航空傳感元件振鏡激光釬焊界面組織及連接機理

李昊岳,劉永江,趙振興,李雪然,蔣俊俊,吳來軍,,檀財旺,,*,宋曉國,

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進焊接與連接國家重點實驗室,哈爾濱 150001

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)山東省特種焊接技術(shù)重點實驗室,威海 264209

3.天津航空機電有限公司,天津 300308

隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展,近年來各國紛紛加強對航空電子傳感系統(tǒng)的研究,致力于提高其性能和質(zhì)量。傳感元件作為航空航天電子系統(tǒng)的核心零部件,其與整體系統(tǒng)的信號交流通過導(dǎo)線傳輸來實現(xiàn),因此在進程中傳感器引腳與導(dǎo)線的連接質(zhì)量直接決定了信號的傳輸效果,進而對產(chǎn)品的穩(wěn)定性與可靠性產(chǎn)生較大影響。

鉑電阻傳感器作為最典型的溫度傳感器,在使用過程中常常需要與多股銅導(dǎo)線進行連接,異質(zhì)連接和尺寸差異等各種因素導(dǎo)致傳統(tǒng)焊接方法難以保證焊接質(zhì)量。針對鉑電阻器引線銀絲與多股銅導(dǎo)線的連接,目前主要通過激光焊接、火焰釬焊或電阻釬焊等方式進行。傳統(tǒng)激光焊接由于較高的能量密度,極易燒蝕待焊材料?；鹧驸F焊的方法成本低廉,但主要依賴人工操作,焊接工藝不確定因素較多,可重復(fù)性較差。相比之下電阻釬焊能夠?qū)崿F(xiàn)較為穩(wěn)定的成形,并降低了火焰釬焊的人為因素。然而楊永紅研究發(fā)現(xiàn),在連接過程中釬料由于受到毛細力的作用,優(yōu)先潤濕間隙較小的焊縫,產(chǎn)生填隙不良的現(xiàn)象。而為了保證充分潤濕進一步增加釬料的使用量,將增加熱輸入,造成材料的組織惡化溶蝕。

南昌航空大學(xué)研究團隊在鉑電阻器與多股銅線連接展開了深入研究。陳玉華等實現(xiàn)了精密電阻釬焊的系統(tǒng)設(shè)計,研究采用平行電極的思路,兩步法電阻釬焊鉑電阻引線和多股銅線,極大程度地提高了接頭質(zhì)量穩(wěn)定性和焊接效率。為了更好地理解接頭形成機理,鄧懷波等對電阻釬焊接頭的微觀組織進行進一步分析,發(fā)現(xiàn)釬料實現(xiàn)充分潤濕,然而接頭中的銅絲發(fā)生明顯溶解,并且由于兩次受熱,富Cu組織晶粒粗大。另有研究表明接頭導(dǎo)電性能隨金屬間化合物寬度的增加發(fā)生急劇下降,因此過度溶解的銅將在一定程度上對接頭的使用性能產(chǎn)生不利影響。鑒于此,研究一種既能保證釬料充分潤濕,又能實現(xiàn)對接頭化合物精確控制的新方法顯得尤為重要。

振鏡激光焊接技術(shù)是指將激光束通過振鏡偏轉(zhuǎn)使得焦點沿著特定掃描軌跡進行快速移動從而實現(xiàn)高效焊接的新型技術(shù)。其局部加熱和快速冷卻的特點使接頭熱分布控制精準(zhǔn),有利于調(diào)控潤濕成形和抑制金屬間化合物的生成,基于振鏡掃描的激光釬焊技術(shù)在精密零部件的連接領(lǐng)域具有廣闊的研究前景。然而,目前國內(nèi)外鮮有將振鏡激光釬焊技術(shù)應(yīng)用于航空微細零部件連接的研究報道。鑒于此,本文探索性的使用振鏡激光釬焊技術(shù)進行鉑電阻傳感器銀引腳和多股銅線的連接,既降低人工操作帶來的不確定性,又有效控制熱輸入,提高焊接質(zhì)量,并對其外觀成形及微觀組織進行分析鑒定,結(jié)合元素擴散相關(guān)的熱力學(xué)計算明晰其連接機理。

1 實驗材料及方法

實驗采用中航工業(yè)天津航空機電有限公司提供的直徑0.1 mm 的銀絲和直徑0.5 mm 的多股表面鍍鎳銅導(dǎo)線,采用的填充釬料為銀基釬料BAg45CuZn,有優(yōu)良的韌性和滲透性,常用于機電、食品機械及表面光潔度要求較高零部件的釬焊,熔化溫度為663～743 ℃,相比于含Cd元素的Ag-Cu系釬料,使用BAg45CuZn更為環(huán)保安全。選用的釬劑為商用釬劑QJ 102,熔點為500～600 ℃,為粉末狀固體釬劑,使用后能夠在焊接時防止接頭氧化,使得焊接更加牢固。

