焊料可用电场驱动的焊接方法和应用
阅读：116发布：2020-05-17
专利汇可以提供焊料可用电场驱动的焊接方法和应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 焊料 可用 电场 驱动的 焊接 方法和应用，焊接方法包括以下步骤：将 母材 在200～500℃预热3～5min；将钎料和母材按照“母材/钎料/母材”的结构固定好，并加热以使钎料 熔化 ；待钎料熔化后，持续加热，同时将液态的 电流 变液 加入钎料内，得到液态的混合钎料；设置电场装置，电场装置包括： 正极板 和 负极板 ，正极板和负极板围在所述母材的周围并对所述母材持续施加电场，同时，母材自转，正极板和负极板围绕2个母材进行旋转。本发明的焊接方法有助于液态钎料在母材表面破膜、润湿、扩展，促进钎料与母材间元素、成份的相互扩散及其 合金 化，提高 焊缝 均匀化程度，减少焊接 缺陷 ，得到高强度的焊接接头。，下面是焊料可用电场驱动的焊接方法和应用专利的具体信息内容。
1.一种焊料可用电场驱动的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备钎料和两个待焊的母材，将所述母材在200～500℃预热3～5min；
2)将步骤1)所述钎料和母材按照“母材/钎料/母材”的结构固定，并加热以使所述钎料熔化；
3)待所述钎料熔化后，持续步骤2)中所述加热，同时将液态的电流变液加入钎料内，得到液态的混合钎料，其中，按质量计，所述电流变液为所述钎料的1～8wt％；
4)设置电场装置，所述电场装置包括：正极板(1)和负极板(2)，所述正极板(1)和负极板(2)围在所述母材的周围并对所述母材持续施加电场(4)，同时，所述母材自转，所述正极板(1)和负极板(2)围绕2个母材进行旋转，且所述电场装置与母材的转速相同，待所述混合钎料由液态转变成固态后，停止旋转和施加电场(4)，所述母材冷却至室温，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在所述步骤1)中，在所述母材预热前，将母材表面进行清洗，去除油脂、污渍和氧化膜，然后烘干。
3.根据权利要求1或2所述的焊接方法，其特征在于，在所述步骤4)中，通过旋转装置实现电场装置和母材的旋转，所述旋转装置包括：底盘以及位于该底盘上的焊件工作台(3)和
2个极板工作台，所述底盘下安装有电机，2个极板工作台以焊件工作台(3)为圆心围在该焊件工作台(3)的周围，所述母材安装在所述焊件工作台(3)上，所述正极板(1)和负极板(2)分别安装在2个极板工作台上，其中，极板工作台为绝缘体；在所述步骤4)中，进行冷却时的降温速度为200～300℃/min；所述转速为250～350r/min。
4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述母材为金属材料、非金属材料或复合材料；两个所述母材的材质相同或不同。
5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述电流变液为镓铟锡电流变液、无机电流变液、有机电流变液、包覆型电流变液或有机一无机复合电流变液。
6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，所述电场(4)为均匀电场；所述电场装置的电源电压为30～100V；所述电场装置经变阻器调节后其电场(4)强度大于零且小于等于4，单位为Kv/cm。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述钎料为锡基合金、锌基合金、银基合金、铜基合金或铝基合金，优选为Zn-15Al、Ag-Cu或Sn-Zn。
