能器，超声波压杆21伸入上电极板7并伸出钎焊炉17的外部，所述超声波发生器23连接组合体22经超声波压杆21固定于钎焊炉17的上方，超声波发生器23产生超声波经组合体22作用后通过超声波压杆21施加在钎焊试样15上。

进一步的作为优选方案，所述磁场系统所产生的磁场强度为0-1T。

进一步的作为优选方案，所述钎焊炉17上设有进气口19和出气口20，钎焊炉17采用交流220V供电，钎焊炉17的工作温度范围为室温至1000℃。

进一步的作为优选方案，所述上电极板7和下电极板10上分别设有接线柱Ⅰ6和接线柱Ⅱ9，接线柱Ⅰ6和接线柱Ⅱ9分别经电极引线与外部的高压电源5相连接。

进一步的作为优选方案，所述上电极板7和下电极板10之间的间距不小于4cm，上电极板7和下电极板10之间的电场强度为0-5kV/cm，上电极板7和下电极板10采用上下相对平行间隔绝缘设置。

进一步的作为优选方案，所述超声波发生器23提供的超声波功率为0-1000W,超声频率为20-40kHz。

进一步的作为优选方案，所述绝缘陶瓷支柱8、绝缘陶瓷垫片12和绝缘平台13均采用高强度的氮化硅陶瓷制成。

实施例：

如图1-5所示，一种多场辅助的钎焊装置，包括磁场系统、加热系统、电场系统和超声系统，如图1所示，所述磁场系统用于对钎焊试样15施加磁场，磁场系统包括磁场支架1、通过导线2与磁场支架1连接的磁场电源3和固接于磁场支架1下方的线圈4，所述磁场电源3给线圈4输出交流电，所述线圈4产生磁场对焊接过程作用，所述线圈4通过磁场支架1悬挂在钎焊炉17周围；

如图2所示，所述加热系统包括具有长方形内腔的钎焊炉17和控制钎焊炉17的温度控制模块18，钎焊炉17内设有加热结构和热电偶16，所述加热结构和热电偶16分别经导线与外部的温度控制模块18相连接，所述钎焊炉17内的底部设有实验平台11；本实用新型中，所述温度控制模块18设有控制钎焊炉17的温控仪表；

如图3所示，所述电场系统包括高压电源5、与高压电源5相连接的上下相对平行间隔绝缘设置的上电极板7和下电极板10，所述上电极板7经绝缘陶瓷支柱8支撑在钎焊炉17内的实验平台11上，所述下电极板10的上下分别通过绝缘平台13和绝缘陶瓷垫片12与实验平台11绝缘，所述绝缘平台13的台面为放置钎焊试样15的平面，钎焊试样15通过夹具14固定于绝缘平台13上，所述上电极板7和下电极板10分别经电极引线与外部的高压电源5相连接；在本实施例中，所述上电极板7和下电极板10均为304不锈钢制成的带有接线柱的圆形平板；所述实验平台11、绝缘陶瓷垫片12和绝缘平台13均为圆形且由氮化硅陶瓷制成；

如图4所示，所述超声系统包括将超声波振动传递给钎焊试样15的超声波压杆21、提供超声波振动源的超声波发生器23和组合体22，组合体22包括压电陶瓷换能器和聚能器，聚能器为锥形聚能器,聚能器由钛合金制成,压电陶瓷换能器通过导线将超声波发生器23提供的电信号转化为超声波振动能量形式,聚能器能起到将超声波发生器提供的振幅放大倍的作用；超声波压杆21伸入上电极板7并伸出钎焊炉17的外部，所述超声波发生器23连接组合体22经超声波压杆21固定于钎焊炉17的上方，超声波发生器23产生超声波经组合体22作用后通过超声波压杆21施加在钎焊试样15上；所述超声波压杆21通过高温胶与振动压头固定连接，超声波压杆21的一部分用钛合金制成。

进一步的作为优选方案，所述磁场系统所产生的磁场强度为0.5T。

进一步的作为优选方案，所述钎焊炉17上设有进气口19和出气口20，通过进气口19可填充氮气或氩气进行在保护气氛下的钎焊，钎焊炉17采用交流220V供电，钎焊炉17的工作温度范围为室温至1000℃。

进一步的作为优选方案，所述上电极板7和下电极板10上分别设有接线柱Ⅰ6和接线柱Ⅱ9，接线柱Ⅰ6和接线柱Ⅱ9分别经电极引线与外部的高压电源5相连接，电极引线的一端通过螺母紧固连接于接线柱6和接线柱9上，另一端与外部的高压电源5相连接，电极引线通过外面套绝缘陶瓷管与钎焊炉炉壁绝缘，电极引线用耐热金属制成,本实施例中电极引线是直径1.2mm的镍硅热电偶丝。