如圖1所示,激光釬焊的設(shè)備選用SPI納秒激光器,其最高平均功率可達70 W,波長為1064 nm,具有脈沖Pulse、連續(xù)CW 兩種工作模式,40種脈沖波形,峰值功率高達12 k W,10%脈寬最大為520 ns,重復(fù)頻率最高為1000 k Hz。搭載有振鏡工作平臺,用于實現(xiàn)自編程的各種掃描路徑的規(guī)劃。

圖1 設(shè)備及掃描路徑Fig.1 Equipment and scanning path

焊接過程如下：將銀絲和銅線置于裝夾模具底部,軸向接觸長度為2～4 mm,剪取與接觸長度等長的釬料蘸取少量釬劑后,置于二者之上,隨后將裝夾模具及待焊材料放置于振鏡工作平臺上,裝配示意如圖2所示。編寫納秒激光掃描路徑如圖1(c)所示,使掃描路徑完全覆蓋待焊材料后開啟激光實施焊接。激光釬焊過程中,穩(wěn)定且連續(xù)的熱輸入能夠有效促進釬料的潤濕鋪展,結(jié)合先期試驗研究,確定如下工藝參數(shù)不變：焊接模式選用CW 連續(xù)模式,離焦量為+10 mm,此時光斑直徑約為31μm,僅改變激光工藝及掃描次數(shù)研究其對焊接的影響,具體工藝參數(shù)如表1所示。

圖2 焊接裝配示意圖Fig.2 Schematic diagram of welding assembly

表1 主要工藝參數(shù)Table 1 Main process parameters

選取典型形貌接頭進行鑲嵌、打磨、拋光制樣,截面組織選用腐蝕液(5 g FeCl+5 m L HCl+50 m L CHCHOH)腐蝕8 s后采用OLYMPUS光學(xué)數(shù)碼顯微鏡、MERLIN Compact場發(fā)射掃描電鏡及Octane Plus EDAX 能譜儀對接頭組織形貌進行分析鑒定,后續(xù)結(jié)合熱力學(xué)分析計算闡釋其連接機理。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 接頭宏觀成形

查閱相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),接頭的預(yù)期目標(biāo)為：釬焊接頭連接充分飽滿,無焊料未融化、脫焊等現(xiàn)象,要求導(dǎo)線和鉑電阻引腳未發(fā)生熔蝕,釬料不能堆積過多,直徑不超過0.9 mm。

圖3為不同工藝參數(shù)下多股銅線/銀絲激光釬焊接頭的外觀形貌。各組接頭外觀成形均表現(xiàn)良好,沒有觀察到明顯的外觀缺陷。

圖3 接頭典型宏觀形貌Fig.3 Typical macro morphology of joints

對比不同參數(shù)外觀成形可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：當(dāng)激光功率不變時,隨著激光作用時間延長,在熱作用下釬料逐漸向兩側(cè)母材潤濕鋪展,接頭直徑逐漸變小。當(dāng)激光作用時間不變時,隨著激光功率增加,釬料的潤濕鋪展性能亦發(fā)生改善,接頭直徑略有降低。

多股銅線/銀絲激光釬焊接頭的典型宏觀截面形貌如圖4所示。當(dāng)激光功率較低或掃描時間較短時(如功率和時間變量設(shè)定為=42 W、=2 s或=49 W、=2 s 等),宏觀截面形貌如圖4(a)所示,接頭中出現(xiàn)部分填隙不良現(xiàn)象,這是由于在激光作用下,釬料發(fā)生熔化后在毛細力引導(dǎo)下優(yōu)先潤濕間隙較小的區(qū)域,而對于間隙較大的銅線間隙,由于熱輸入不足難以充分潤濕填充。當(dāng)激光功率過大或掃描時間過長時(如功率和時間變量設(shè)定為=56 W、=4 s),由于產(chǎn)生較大的熱積累,接頭內(nèi)部的銅線發(fā)生嚴(yán)重溶蝕,根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)該種接頭亦無法滿足使用需求。僅當(dāng)激光功率及掃描時間處于較佳適配范圍(如功率和時間變量設(shè)定為=56 W、=3 s)時,接頭截面既無填隙不良又無溶蝕,如圖4(b)典型截面形貌所示,接頭直徑僅為0.7 mm,能夠獲得滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的無缺陷接頭。

