表面织构化对铜基钎料润湿流铺的影响研究

2023-05-06周俞廷赵亦嘉

电焊机 2023年4期

杨洋，周俞廷，赵亦嘉

1. 中国机械科学研究总院集团有限公司，北京 100044

2. 中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司，浙江宁波 315700

0 前言

钎焊是工业生产过程中一种重要连接技术[1-2]，具有焊接变形小、成形美观等特点，在航空航天、汽车、电子通信等领域得到了广泛应用。其中银基钎料[3-4]是钎焊领域应用最为广泛的一类钎料，具有良好的导电性、可塑性和耐腐蚀性，但使用成本高。为降低钎焊成本、提高经济效益，有必要开发低银或无银钎料。因此，具有工艺性能优良、钎料流动性较好、价格便宜等优点的Cu基钎料[5]得到了广泛应用。在Cu 基钎料中，Cu-P 钎料[6]作为自钎剂钎料，具有熔点低、导电性良好的优点，AgCuZn钎料[7]具有加工性能优良、熔点适中、良好的流动性等优点。钎料的铺展性对钎焊接头的质量和性能具有重要影响，目前研究人员采用对金属表面进行改性和加工的手段来改善金属表面的铺展润湿性，常见的加工方法有表面镀覆技术[8]、化学刻蚀[9]、微铣削[10]和激光表面织构技术[11]等。激光表面织构技术是基于光热效应对基材进行加工处理，在材料表面加工出一定形状、尺寸和排列规律的凹坑或沟槽阵，相较于其他技术而言，具有高效、性能稳定、加工精度高等特点，目前广泛应用于表面织构的加工。Du[12]等人研究了激光微织构不同几何形貌对表面接触角的影响，发现微沟槽及微坑形织构均会降低表面接触角。Raimbault[13]等人探究了微织构的几何参数对表面润湿性的影响，发现可以通过改变微织构的深度及周期等参数改变其表面接触角。周轶杰[14]在T2紫铜表面加工类鱼鳞表面织构，发现可通过调节激光间距改变基体表面的静态接触角。

目前表面织构技术应用于Cu 基钎料的润湿性的研究多集中于定性分析，对表面织构类型及几何参数影响铜基钎料润湿性的研究较少。本文以T2紫铜作为基板，将表面织构技术应用于改善Cu基钎料的润湿性，通过激光加工技术制备直线型、网格型织构阵列，并选用BAg25CuZnSn 焊丝、BCu93PA 粉末两种钎料进行浸润性试验，分析表面织构的类型及阵列间距对钎料浸润性的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验选用T2紫铜作为基板，采用线切割机将基板切割成规格为40 mm×40 mm×1 mm的试样，试验前用SiC 砂纸将所有试样按400#、800#、1000#顺序逐级研磨，并放入无水乙醇中超声波清洗15 min，以清除表面油污。选取BAg25CuZnSn 焊丝、BCu93P粉末为试验钎料，其主要化学成分如表1、表2所示，所有钎料在使用前用1000#的SiC 砂纸打磨除去氧化层。钎剂为QJ102银钎焊熔剂。

表1 BAg25CuZnSn焊丝化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical compositions of BAg25CuZnSn （wt.%）

表2 BCu93P粉末化学成分（质量分数，%）Table 2 Chemical compositions of BCu93P-A （wt.%）

试验采用HG100-20W 激光打标机对T2 紫铜基板表面进行直线型织构化处理和网格型织构化处理。根据前期研究，试验参数为：输出功率15 W，脉冲频率20 kHz，扫描速度100 mm/s。两种织构类型的阵列间距a为100 μm、200 μm、300 μm、400 μm和500 μm，加工方案如图1所示，激光束沿着箭头方向移动完成对基板的织构化处理。将激光织构化的试样用无水乙醇超声清洗10 min，清理表面杂质，利用超景深显微镜观察其表面的织构形貌。

图1 表面织构加工方案Fig.1 Processing strategy of surface texture

1.2 润湿性试验方法

依据国标GB/T11364—2008《钎料铺展性及填缝性实验方法》的规定对钎料进行润湿铺展试验，通过比较铺展面积来研究表面织构对钎料润湿性的影响。加热装置为箱式电炉，如图2 所示。试验支撑平台先以90 ℃/min 的速率预热到钎焊温度。用光电天平称量0.4 g 钎料和0.2 g 钎剂，将放置好钎料、钎剂的基板置于箱式电炉中，保温2 min后取出基板。通过数码相机对试验后的试件进行拍照，将图片输入电脑，采用Image-J 软件测量钎料的铺展面积，试验重复5次，结果取其平均值。

