專利名稱：一種離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種處理釬焊異種難焊金屬的方法。
背景技術(shù)：
近年來，國內(nèi)外生產(chǎn)中為了充分發(fā)揮材料的固有性能和節(jié)省材料，越來越多采用 異種材料雙金屬焊接結(jié)構(gòu)或者多金屬焊接結(jié)構(gòu)，具有獨特的優(yōu)勢和良好的經(jīng)濟效益，在航 空航天、石油化工、電站鍋爐、核動力、機械、電子、造船以及其他一些領域發(fā)展迅猛。然而， 異種材料釬焊時，由于母材固有的性能差異，無論是焊接機理和操作技術(shù)都比同種材料復 雜，存在釬料潤濕性差、脆性相厚度大的問題。 名稱為"異種材料的連接方法、連接裝置及連接結(jié)構(gòu)(中國專利號 ZL200610160974. 1，申請日2006年12月06日)"的專利公布了一種利用插在高熔點材 料和低熔點材料兩者之間的第三種材料將高熔點材料搭接在低熔點材料上的方法；名稱為 "釬焊性能優(yōu)異的表面處理Al薄板、使用該薄板的散熱器以及制備釬焊性能優(yōu)異的表面處 理Al薄板的方法(中國專利號ZL200480005348. 4，申請日2004年01月15日)"的專利 公布了一種提高A1薄板釬焊性能的方法，其方法為首先對Al基體置換鍍覆Zn，然后鍍覆 Ni，之后鍍覆Sn ;名稱為"用于鈦合金和鋼真空釬焊的工藝方法(申請?zhí)?00810110772. 5， 申請日2008年05月30日)"的專利公布了一種在鋼待焊表面預先鍍Ni，再用銀基釬料對 鈦合金和鋼進行釬焊；名稱為"用于鈦合金與鋼連接的氬弧焊-釬焊復合焊接方法(申請 號200810110773. X，申請日:2008年05月30日)"的專利公布了一種用Nb作為中間層對 鈦合金與鋼焊接的方法，該方法首先在充氬箱中使用鈦焊絲對鈦合金合Nb中間層進行氬 弧焊接，再對鈦合金+Nb中間層與鋼進行釬焊；名稱為"預處理要焊接的鍍鋅鋼板或鋁板的 方法(申請?zhí)?00510119967. 2，申請日2005年06月09日)"的專利公布了一種使用大氣 的、電中性的低溫等離子體(空氣或N-0氣體混合物)預處理鍍鋅鋼板的待焊接合區(qū)表面， 以提高其可焊性的方法。劉亮知，鄒一心，薛崇貌，離子注入Ni對硬質(zhì)合金擴散焊接接頭強 度的影響，西安工業(yè)學院學報，1990，10(3-4) :99 105，在硬質(zhì)合金YG15 (WC-15 % Co)母 材表面離子注入Ni后進行擴散焊，研究發(fā)現(xiàn)，在90(TC焊接時，注入元素Ni可以使接頭強度 由原來的15. lMPa提高到24. 4MPa，提高約50X ;在104(TC焊接時，注入Ni，可以使接頭的 強度由原來的44. 9MPa提高到51. 3MPa，提高約13%;這是由于離子注入合金層的增強擴散 效應能夠促進焊接接合面兩側(cè)原子的相互擴散，細化接頭中間層的晶粒，提高低溫擴散焊 接接頭的強度。名稱為"A method forwelding with the help of ion implantation(歐 洲專利公開號EP 0091371A1)" 公布了一種離子注入預處理改善異種金屬焊接性的方法，該專利指出，對異種難 焊金屬而言，離子注入前處理可降低材料近表面原子能，提高母材的擴散速度，進而實現(xiàn)可 靠的冷壓焊和擴散焊接。高平，趙寶榮等.鎳離子注入劑量對氧化鋁陶瓷焊接性能的影響 研究.兵器材料科學與工程.2000，6:16 18;高平，趙寶榮等.離子注入對結(jié)構(gòu)陶瓷焊接 性能影響的研究.西部大開發(fā).科教先行與可持續(xù)發(fā)展一-中國科協(xié)2000年學術(shù)年會文集[C].2000;李國斌，趙寶榮等.離子注入改進陶瓷表面可焊性機理分析.兵器材料科學與工 程.2001,24(4) :34 37 ;張瑋，高平，楊海龍.鎳離子注入Al203/lCrl8Ni9Ti釬焊界面成分 分析.包頭鋼鐵學院學報.2000， 19(3) :219 221 ;B. R. Zhao，G. B. Li，et al. Influence of nickel ion implantation on the inactive braze joining abilities ofAl203ceramics. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2005， 239 :147 151，鎳離 子注入劑量對氧化鋁陶瓷焊接性能的影響研究，兵器材料科學與工程.2000，6 :16 18，主 要采用陶瓷與不銹鋼的釬焊界面剪切強度的變化來考察與評價Ni、 Ti及Mo離子注入結(jié)構(gòu) 陶瓷表面對其焊接性能影響的變化，結(jié)果表明鎳離子注入可以明顯改善陶瓷的焊接性能， 提高接頭剪切強度，且注入劑量不同，其焊縫的剪切強度存在著較大差異，作者認為在陶瓷 與不銹鋼的釬焊工藝中，離子注入陶瓷可以引起陶瓷表面空位濃度變化且增加表層物質(zhì)活 性，改善陶瓷的潤濕性和表面能，進而增強元素擴散及參與界面反應的能力，從提高陶瓷與 金屬接頭連接強度來說，元素間的擴散是一種有益的作用，這可能帶來更多的置換化學反 應來提高結(jié)合強度。 對以上離子注入在焊接中的應用總結(jié)如下異種材料焊接需要界面控制，離子注 入是一種有效的方法，但目前的離子注入用于異種金屬焊接只針對了異種金屬的冷壓焊和 擴散焊，主要是利用離子注入降低材料表面原子能，提高母材間擴散速度，進而實現(xiàn)保證接 頭質(zhì)量的前提下降低擴散焊中母材施加的壓力以及焊接溫度；離子注入用于陶瓷與金屬的 焊接時，可用于擴散焊和釬焊，其主要也是利用離子注入改變陶瓷表面活性，增強界面元素 擴散及參與界面反應的能力，進而實現(xiàn)陶瓷與金屬的可靠連接。但是，對于異種金屬釬焊而 言，最主要的問題是釬料與母材潤濕性差和脆性金屬間化合物層厚度大且厚度難以控制導 致的接頭強度不高，對于上述方法中采用提高擴散速度的離子注入方式對控制脆性相的生 成效果不明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有離子注入用于異種金屬焊接僅適用于異種金屬的冷 壓焊和擴散焊，無法進行釬焊的問題，而提供一種離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬 的方法。 離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的方法按以下步驟實現(xiàn)一、對異種難焊 金屬中的高熔點母材金屬表面進行物理清理和化學清洗，然后置于真空室中并抽本底真空 至10—1 10—乍a，啟動金屬離子注入沉積源進行注入沉積前處理，工作電壓為10 100kV， 注入離子劑量為1015 1(^ions/cm、注入沉積的離子元素為低熔點母材金屬元素；二、對 異種難焊金屬中的低熔點母材金屬進行物理清理和化學清洗，然后與注入沉積前處理后的 高熔點母材進行搭接固定，在搭接的邊緣處放置釬料并涂覆釬劑，得待焊工件；三、預熱焊 接爐到釬焊溫度，然后將待焊工件置于焊接爐進行釬焊，保溫2 20min后取出空冷，即完 成離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬；其中步驟一中異種難焊金屬為鋁合金/不銹 鋼、鋁合金/銅、鋁合金/鈦合金、鈦合金/銅、鋼/銅、鈦合金/不銹鋼、鋯/不銹鋼、鉬合 金/不銹鋼、鎢合金/不銹鋼或鋁合金/鎂合金；步驟一中注入沉積前處理為等離子體浸沒 離子注入沉積(PIII-D)、MEVVA源離子注入沉積或離子束注入輔助沉積(IBED);步驟二中 釬料選用低熔點母材金屬釬焊專用釬料，釬料具體種類根據(jù)釬焊接頭的實際工況條件查釬焊手冊確定；步驟二中釬劑選用的種類是根據(jù)已選釬料查釬焊手冊確定；步驟三中進行釬 焊的溫度是根據(jù)所選釬料并查閱釬焊手冊確定。 本發(fā)明提到的離子注入沉積的方法，在待焊母材表面形成的改性層無明顯界面， 改性層與母材結(jié)合好，適用于異種難焊金屬進行釬焊。 一方面由于被焊接件表面成分置換 可以調(diào)節(jié)表面潤濕性，同時，通過這種低熔點金屬注入沉積前處理可以降低焊接溫度、注入 層對擴散可以調(diào)制，進而有效抑制脆性相生成，最終可獲得高強度的焊接接頭；本發(fā)明選擇 低熔點母材金屬作為注入元素，工藝簡單，高熔點母材表面形成一層注入沉積復合層，高熔 點母材最外層為低熔點母材材料，釬焊工藝可簡化為同種低熔點母材的釬焊連接，釬料選 擇低熔點母材釬焊常用釬料，可與低熔點母材達到良好潤濕和優(yōu)異的冶金接合；即使對于 熔點差別不大的兩種母材(如鎂合金/鋁及鋁合金)釬焊，本發(fā)明所述的離子注入前處理 方法同樣適用。本發(fā)明采用的離子注入沉積前處理的方法無污染，注入元素不受限制。


圖1為具體實施方式
一中離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的示意圖，其中 1為高熔點母材金屬，2為低熔點母材金屬，3為注入沉積層，4為釬料，5為釬劑。
具體實施例方式
具體實施方式