圖4 接頭典型宏觀截面形貌Fig.4 Typical macro cross-sectional morphology of joint

綜上所述,通過調(diào)整工藝,當(dāng)激光功率及掃描時間處于較佳的適配范圍,可以有效抑制接頭填隙不良或過渡溶蝕等各種缺陷,使用納秒激光釬焊技術(shù)能夠獲得滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的無缺陷接頭。

2.2 接頭微觀組織

隨著工藝的調(diào)整,接頭截面組織分別出現(xiàn)填隙不良、充分潤濕和過度溶蝕3種典型截面形貌。為了研究接頭中微觀組織的形成機制,選取無組織缺陷的充分潤濕接頭作為典型接頭進行后續(xù)組織分析,截面組織形貌如圖5(a)所示。

接頭主要包括銅線/銅線組織與銅線/銀絲組織兩部分典型形貌。銅線/銅線一側(cè)典型形貌如圖5(b)所示,銅線和銅線間交替分布有深灰色和淺灰色的2 種相,EDS 能譜分析結(jié)果如表2 所示,推測深灰色相為Cu-Zn 相,相中固溶有少量Ag 原子和Ni原子。淺灰色相為銀基固溶體Ag(s,s)。此外可以觀察到在激光作用下,銅線與其表面的Ni鍍層均保持完好,未發(fā)生明顯的溶解燒蝕。另外,可以觀察到釬料組織中存在極少量的微小氣孔,推測該現(xiàn)象可能釬劑吸潮引入的少量H、O 元素在激光焊接過程中來不及逸出有關(guān)。

銅線/銀絲一側(cè)接頭組織典型形貌如圖5(c)所示,EDS能譜測試結(jié)果如表2 所示,組織與銅線/銅線一側(cè)結(jié)果類似,銅線保留一定Ni鍍層,并在Ni鍍層邊緣位置形成了Ni-Cu的固溶相,而釬料本身的組織主要表現(xiàn)出3種,靠近Cu線一側(cè)有塊狀分布的深色Cu-Zn相和淺色Ag(s,s)基底相,而靠近Ag母材一側(cè)生成組織表現(xiàn)為銀基體上分布有點狀分布的深色組織,結(jié)合文獻分析認為該組織為典型的Ag-Cu共晶組織。

表2 圖5中各點EDS結(jié)果Table 2 EDS results of each point in Fig.5

圖5 接頭典型組織形貌Fig.5 Typical microstructure morphology of joint

當(dāng)銅線與銅線距離較大時,如圖6(a)所示,二者間可以觀察到明顯釬料組織,對該區(qū)域進行線掃描分析,結(jié)果如圖6(b)所示?？梢杂^察到在銅線外出現(xiàn)明顯的Ni元素富集,隨焊縫方向延伸,Ni元素表現(xiàn)出明顯的擴散梯度。釬料中呈現(xiàn)以Cu為主和以Ag為主富集的2種特征,這與焊縫界面中淺色分布的Ag固溶體及深色塊狀分布的Cu-Zn相相互對應(yīng),Zn元素在釬料中近似成均勻分布,靠近兩側(cè)母材處發(fā)生了少量的擴散。當(dāng)銅線與銅線距離較小時,如圖6(c)所示,鍍Ni層相互靠近,對該區(qū)域進行線掃描分析,結(jié)果如圖6(d)所示?？梢杂^察到界面元素僅包括Ni和Cu兩種元素,二者交替分布。Ni鍍層表現(xiàn)出明顯的Ni元素富集,而在鍍層之間的連接界面表現(xiàn)出更高的Cu元素富集,說明在液態(tài)釬料環(huán)境下,釬料中少量Cu原子運動到兩者之間,并向兩側(cè)Ni層發(fā)生擴散,從而實現(xiàn)了Ni鍍層與Ni鍍層之間的可靠連接。

圖6 銅線/銅線界面組織及EDS分析Fig.6 Microstructure and EDS analysis of copper wire/copper wire interface

對銅線/銀絲局部區(qū)域進行線掃描分析,其結(jié)果如圖7所示。發(fā)現(xiàn)該區(qū)域界面形貌可以分為以下4個區(qū)域。1區(qū)域主要為鍍有Ni層的銅線母材及表面Ni-Cu 相,2 區(qū)域主要為深色塊狀Cu-Zn相及淺色Ag基固溶體,3區(qū)域主要為典型的Ag-Cu共晶組織形貌,4區(qū)域為Ag母材?？梢杂^察到Cu元素濃度有1-2-3-4 區(qū)域逐漸發(fā)生下降的整體趨勢,可以反映出Cu擴散程度的不同與相的生成差異是有關(guān)的。Zn元素在2-3 區(qū)域濃度水平相近,結(jié)合Cu元素富集區(qū)域,對應(yīng)著釬料中Cu-Zn 相的生成。Ag 元素由4-3-2-1 趨勢,濃度明顯下降,這也一定程度上反應(yīng)Ag元素擴散行為。