8.如权利要求1所述焊接方法在提高焊接速度中的应用，其特征在于，焊接速度为150～200cm/min。
9.如权利要求1所述焊接方法在提高焊缝均匀化程度、剪切强度以及减少焊接缺陷中的应用，其特征在于，剪切强度为70～80MPa。
10.如权利要求1所述焊接方法在焊接复杂焊缝中的应用，其特征在于，焊接速度为150～200cm/min。
焊料可用电场驱动的焊接方法和应用
技术领域
[0001] 本发明属于焊接技术领域，具体来说涉及一种焊料可用电场驱动的焊接方法和应用。
背景技术
[0002] 目前我们所采用的焊接技术大多都只是针对较平整的焊缝进行焊接，对于复杂焊缝采用的方法有机器人焊接、真空钎焊和超声波辅助钎焊。其中，机器人焊接在焊接过程中持续跟踪焊缝，第一需要准确地采集和获取焊接动态过程的信息；第二是模拟焊工经验，解析并提取焊接动态过程的机理特征，进而建立对焊接过程与质量关系的模型；第三模拟焊工的决策与操作，设计焊接动态过程智能控制策略并运用机器代替人去实现焊接过程及其质量的自主与智能控制。缺点是焊接过程很繁琐，焊前需要根据不同母材形态来设计不同焊接路径，且需要连接的两个母材表面越复杂，焊接的路径也就越复杂，所需设计焊接路径的时间也就越长(参见：甄恒洲.基于视觉测量激光焊接复杂焊缝跟踪控制.大连大学学报.2013年6月第.34卷第3期.13～14)。
[0003] 真空钎焊是在真空环境下进行的，只对部件进行加热。将母材进行表面预处理，配比钎料，在钎料中添加Ti、Ce等金属，在真空钎焊炉其特制的装置下，对零件进行预热或钎焊，此焊接技术不需要使用钎剂。缺点是使得焊缝强度下降，且对焊接环境提出了很高的要求，在成本方面，Ti和Ce金属原本就是很昂贵的材料，焊接成本增加(高亮、王广海.铝合金真空钎焊技术的发展[J].科技创新与应用.2016(14))。
[0004] 超声波辅助钎焊适用于各种金属、非金属及复合材料的连接，广泛应用于电子封装和塑料加工领域。该方法利用超声波辅助焊接装置，将超声能通过焊接电弧或焊接件引入焊接熔池，可提高焊接效率，减少焊接气孔缺陷，无钎剂绿色环保，提高接头力学性能。缺点是钎料不易填满钎缝，钎缝中氧化物的含量较高(闫久春、杨春利、刘会杰、崔炜.超声复合焊接研究现状及科学问题[J].机械工程材料.2015(01))。
发明内容
[0005] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种焊料可用电场驱动的焊接方法，本发明的另一目的是提供该焊接方法的应用。
[0006] 本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
[0007] 一种焊料可用电场驱动的焊接方法，包括以下步骤：
[0008] 1)准备钎料和两个待焊的母材，在大气、氮气或惰性气体条件下，将所述母材在200～500℃预热3～5min；
[0009] 在所述步骤1)中，在所述母材预热前，将母材表面进行清洗，去除油脂、污渍和氧化膜，然后烘干。
[0010] 2)将步骤1)所述钎料和母材按照“母材/钎料/母材”的结构固定，并加热以使所述钎料熔化；
[0011] 3)待所述钎料熔化后，持续步骤2)中所述加热，同时将液态的电流变液加入钎料内，得到液态的混合钎料，其中，按质量计，所述电流变液为所述钎料的1～8wt％；
[0012] 4)设置电场装置，所述电场装置包括：正极板和负极板，所述正极板和负极板围在所述母材的周围并对所述母材持续施加电场，同时，所述母材自转，所述正极板和负极板以2个母材为中心进行旋转，且所述电场装置与母材的转速相同，待所述混合钎料由液态转变成固态后，停止旋转和施加电场，所述母材冷却至室温20～25℃，完成焊接。