一 本實施方式離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的方法按以 下步驟實現(xiàn)一、對異種難焊金屬中的高熔點母材金屬表面進行物理清理和化學清洗，然后 置于真空室中并抽本底真空至10—1 10—乍a，啟動金屬離子注入沉積源進行注入沉積前處 理，工作電壓為10 100kV，注入離子劑量為1015 1(Tions/cm、注入沉積的離子元素為 低熔點母材金屬元素；二、對異種難焊金屬中的低熔點母材金屬進行物理清理和化學清洗， 然后與注入沉積前處理后的高熔點母材進行搭接固定，在搭接的邊緣處放置釬料并涂覆釬 劑，得待焊工件；三、預熱焊接爐到釬焊溫度，然后將待焊工件置于焊接爐進行釬焊，保溫 2 20min后取出空冷，即完成離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬；其中步驟一中異種 難焊金屬為鋁合金/不銹鋼、鋁合金/銅、鋁合金/鈦合金、鈦合金/銅、不銹鋼/銅、鈦合金 /不銹鋼、鋯/不銹鋼、鉬合金/不銹鋼、鎢合金/不銹鋼或鋁合金/鎂合金；步驟一中注入 沉積前處理為等離子體浸沒離子注入沉積、MEVVA源離子注入沉積或離子束注入輔助沉積； 步驟二中釬料選用低熔點母材金屬釬焊專用釬料，釬料具體種類根據(jù)釬焊接頭的實際工況 條件查釬焊手冊確定；步驟二中釬劑選用的種類是根據(jù)已選釬料查釬焊手冊確定；步驟三 中進行釬焊的溫度是根據(jù)所選釬料并查閱釬焊手冊確定。 本實施方式離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的示意圖如圖1所示。 本實施方式中當待焊的兩種母材熔點差別小(在30°C以內(nèi))時，高熔點母材金屬
還可以為釬料選擇性小的母材金屬。 本實施方式步驟一中高熔點母材金屬的最表面離子注入混合層為0. 01 2iim， 高熔點母材金屬的表面沉積金屬層厚度為0. 1 10iim。 本實施方式步驟一中鋁合金為現(xiàn)有各種型號的鋁合金；鈦合金為現(xiàn)有各種型號的 鈦合金；鉬合金為現(xiàn)有各種型號的鉬合金；鎢合金為現(xiàn)有各種型號的鎢合金；鎂合金為現(xiàn) 有各種型號的鎂合金。
本實施方式步本實施方式中當待焊的兩種母材熔點差別小(在3(TC以內(nèi))時，低 熔點母材金屬還可以為釬料選擇性大的母材金屬。 本實施方式步驟二中搭接固定是將低熔點母材金屬與高熔點母材金屬具有表面 沉積金屬層的一面進行搭接固定。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中高熔點母材金 屬表面進行物理清理和化學清洗為依次采用400#、500#、600#、800#和1000#金相砂紙逐級 預磨，然后采用丙酮超聲清洗15min，再烘干。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
二不同的是步驟一中工作電壓為 20 80kV，注入離子劑量為1016 1019ionS/cm2。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
二不同的是步驟一中工作電壓為 50kV，注入離子劑量為1018ionS/cm2。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
三或四不同的是步驟二中低熔點母 材金屬進行物理清理和化學清洗為依次采用400#、500#、600#、800#和1000#金相砂紙逐級 預磨，然后在50 60 下采用質(zhì)量濃度為5X的NaOH溶液清洗10 15s，用清水沖洗3 5次，再采用體積濃度為25%的稀硝酸溶液浸泡5 10s，用蒸餾水清洗3 5次，然后用酒 精擦拭表面。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
三或四相同。
具體實施方式
六本實施方式離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的方法按以 下步驟實現(xiàn)一、對不銹鋼表面進行物理清理和化學清洗，然后置于真空室中并抽本底真空 至10—2 10—乍a，啟動金屬離子注入沉積源進行注入沉積前處理，工作電壓為10 60kV， 注入離子劑量為1015 1(^ions/cm、注入沉積的離子元素為鋁離子；二、對純鋁進行物理 清理和化學清洗，然后與注入沉積前處理后的不銹鋼進行搭接固定，在搭接的邊緣處放置 釬料并涂覆釬劑，得工件；三、預熱焊接爐到釬焊溫度，然后將工件置于焊接爐進行釬焊，保 溫2 20min后取出空冷，即完成離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬；其中步驟一中 MEVVA源離子注入沉積；步驟二中釬料選用BA188Si ;步驟二中釬劑選用的種類是根據(jù)已選 釬料查釬焊手冊確定；步驟三中進行釬焊的溫度是590 630°C。 本實施方式中離子注入沉積前處理釬焊不銹鋼與純鋁，經(jīng)檢測釬焊接頭強度為 40 80MPa，而未注入鋁離子的不銹鋼與鋁釬焊接頭強度僅為10 25MPa。
