6063铝合金低温无铅钎焊

2020-02-06杨芳李天立何鑫韩纪超何锦川

焊接 2020年11期

杨芳，李天立，何鑫，韩纪超，何锦川

(辽宁工程技术大学，辽宁阜新 123000)

0 前言

随着钢材、铝合金等金属材料的需求量急速加大，合金材料不仅追求结构的轻量化，还需要保证合金的高产量及性能的稳定性。铝合金具有重量轻、比强度高、密度小、导热性能好、耐腐蚀性能高等性能特点[1-2]，能够同时满足合金材料的结构轻量化和工业技术领域的指标，而且具有价格低、性价比高等优势，因此，在航空造船、汽车家电、电子封装等领域产业得到广泛应用。

目前，在铝合金钎焊中应用较广泛的是传统Sn-Pb钎料[3]，废弃的Pb会进入土壤以及地下水循环中，长期使用对环境造成不可降解的Pb污染，破坏生态平衡[4]。因此，各国也纷纷出台法律法规限制含Pb元器件的电子产品的生产，其中欧洲国家的WEEE法令和RoHS法令、亚洲地区日本的《有效提高利用资源法》以及中国的《电子信息产品污染控制管理办法》[5]等，而研发新型无铅钎料取代传统的Sn-Pb钎料已经是人类的不二之选。

目前研究较多的无铅钎料有Sn-Zn系、Sn-Bi系、Sn-Cu-Ni系等钎料，其中Sn-9Zn合金的熔点与Sn-Pb合金的共晶点最为接近，且二者的化学、物理性能也最为接近。因此，对Sn-9Zn基合金钎料的研究较为重视[6-8]。由于Zn化学性质活泼，使得钎料表面生成大量氧化膜，影响钎料的毛细作用和润湿作用，因此Sn-9Zn钎料具有抗氧化性差、润湿性差等缺点。向Sn-Zn中添加金属元素使其微合金化可以改善以上的不足。表面活性金属Ga，在钎料熔化时表面富集形成致密保护膜减少Zn的氧化[9-10]。陈文学等人[11]添加合金元素Ga使钎料合金熔点显著降低，熔化温度区间有所增大，润湿性能得到明显改善；合金元素Ga的添加量>1 %时，钎料的润湿性能趋于稳定。Bi元素能降低熔融状态下钎料合金的表面张力[12]，降低材料的粘度，从而提高合金的润湿性能。吴文云等人[13]通过添加Bi元素明显改善Sn-Zn系无铅钎料的润湿性，在Zn的质量分数一定的条件下，随Bi质量分数的增加润湿性提高；当Bi含量>3%时对润湿性的影响减弱。

文中通过添加不同比例Bi，Ga元素制成Sn-9Zn-xBi-Ga(x=1，2，3，4;质量分数，%)无铅钎料，采用激光共聚焦显微镜、电子扫描显微镜、XRD等测试技术对焊接接头区进行显微组织观察和物相分析，结合显微硬度试验以确定使用无铅钎料钎焊的接头性能和钎焊工艺。

1 试验方法

1.1试验材料

试验采用6063铝合金为母材，其化学成分见表1，6063铝合金试样的尺寸为1 mm×10 mm×20 mm。依次用200号、400号砂纸打磨母材表面，而后用丙酮、酒精清洗其表面。

表1 6063铝合金化学成分(质量分数，%)

选用纯度为99.99%的Sn，Zn，Bi，Pb和Ga分别配制有铅钎料和无铅钎料作为对比试验，钎料的名义成分见表2。钎剂选用自制的松香+15%ZnCl2钎剂，为了起到去除ZnO膜的效果。在200 ℃条件下热处理炉中保温30 min炉中钎焊。

表2 钎料成分组成(质量分数，%)

1.2试验方法

使用DZSL-B箱式马弗炉在450 ℃条件下将母材浸入锌液10 s后完成热浸镀锌；通过OLS 4000激光共聚焦显微镜测量钎料在6063铝合金镀锌层表面的润湿角和观察钎焊接头的宏观组织形貌；采用型号为JEOL JSM07500F的扫描电子显微镜观察样品的微观形貌，并通过扫面电镜自带的能谱仪分析元素分布；使用XRD-6100射线衍射仪分析钎焊接头的物相组成，扫描角度20°～100°，电压为40 V，电流为30 A；利用HV-1000Z自动转塔显微硬度计测定钎焊接头区的维氏硬度，试验载荷0.2 kg、保载时间10 s。