[0013] 在所述步骤4)中，通过旋转装置实现电场装置和母材的旋转，所述旋转装置包括：底盘以及位于该底盘上的焊件工作台和2个极板工作台，所述底盘下安装有电机，2个极板工作台以焊件工作台为圆心围在该焊件工作台的周围，所述母材安装在所述焊件工作台上，所述正极板和负极板分别安装在2个极板工作台上，其中，极板工作台为绝缘体。
[0014] 在所述步骤4)中，进行冷却时的降温速度为200～300℃/min。
[0015] 在上述技术方案中，所述转速为250～350r/min。
[0016] 在上述技术方案中，所述母材为金属材料、非金属材料或复合材料。
[0017] 在上述技术方案中，两个所述母材的材质相同或不同。
[0018] 在上述技术方案中，所述电流变液为镓铟锡电流变液、无机电流变液、有机电流变液、包覆型电流变液或有机一无机复合电流变液。
[0019] 在上述技术方案中，所述电场为均匀电场。
[0021] 在上述技术方案中，所述电场装置经变阻器调节后其电场强度大于零且小于等于4，单位为Kv/cm。
[0023] 在上述技术方案中，所述钎料为Zn-15Al、Ag-Cu、或Sn-Zn。
[0024] 上述焊接方法在提高焊接速度中的应用，焊接速度为150～200cm/min。
[0025] 上述焊接方法在提高焊缝均匀化程度、剪切强度以及减少焊接缺陷中的应用，根据母材所用的材料剪切强度可达到70～80MPa。
[0026] 上述焊接方法在焊接复杂焊缝中的应用，焊接速度为150～200cm/min。
[0027] 本发明的焊接方法利用智能材料电流变液加入钎料，再通过电场，促进液态钎料方向性流动，实现复杂焊缝的连接，有助于液态钎料在母材表面破膜、润湿、扩展，促进钎料与母材间元素、成份的相互扩散及其合金化，提高焊缝均匀化程度，减少焊接缺陷，得到高强度的焊接接头。附图说明
[0028] 图1为本发明的焊接方法中电场装置的电路图；
[0029] 图2为本发明的焊接方法在焊接过程中旋转装置的俯视图；
[0030] 图3为本发明的焊接方法在焊接过程中母材的俯视图；
[0031] 图4为本发明的焊接方法中喷头与焊缝及母材的结构示意图(俯视)。
[0032] 其中，1：正极板 2：负极板 3：焊件工作台[0033] 4：电场 5：母材 6：焊缝
[0034] 7：喷头
具体实施方式
[0035] 在本发明的具体实施方式中，剪切强度通过电子张力测试评价强度机，其型号为WDW-D100EIII。下述喷头为合金喷头。氮气和惰性气体的浓度均为99-99.999999％。
[0036] 如图1～4所示，电场装置由正极板1、负极板2、变阻器和导线组成，可施加横向和纵向的电场4，电场装置的电源电压为30～100V，电场装置施加的电场为均匀电场，经变阻器调节后电场强度为0～4Kv/cm。下述实施例的转速均为300r/min。
[0037] 电场装置包括：正极板和负极板，正极板和负极板围在母材的周围并能够对母材施加电场。在所述步骤4)中，通过旋转装置实现电场装置和母材的旋转，旋转装置包括：底盘以及位于该底盘上的焊件工作台3和2个极板工作台，底盘下安装有电机(图中未示出)，2个极板工作台以焊件工作台为圆心围在该焊件工作台的周围，母材5安装在焊件工作台上，正极板和负极板分别安装在2个极板工作台上，其中，极板工作台为绝缘体。
[0038] 下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0039] 实施例1