權(quán)利要求
一種離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的方法，其特征在于離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的方法按以下步驟實現(xiàn)一、對異種難焊金屬中的高熔點母材金屬表面進行物理清理和化學清洗，然后置于真空室中并抽本底真空至10-1～10-4Pa，啟動金屬離子注入沉積源進行注入沉積前處理，工作電壓為10～100kV，注入離子劑量為1015～1020ions/cm2，注入沉積的離子元素為低熔點母材金屬元素；二、對異種難焊金屬中的低熔點母材金屬進行物理清理和化學清洗，然后與注入沉積前處理后的高熔點母材進行搭接固定，在搭接的邊緣處放置釬料并涂覆釬劑，得待焊工件；三、預熱焊接爐到釬焊溫度，然后將待焊工件置于焊接爐進行釬焊，保溫2～20min后取出空冷，即完成離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬；其中步驟一中異種難焊金屬為鋁合金/不銹鋼、鋁合金/銅、鋁合金/鈦合金、鈦合金/銅、不銹鋼/銅、鈦合金/不銹鋼、鋯/不銹鋼、鉬合金/不銹鋼、鎢合金/不銹鋼或鋁合金/鎂合金；步驟一中注入沉積前處理為等離子體浸沒離子注入沉積、MEVVA源離子注入沉積或離子束注入輔助沉積；步驟二中釬料選用低熔點母材金屬釬焊專用釬料，釬料具體種類根據(jù)釬焊接頭的實際工況條件查釬焊手冊確定；步驟二中釬劑選用的種類是根據(jù)已選釬料查釬焊手冊確定；步驟三中進行釬焊的溫度是根據(jù)所選釬料并查閱釬焊手冊確定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的方法，其特征 在于步驟一中高熔點母材金屬表面進行物理清理和化學清洗為依次采用400#、500#、600#、 800#和1000#金相砂紙逐級預磨，然后采用丙酮超聲清洗15min，再烘干。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的方法，其特征 在于步驟一中工作電壓為20 80kV，注入離子劑量為1016 1019ions/cm2。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的方法，其特征 在于步驟一中工作電壓為50kV，注入離子劑量為1018ions/cm2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的方法，其 特征在于步驟二中低熔點母材金屬進行物理清理和化學清洗為依次采用400#、500#、600#、 800#和1000#金相砂紙逐級預磨，然后在50 6(TC下采用質(zhì)量濃度為5%的NaOH溶液清 洗10 15s，用清水沖洗3 5次，再采用體積濃度為25%的稀硝酸溶液浸泡5 10s，用 蒸餾水清洗3 5次，然后用酒精擦拭表面。
全文摘要
一種離子注入沉積前處理釬焊異種難焊金屬的方法，涉及一種處理釬焊異種難焊金屬的方法。它解決了現(xiàn)有離子注入用于異種金屬焊接僅適用于異種金屬的冷壓焊和擴散焊，無法進行釬焊的問題。方法一、對高熔點母材金屬表面進行物理清理和化學清洗，然后置于真空室中并抽本底真空，進行注入沉積前處理；二、對低熔點母材金屬進行物理清理和化學清洗，然后與注入沉積前處理后的高熔點母材進行搭接固定，放置釬料并涂覆釬劑，得工件；三、預熱焊接爐到釬焊溫度，然后將工件置于焊接爐進行釬焊，保溫后取出空冷，即完成。本發(fā)明提到的離子注入沉積的方法，在待焊母材表面形成的改性層無明顯界面，改性層與母材結(jié)合好，適用于異種難焊金屬進行釬焊。
文檔編號B23K1/20GK101700592SQ200910310588
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者呂世雄, 鞏春志, 徐睦忠, 楊士勤, 王國偉, 田修波 申請人:哈爾濱工業(yè)大學