圖7 銅線/銀絲界面組織及分析Fig.7 Microstructure and EDS analysis of copper wire/silver wire interface

2.3 接頭組織形成機制

為了進一步解釋激光釬焊中界面組織的形成機制,嘗試從熱力學(xué)分析角度,對焊接過程中的元素擴散及反應(yīng)趨勢進行探索。

進行熱力學(xué)計算需要提供接頭界面的溫度場相關(guān)數(shù)據(jù),為獲得接頭界面溫度場分布特征,采用MARC有限元軟件建立銀絲與多股銅線激光釬焊模型,對焊接溫度場分布進行有限元模擬,獲得接頭不同區(qū)域溫度。

對多股銅線/銀絲激光釬焊接頭接頭模型進行了熱場計算,選取對應(yīng)工藝參數(shù)為功率和時間變量設(shè)定為=42 W、=4 s,模擬中各項材料的熱物理參數(shù)如表3所示,模型中將激光熱源設(shè)定為均布熱流面熱源,作用于整個模型的上表面,其功率為42 W,作用時間為4 s。其熱源模型為

表3 各項材料熱物理參數(shù)Table 3 Thermophysical parameters of materials

式中：為材料對激光的吸收率；為激光平均功率；為熱源的加熱半徑。

焊接初始溫度設(shè)置為22℃,網(wǎng)格選用8節(jié)點六面體積分單元,其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8(a)所示,焊接過程中僅考慮材料間的熱傳導(dǎo)和周圍環(huán)境的熱對流,忽略化學(xué)反應(yīng)及釬料的體積變化的影響。

溫度場模擬結(jié)果如圖8(b)所示,結(jié)合模擬結(jié)果和實驗組織狀態(tài),最終確定整個接頭溫度范圍處于730～800℃,由于整個接頭中溫度場分布差異不大,最終選定1 000 K 作為接頭熱力學(xué)計算參考溫度。

圖8 激光釬焊溫度場模擬Fig.8 Simulation of laser brazing temperature field

Miedema理論能夠結(jié)合各組元的基本物性參數(shù)和特殊經(jīng)驗常數(shù)對二元系熔體摩爾生成焓進行準(zhǔn)確性較佳的估算,在相圖計算、固溶體形成等熱研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。而對于三元系熔體熱力學(xué)分析,選用計算量相對較小,結(jié)果準(zhǔn)確性較佳的Toop 模型。

Miedema 理論計算二元系熔體混合焓ΔH 公式為

式中：

其中：為 組 元 摩 爾 分 數(shù)；為 摩 爾 體 積；為 電負性；為電子密度；、、、、為經(jīng)驗常數(shù),對于與取值,常取/=9.4,而對固態(tài)合金常取=1。各組元物性參數(shù)及對應(yīng)經(jīng)驗常數(shù)可查得,其結(jié)果如表4所示。

表4 Ag、Zn、Cu的熱力學(xué)參數(shù)[19]Table 4 Thermodynamic parameters of Ag,Zn and Cu[19]

依照Toop模型計算三元合金系過剩吉布斯自由能公式為

不同組元成分吉布斯自由能可由理想自由能與過剩自由能加和獲得,其公式為

接頭組織形成往往與元素的擴散關(guān)系密切,而元素發(fā)生擴散的本質(zhì)是化學(xué)勢梯度的驅(qū)動,為進一步理解組元擴散行為,分別計算各組元化學(xué)勢。各組元化學(xué)勢與吉布斯自由能之間關(guān)系為

根據(jù)Miedema模型計算,二元系熱力學(xué)分析結(jié)果如圖9所示,橫坐標(biāo)為組元的濃度,縱坐標(biāo)為體系的過剩自由能?？梢杂^察到Zn-Cu和Cu-Ag的二元體系過剩自由能均為負數(shù),表示二者的混合易于發(fā)生,而Zn-Ag二元體系過剩自由能的結(jié)果為正,說明在該二元合金體系中,2種元素平均相互作用較小,為正偏差體系。