[0040] 一种焊料可用电场驱动的焊接方法，包括以下步骤：
[0041] 1)准备钎料和两个待焊的母材，两个待焊的母材分别为纯铝(Al含量99.6wt％)(来自徐州誉达铝制品有限公司)，钎料具有导电性质，其为Ag-Cu(原子百分比：Ag:50.04Cu:34.28)。将母材表面进行清洗，去除油脂、污渍和氧化膜，然后烘干。在大气条件下，将母材在350℃预热5min。
[0042] 2)将步骤1)中的钎料和母材5按照“母材/钎料/母材”的结构固定好，母材和钎料之间的距离小于2cm，本实施例为1厘米，加热以使钎料熔化，其中，按照所述结构先将母材固定，母材固定好后保证钎焊零件间的位置和间隙不变，将钎料均匀放进钎缝。
[0043] 3)待钎料熔化后，持续步骤2)中的加热，同时将液态的电流变液(具有导电性)通过喷头7逐渐地加入钎料内，得到液态的混合钎料，其中，按质量计，电流变液为所述钎料的7wt％；
[0044] 电流变液为含镓元素的镓铟锡电流变液，其制备方法为：
[0045] 步骤一：合金原料选用纯度大于99.9％的合金粉末原料,合金原料质量百分比为镓64wt％、铟21wt％、锡12wt％、铋1.7wt％和镁1.3wt％；
[0046] 步骤二：将除了镓以外的合金原料在制备容器中混合均匀,加热至200～210℃时，再倒入金属镓,加热至240～260℃,直到原料充分融化混合；
[0047] 步骤三：将步骤二中的合金原料搅拌均匀后保温(保温温度200～210℃)一小时,然后自然冷却至室温,即得所需液态金属。
[0048] 4)在母材的周围设置电场装置，电场装置对母材持续施加电场4以驱动混合钎料扩散，同时，母材自转，电场装置(正极板和负极板)围绕2个母材进行旋转，且电场装置与母材的转速相同，待混合钎料由液态转变成固态后，停止旋转和施加电场，母材以280℃/min的速度冷却至室温20～25℃，完成焊接，得到图3和图4中的焊缝6，最终实现复杂焊缝的连接。
[0049] 其中，电场装置的电流为10KA，电源电压为50V,电场强度为3Kv/cm，电场电源的输出功率为4kW。焊接速度150cm/min。
[0050] 由实验证明，通过施加电场完成实施例1中的焊接，可较好的实现复杂焊缝的连接，而且经测试可知，焊缝的剪切强度可达71MPa，且通过SEM图能够明显确定焊缝不存在气孔、焊接裂纹等焊接缺陷。
[0051] 实施例2
[0052] 一种焊料可用电场驱动的焊接方法，包括以下步骤：
[0053] 1)准备钎料和两个待焊的母材，两个待焊的母材为ME20M Mg(1.8wt％Mn,0.3wt％Zn,0.25wt％Ce，余量为Mg)，钎料为Sn-9Zn(质量百分比：Sn91wt％，Zn9wt％)。将母材表面进行清洗，去除油脂、污渍和氧化膜，然后烘干。在大气条件下，将所述母材在350℃预热4min。
[0054] 2)将步骤1)中的钎料和母材按照“母材/钎料/母材”的结构固定好，并加热以使钎料熔化，其中，按照所述结构先将母材固定，母材固定好后保证钎焊零件间的位置和间隙不变，将钎料均匀放进钎缝。
[0055] 3)待钎料熔化后，持续步骤2)中的加热，同时将液态的电流变液通过喷头逐渐地加入钎料内，得到液态的混合钎料，其中，按质量计，电流变液为所述钎料的8wt％；
[0056] 电流变液为无机电流变液，具体为稀土改性二氧化钛电流变液(参考赵晓鹏.尹剑波.稀土改性二氧化钦电流变液的性能.材料研究学报.2000(14))，其制备方法为：
[0060] 步骤四：将制得掺杂稀土元素的二氧化钛粉体在150℃干燥4h，与在150℃处理2h的甲基硅油(化学纯，εf＝2.60～2.80，ρ＝0.9～1.0g/cm3，η≈500mPa·s(25℃))按颗粒/硅油体积比为35％混合均匀，得到掺杂稀上元素改性二氧化钛电流变液。