图2 箱式电炉Fig.2 Electric box furnace

2 结果讨论

2.1 表面织构形貌

采用超景深显微镜观察织构化的基板形貌，发现对基板进行不同阵列间隔的表面织构化后，沟槽的宽度为（40.0±1.0） μm，深度为（5.0±0.5） μm。图3为阵列间隔为200 μm 的直线型织构和网格状织构化的基板。

图3 阵列间隔为200 μm的两种织构Fig.3 Two textures with array spacing of 200 μm

2.2 钎料在T2紫铜上的润湿性能

熔化温度范围是钎料合金最基本的性质，是决定实际钎焊温度的基本参数。BAg25CuZnSn焊条、BCu93P 粉末的DSC 曲线如图4 所示。图4a 中，BCu93P 粉末只有一个吸收峰（钎料合金熔化），则BCu93P 钎料的熔点为710.2 ℃。图4b 的第2 个吸热峰对应BAg25CuZnSn焊条的熔点为786.5 ℃。

图4 两种钎料的DSC曲线Fig.4 DSC curves of brazing filler alloys

2.2.1 BAg25CuZnSn钎料在T2紫铜上的润湿性能

根据BAg25CuZnSn 钎料的熔点，润湿试验设置箱式电炉的峰值温度为850 ℃，保温时间2 min。织构化基板上BAg25CuZnSn 钎料的铺展面积如图5 所示，未织构基板的钎料铺展面积为232.4 mm2。可以看出，织构化处理后的基板上钎料的铺展面积均大于未织构基板钎料的铺展面积。随着织构阵列间距的增大，钎料的铺展面积逐渐减小，且网格型织构化的基板上钎料的铺展面积均大于直线型织构。网格型织构阵列间距为100 mm 时，钎料的铺展面积最大，为300.5 mm2。阵列间距为100 mm时，BAg25CuZnSn钎料在紫铜基板上的铺展形貌如图6 所示，可以看出，钎料在基板上得到充分铺展，润湿性能良好。

图5 不同阵列间距下BAg25CuZnSn钎料在T2紫铜基板上的铺展面积Fig.5 Spreading area of BAg25CuZnSn filler on T2 copper substrate with different away spacing

图6 阵列间隔为100 mm时BAg25CuZnSn钎料在T2紫铜基板上的铺展形貌Fig.6 Spreading morphhologies of filler on T2 copper substrate when array interval is 100 mm

2.2.2 BCu93P钎料在T2紫铜上的润湿性能

根据BCu93P 钎料的熔点，润湿试验设置箱式电炉的峰值温度为820 ℃，保温时间2 min。图7为织构化基板上BCu93P 钎料的铺展面积，未织构基板的钎料铺展面积为248.6 mm2。可以看出，织构化处理后的基板上钎料的铺展面积均大于未织构基板钎料的铺展面积。随着织构阵列间距的增大，钎料的铺展面积逐渐减小，且网格型织构化的基板上钎料的铺展面积均大于直线型织构。网格型织构阵列间距为100 mm 时，钎料的铺展面积最大，为322.4 mm2。图8 为阵列间距为100 mm 时，BCu93P钎料在紫铜基板上的铺展形貌。可以看出，钎料在基板上充分铺展，具有良好的润湿性能。

图7 不同阵列间距下BCu93P钎料在T2紫铜基板上的铺展面积Fig.7 Spreading area of BCu93P filler on T2 copper substrate with different away spacing

图8 阵列间隔为100 mm时BCu93P钎料在T2紫铜基板上的铺展形貌Fig.8 Spreading morphhologies of BCu93P filler on T2 copper sub‐strate when array interval is 100 mm

2.3 分析与讨论

表面织构化的基板表面会对钎料的铺展过程中起到毛细管作用，促进钎料在母材表面的润湿与铺展。Wenzel[15]基于杨氏方程提出了粗糙度因子γ来表征粗糙表面的接触角大小

式中θ为实际条件下固体表面的接触角；θe为材料在理想状态下所对应的静态接触角；γ为液体与固体表面的实际接触面积与表观接触面积之比。直线型织构化基板的粗糙度因子可表示为：

式中a为织构阵列的间隔；h为沟槽的深度。

对于网格型织构化的基板而言，其粗糙度因子可表示为：

所以，当对基板进行表面织构化后，液体与固体表面的实际接触面积增大，粗糙度因子γ也随之增大，θ随之减小，润湿性增大，钎料的铺展面积增大。网格状织构化基板的粗糙度因子γ大于直线型织构化基板的粗糙度因子，则在相同条件下，网格状织构化基板上钎料的铺展面积更大。当织构阵列间隔减小时，粗糙度因子均增大，结合式（1），固体表面的接触角减小，钎料的铺展面积增大。