2 试验结果和分析

2.1润湿性能分析

表3为不同钎料在6063铝合金镀锌表面润湿角的测量值，由表3可以看出，Sn-9Zn-xBi-Ga钎料在6063铝合金镀锌表面的润湿性要明显优于传统含铅钎料。无铅钎料中随着Bi含量的增加润湿角逐渐减小，Bi含量为3%时，钎料的浸润角最小，铺展率最大，界面结合较好。当Bi含量超过3%时，润湿角开始升高。随着Bi含量的增加会形成较多富Bi区，钎料与镀Zn层之间的表面张力增加，降低了钎料润湿性。由于Bi在钎料表面富集，隔绝钎料中的Zn与O接触，降低钎料与镀Zn层的表面张力，提高钎料在母材上的润湿铺展性能。Ga元素的添加抑制了钎料在熔化时其表面氧化层的形成，使得钎料与镀Zn层之间的表面张力降低，浸润角减小，润湿铺展性提高；1%的Ga元素使润湿反应的活化能明显降低，钎料和母材间的系统自由能明显降低，钎料能自发的在镀Zn层上润湿铺展。

表3 不同钎料试样润湿情况

2.2钎焊接头组织分析

图1为6063铝合金热浸镀锌层激光共聚焦显微组织形貌特征，可以看出当在450 ℃的温度下浸沾10 s时铝合金与锌界面形貌“犬牙交错”，有很明显的“互溶”现象，锌液和6063铝合金相互扩散，属于冶金结合，其镀锌层效果良好。

图1 6063热浸镀锌照片

图2为钎焊接头激光共聚焦显微组织图。从图中可以看出，镀锌层与这几种钎料之间出现“互溶”现象结合，钎料能很好润湿镀锌层并发生互扩散。钎焊过程中Bi在钎料表面富集，降低了液体表面上的张力，进而改善了钎料的润湿性和铺展性；由图2a，2b中可以看出有黑色棒状相(枝晶)存在，随着Bi含量的增加，黑色棒状相(枝晶)的数量逐渐增多，体积逐步增大。

图2 焊接接头区镀锌层-钎料形貌

2.3钎焊接头微观组织特征

为了进一步观察钎焊焊接接头焊缝的组织形貌，对焊缝位置进行扫描电镜SEM分析以及EDS分析。图3为钎料/镀锌层界面微观组织形貌的扫描电镜SEM电子图像。从图3a，3b中可以看出，在含铅钎料/镀锌层界面中出现明显得孔洞缺陷，而孔洞出现的原因是由于焊接过程中钎料的流动性和润湿性较差，使得钎料未能铺满整个焊缝，冷却后形成孔洞缺陷。由图3c，3d可知，无铅钎料/镀锌层界面连接紧密，焊缝较为平直，焊接效果良好；当Bi含量达到3%时，其界面结合较好。因此，试验条件下Sn87Zn9Bi3Ga具有最好的无铅钎料/镀锌层界面结合。

图3 钎料/镀锌层钎焊接头SEM形貌

2.4钎焊接头元素分布及物相分析

图4为钎焊接头的XRD图，由图分析可知，Sn-9Zn-xBi-Ga/6063铝合金镀锌层界面中出现了Al-Zn金属间化合物，且不同钎料的钎焊接头XRD衍射峰的强度有所不同，钎焊接头中生成了Al0.71Zn0.29相。

图4 Sn-9Zn-xBi-Ga钎焊接头X衍射图谱

图5为Sn87Zn9Bi3Ga钎料/镀锌界面EDS分析，对图5a所示区域进行线扫描分析，结果如图5b所示。线扫描方向由镀锌层垂直经过交界面到钎料区。从图5b中可以发现Sn元素含量越来越多，Zn元素呈下降状态。钎料与镀锌层发生反应，一部分Sn元素扩散到镀锌层，随着距离开始点愈来愈远，Sn元素的扩散程度减轻，Sn元素的含量增加。而Zn元素随着距离镀锌层越来越远而呈下降趋势。Ga元素呈下降趋势，可能是由于金属Ga易溶于镀锌层，导致镀锌层一侧的Ga含量高于钎料区，而Bi含量随着距离钎料区越来越近而缓慢增加。

2.5钎焊接头硬度分析

表4为不同钎料的钎焊接头硬度。由表4可以看出Sn87Zn9Bi3Ga钎料所形成的焊接接头的硬度最大，可能由于Bi元素的加入使焊接接头组织发生细晶强化导致硬度发生改变。同时，反应生成的Al0.71Zn0.29化合物也可能起到弥散强化的作用，从而使钎焊接头的显微硬度提高。Bi在Sn中的溶解度较低，当Bi元素含量超过3%时，在钎焊冷却过程中过量Bi将会从基体Sn中析出，从而影响接头的硬度，这与文献[14]研究一致。