[0061] 4)在母材的周围设置电场装置，电场装置对母材持续施加电场驱动混合钎料扩散，同时，母材自转，电场装置(正极板和负极板)围绕2个母材进行旋转，且电场装置与母材的转速相同，待混合钎料由液态转变成固态后，停止旋转和施加电场，母材以300℃/min的速度冷却至室温20～25℃，完成焊接，最终实现复杂焊缝的连接。
[0062] 其中，电场装置的电流为10KA，电源电压为50V,电场强度为3Kv/cm，电场电源的输出功率为4kW。焊接速度170cm/min。
[0063] 由实验证明，通过施加电场完成实施例2中所述焊接，可较好的实现复杂焊缝的连接，而且经测试可知，焊缝的剪切强度可达70MPa，且焊缝不存在气孔、焊接裂纹等焊接缺陷。
[0064] 实施例3
[0065] 一种焊料可用电场驱动的焊接方法，包括以下步骤：
[0066] 1)准备钎料和两个待焊的母材，两个待焊的母材均为1060铝(质量百分比：Al 99.6wt％,Si、Cu、Mg、Zn、Mn、Ti、V、Fe含量共0.4wt％，)，钎料为Zn-15Al(质量百分比：Al
15wt％,Zn 85wt％)。将母材表面进行清洗，去除油脂、污渍和氧化膜，然后烘干。在大气条件下，将所述母材在340℃预热5min。
15wt％,Zn 85wt％)。将母材表面进行清洗，去除油脂、污渍和氧化膜，然后烘干。在大气条件下，将所述母材在340℃预热5min。
[0067] 2)将步骤1)钎料和母材按照“母材/钎料/母材”的结构固定好，并加热以使钎料熔化，其中，按照所述结构先将母材固定，母材固定好后保证钎焊零件间的位置和间隙不变，将钎料均匀放进钎缝。
[0068] 3)待钎料熔化后，持续步骤2)中的加热，同时将液态的电流变液通过喷头逐渐地加入钎料内，得到液态的混合钎料，其中，按质量计，电流变液为所述钎料的7.5wt％；
[0069] 电流变液为包覆型电流变液，具体为高岭土/二氧化钛纳米复合电流变液(参考王宝祥.赵晓鹏.纳米化电流变材料制备及其性能研究.西北工业大学.2005)，其制备方法为：
[0070] 步骤一：将一定量的高岭土(Al0.255Si0.255O0.516Fe0.0025Ti0.0015，上海五四化学试剂厂)加入到一定量的无水乙醇中，在室温下充分搅拌；接着将一定量的钛酸正丁酯(成都市联合化工试剂研究所)与一定量的无水乙醇混合均匀，并在搅拌的条件下将其滴入到高岭土-乙醇悬浮液中，进一步充分搅拌；最后滴入一定量含有少量二次去离子水的无水乙醇，室温搅拌5个小时，再将该体系静置一夜即可得到不透明凝胶；
[0071] 步骤二：将该凝胶在80℃下干燥4小时，再在90℃干燥两小时，经研磨即可得疏松的灰白色固体粉末，将固体粉末放入高温电阻炉中经加200℃半小时、300℃半小时、400℃一小时、550℃两小时锻烧即可得灰白色粉状样品；
[0072] 步骤三：将该样品与100℃下干燥了一小时的甲基硅油(陕西科达工贸有限公司，εf＝2.60～2.80，ρ＝0.9～1.0g/cm3，η≈500mPa·s，25℃)，按一定的体积比配置成电流变液。
[0073] 4)在母材的周围设置电场装置，电场装置对母材持续施加电场驱动混合钎料扩散，同时，母材自转，电场装置(正极板和负极板)围绕2个母材进行旋转，且电场装置与母材的转速相同，待混合钎料由液态转变成固态后，停止旋转和施加电场，母材以300℃/min的速度冷却至室温20～25℃，完成焊接，最终实现复杂焊缝的连接。
[0074] 其中，电场装置的电流为10KA，电源电压为50V,电场强度为3Kv/cm，电场电源的输出功率为4kW。焊接速度200cm/min。