进一步的作为优选方案，本实施例中所述上电极板7和下电极板10之间的间距为5cm，上电极板7和下电极板10之间的电场强度为 2.5kV/cm，上电极板7和下电极板10采用上下相对平行间隔绝缘设置，上电极板7和下电极板10分别通过经密封的陶瓷绝缘套的导线穿过工作腔体与所述温控控制模块18相连接。

进一步的作为优选方案，高压电源5可以0-10kV提供正直流高压、负直流高压、交流高压和脉冲高压,具有正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端，可提供多种连接方式。本实施例中,上电极板连接负高压输出端,下电极板连接接地端,高压电源5的电压选择10kV。

在本实用新型的一种多场辅助的钎焊装置的其它实施例中，电场系统的高压电源还可以选择其它的电压范围以及高压电源各输出端与相应的上电极板和下电极板的不同接法。例如上电极板、下电极板分别接负直流高压输出端、正直流高压输出端,输出电压范围为0-20kV；或者上电极板、下电极板分别接正直流高压输出端、负直流高压输出端,输出电压为0-20kV；或者上电极板、下电极板分别接正直流脉冲高压输出端、负直流高压输出端,输出电压为0-20kV；或者上电极板、下电极板分别接负直流高压输出端、正直流脉冲高压输出端,输出电压为0-20kV；或者上电极板、下电极板分别接接地端、负直流高压输出端,输出电压为0-10kV；或者上电极板、下电极板分别接接地端、交流高压输出端,输出电压为0-10kV；或者上电极板、下电极板分别接接地端、正直流高压输出端,输出电压范围为0-10kV；或者上电极板、下电极板分别接接地端、正直流脉冲高压输出端,输出电压为0-10kV；或者上电极板、下电极板分别接正直流高压输出端、接地端,输出电压为0-10kV；或者上电极板、下电极板分别接交流高压输出端、接地端,输出电压为0-10kV；或者上电极板、下电极板分别接正直流脉冲高压输出端、接地端,输出电压为0-10kV。

进一步的作为优选方案，所述超声波发生器23提供的超声波功率为500W,超声频率为20kHz。

进一步的作为优选方案，所述绝缘陶瓷支柱8、绝缘陶瓷垫片12和绝缘平台13均采用高强度的氮化硅陶瓷制成。

本实用新型的一种多场辅助的钎焊装置的工作过程如下：

步骤一、将钎焊所用的母材1501紫铜板待焊面和钎料1502用砂纸或磨削设备打磨平整、光洁，并用酒精或丙酮进行清洗，然后将母材和钎料晾干或吹干后摆放好，备用；

步骤二、将Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料1502制成10×10×0.1mm薄片状，备用；

步骤三、将步骤二所得的钎料1502置于步骤一所得的两个母材1501搭接面之间，将两个母材1501的待焊面对扣搭接在一起构成待钎焊的钎焊试样15，如图5所示，备用；

步骤四、将步骤三所得的钎焊试样15用卡具14固定于绝缘平台13上，将超声波压杆21压紧钎焊试样15，压强为0.5MPa，关闭钎焊炉17炉门密封工作腔；

步骤五、将超声波发生器23、高压电源5和磁场电源3均接入220V交流电，待调定所需的参数后关闭超声波发生器23、高压电源5和磁场电源3，待需要时开启；

步骤六、向钎焊炉17内通入惰性气体N₂气或Ar气，使得钎焊过程在保护环境下进行；或者进行抽真空，待达到所需真空度8.0×10^-3Pa后，开启加热系统；

步骤七、当加热温度达到设定温度270℃后，开启电场系统、超声系统和磁场系统，施加功率为500W、超声频率为20kHz的超声、电场强度为2.5kV/cm的电场和磁场强度为0.5T的磁场，将钎焊试样15进行钎焊并计时，钎焊开始45s后关闭超声系统的超声波发生器，60s后关闭电场系统的高压电源，240s后关闭磁场系统的磁场电源，钎焊完毕；

步骤八、钎焊完成后，及时使用放电棒将上电极板7、下电极板10以及高压电源5内部电荷进行释放；打开钎焊炉炉门，升起超声波压杆21，取出钎焊试样15，关闭炉门并保持一定的真空度。

应该指出，虽然结合附图及实施例已对本实用新型做了详细描述，但本实用新型的构思并不局限于此，凡利用本实用新型的构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。