圖9 二元體系熱力學(xué)計算結(jié)果Fig.9 Thermodynamic calculation results of binary system

吉布斯自由能表示元素間反應(yīng)的發(fā)生趨勢,吉布斯自由能為負值,表示該體系成分能夠自發(fā)反應(yīng),且數(shù)值越大反應(yīng)趨勢越大,反之若為正,則反應(yīng)難于自發(fā)發(fā)生。圖10(a)為三元體系的吉布斯自由能計算結(jié)果。在該高溫驅(qū)動下,合金的混合和反應(yīng)均能自發(fā)發(fā)生。并且Cu-Zn 之間表現(xiàn)出最低的自由能,二者之間的反應(yīng)最易于發(fā)生。

元素的擴散行為總是沿著化學(xué)勢降低的方向進行。圖10(b)～圖10(d)為各組元化學(xué)勢,、、Cu分別為Ag、Zn、Cu對應(yīng)成分點的化學(xué)勢。根據(jù)計算結(jié)果,Ag元素在Ag成分點附近(-32.54 kJ/mol)與Cu成分點(-343.352 kJ/mol)的化學(xué)勢差值遠大于與Zn成分點(-64.92 kJ/mol)的差異,因此在體系中Ag元素優(yōu)先向Cu元素富集處擴散。Zn元素在Zn成分點(-26.20 kJ/mol)與Cu成分點(-158.10 kJ/mol)的差異遠高于Zn與Ag(-114.61 kJ/mol)間化學(xué)勢差值,因此在化學(xué)反應(yīng)中Zn向富Cu區(qū)擴散的趨勢遠大于向富Ag區(qū)擴散的趨勢。對于Cu元素,表現(xiàn)出同時向著Zn和Ag兩種元素的擴散趨勢,由于Cu成分點(-40.01 kJ/mol)與Zn成分點(-252.47 kJ/mol)之間的差值大于Cu與Ag(-200.01 kJ/mol)之間的差異,因此Cu向富Zn區(qū)的擴散能力將大于向富Ag區(qū)的擴散能力。

圖10 三元體系熱力學(xué)計算結(jié)果Fig.10 Thermodynamic calculation results of ternary system

根據(jù)熱力學(xué)計算相關(guān)結(jié)果,可以對整個焊接過程機理作如下解釋,如圖11所示。在激光作用下釬料及兩側(cè)母材發(fā)微熔,使得液態(tài)釬料中產(chǎn)生大量游離的Ag、Cu、Zn原子。對于銅線/銅線一側(cè),釬料在毛細力作用下,充分填充銅線內(nèi)部間隙。對于大間距的間隙內(nèi),Cu、Zn兩種原子相互擴散并發(fā)生富集,而對于小間距的間隙,由于Cu與Ni在該溫度下保持了極好的互溶性,部分Cu原子擴散到Ni層與Ni層間隙中。隨著冷卻凝固過程,分別在大小間距的銅線間形成了Cu-Ni固溶過渡層,依附于Ni層生長得Cu-Zn層及分布在Ag基固溶體中的Cu-Zn 相。而對于銅線/銀絲的界面,Ag絲微熔使其周圍出現(xiàn)富Ag區(qū),富Ag區(qū)以外區(qū)域釬料反應(yīng)與銅線/銅線的反應(yīng)相似,生成了Cu-Zn層及塊狀分布的Cu-Zn,而在富Ag區(qū)內(nèi)由于大量Ag原子的存在使得Cu與Zn的相互擴散受到抑制,因而生成了由Cu(s,s)和Ag(s,s)構(gòu)成的典型的Ag-Cu共晶組織。最終形成了主要要由Cu-Ni固溶體、Cu-Zn相、Ag基固溶體以及典型的Ag-Cu共晶組織構(gòu)成的接頭組織形貌。

圖11 激光釬焊連接機理示意圖Fig.11 Schematic diagram of formation mechanism of laser brazing joints

3 結(jié) 論

1)通過調(diào)整振鏡激光釬焊工藝,當(dāng)激光功率與激光持續(xù)作用時間在一定適配范圍內(nèi)(選取對應(yīng)工藝參數(shù)為功率和時間變量設(shè)定為=42 W、=4 s或=56 W、=3 s等),能夠極大程度的抑制接頭中填隙不良和過度溶蝕現(xiàn)象,獲得滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的可靠的無缺陷接頭。

2)接頭組織中銅線與銀絲均保持完整,未觀察到明顯的溶蝕,接頭界面組織主要由Cu-Ni固溶體、Cu-Zn相、Ag基固溶體以及典型的Ag-Cu共晶組織構(gòu)成。

3)熱力學(xué)計算結(jié)果表明,在界面處中Cu、Zn原子在化學(xué)勢的驅(qū)動下相互擴散,Cu-Zn具有更大的析出驅(qū)動力。Ag原子從銀絲向銅線一側(cè)擴散,在釬料中的富Ag 區(qū)形成典型Ag-Cu 共晶組織。