[0075] 由实验证明，通过施加电场完成实施例3中所述焊接，可较好的实现复杂焊缝的连接，而且经测试可知，焊缝的剪切强度可达78MPa，且焊缝不存在气孔、焊接裂纹等焊接缺陷。
[0076] 实施例4
[0077] 一种焊料可用电场驱动的焊接方法，包括以下步骤：
[0078] 1)准备钎料和两个待焊的母材，两个待焊的母材均为Al-50Si(质量百分比：Al 50wt％,Si 50wt％)，钎料为Sn-In(质量百分比：Sn 49wt％,In51wt％)。将母材表面进行清洗，去除油脂、污渍和氧化膜，然后烘干。在大气体条件下，将所述母材在350℃预热3min。
[0079] 2)将步骤1)钎料和母材按照“母材/钎料/母材”的结构固定好，并加热以使钎料熔化，其中，按照所述结构先将母材固定，母材固定好后保证钎焊零件间的位置和间隙不变，将钎料均匀放进钎缝。
[0080] 3)待钎料熔化后，持续步骤2)中的加热，同时将液态的电流变液通过喷头逐渐地加入钎料内，得到液态的混合钎料，其中，按质量计，电流变液为所述钎料的8wt％；
[0081] 所述电流变液为有机-无机复合电流变液,具体为改性高岭土/羧甲基淀粉纳米复合电流变液(参考王宝祥.赵晓鹏.纳米化电流变材料制备及其性能研究.西北工业大学.2005)，其制备方法为：
[0082] 步骤一：羧甲基淀粉的制备在三颈烧瓶中加入淀粉和无水乙醇,充分搅拌。温度达到30℃时加入1.5gKOH，半小时后再加入1.5gKOH和5g氯乙酸混合物，并加热至50℃，保温3h，抽滤，干燥粉碎；
[0083] 步骤二：二甲基亚砜改性高岭土的制备取10g高岭土加入20ml二甲基
[0084] 亚砜溶液中，混合均匀，加热至80℃，搅拌反应24h；
[0085] 步骤三：高岭土/羧甲基淀粉插层复合物的制备将步骤二中的二甲基亚砜改性高岭土分散于蒸馏水并搅拌，倒入三颈烧瓶。之后将步骤一制得的羧甲基淀粉用蒸馏水充分溶解，移至分液漏斗中，在加热套上对高岭土/二甲基亚砜复合物进行搅拌，加热至60℃，开始滴加羧甲基淀粉溶液，滴加完毕后温度恒定在80℃，反应8h。抽滤，用无水乙醇洗涤3次以上。将样品放入真空干燥箱内60℃下干燥3h，80℃下干燥0.5h，得到淡灰色颗粒，用研钵研成细小颗粒；
[0086] 步骤四：电流变液配制将制得的复合物颗粒放入玛瑙研钵中,研磨,研成细小均匀的颗粒。硅油在100℃下干燥一个小时后,按颗粒硅油体积比25％混合均匀,即可得到以高岭土/羧甲基淀粉复合物为分散相颗粒的电流变液。
[0087] 4)在母材的周围设置电场装置，电场装置对母材持续施加电场驱动混合钎料扩散，同时，母材自转，电场装置(正极板和负极板)围绕2个母材进行旋转，且电场装置与母材的转速相同，待混合钎料由液态转变成固态后(此时母材与钎料扩散良好，固液形成连接)，停止旋转和施加电场，母材以270℃/min的速度冷却至室温20～25℃，完成焊接。
[0088] 其中，电场装置的电流为10KA，电源电压为50V,电场强度为3Kv/cm，电场电源的输出功率为4kW。焊接速度180cm/min，最终实现复杂焊缝的连接。
[0089] 由实验证明，通过施加电场完成实施例4中所述焊接，可以得到较好的实现复杂焊缝的连接，而且经测试可知，焊缝的剪切强度可达76MPa，且焊缝不存在气孔、焊接裂纹等焊接缺陷。
[0090] 在本发明技术方案中，通过调节各种参数、不同施加电场方式、不同电流变液以及母材和钎料的选取，均能实现与上述实施例相同的性质。
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