表面織構(gòu)化對(duì)銅基釬料潤(rùn)濕流鋪的影響研究

楊 洋，周俞廷，趙亦嘉

1. 中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044

2. 中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán) 寧波智能機(jī)床研究院有限公司，浙江 寧波 315700

0 前言

釬焊是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中一種重要連接技術(shù)[1-2]，具有焊接變形小、成形美觀等特點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)、電子通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中銀基釬料[3-4]是釬焊領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)釬料，具有良好的導(dǎo)電性、可塑性和耐腐蝕性，但使用成本高。為降低釬焊成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，有必要開(kāi)發(fā)低銀或無(wú)銀釬料。因此，具有工藝性能優(yōu)良、釬料流動(dòng)性較好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)的Cu基釬料[5]得到了廣泛應(yīng)用。在Cu 基釬料中，Cu-P 釬料[6]作為自釬劑釬料，具有熔點(diǎn)低、導(dǎo)電性良好的優(yōu)點(diǎn)，AgCuZn釬料[7]具有加工性能優(yōu)良、熔點(diǎn)適中、良好的流動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)。釬料的鋪展性對(duì)釬焊接頭的質(zhì)量和性能具有重要影響，目前研究人員采用對(duì)金屬表面進(jìn)行改性和加工的手段來(lái)改善金屬表面的鋪展?jié)櫇裥?，常?jiàn)的加工方法有表面鍍覆技術(shù)[8]、化學(xué)刻蝕[9]、微銑削[10]和激光表面織構(gòu)技術(shù)[11]等。激光表面織構(gòu)技術(shù)是基于光熱效應(yīng)對(duì)基材進(jìn)行加工處理，在材料表面加工出一定形狀、尺寸和排列規(guī)律的凹坑或溝槽陣，相較于其他技術(shù)而言，具有高效、性能穩(wěn)定、加工精度高等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于表面織構(gòu)的加工。Du[12]等人研究了激光微織構(gòu)不同幾何形貌對(duì)表面接觸角的影響，發(fā)現(xiàn)微溝槽及微坑形織構(gòu)均會(huì)降低表面接觸角。Raimbault[13]等人探究了微織構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)表面潤(rùn)濕性的影響，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)改變微織構(gòu)的深度及周期等參數(shù)改變其表面接觸角。周軼杰[14]在T2紫銅表面加工類(lèi)魚(yú)鱗表面織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)可通過(guò)調(diào)節(jié)激光間距改變基體表面的靜態(tài)接觸角。

目前表面織構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于Cu 基釬料的潤(rùn)濕性的研究多集中于定性分析，對(duì)表面織構(gòu)類(lèi)型及幾何參數(shù)影響銅基釬料潤(rùn)濕性的研究較少。本文以T2紫銅作為基板，將表面織構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于改善Cu基釬料的潤(rùn)濕性，通過(guò)激光加工技術(shù)制備直線型、網(wǎng)格型織構(gòu)陣列，并選用BAg25CuZnSn 焊絲、BCu93PA 粉末兩種釬料進(jìn)行浸潤(rùn)性試驗(yàn)，分析表面織構(gòu)的類(lèi)型及陣列間距對(duì)釬料浸潤(rùn)性的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用T2紫銅作為基板，采用線切割機(jī)將基板切割成規(guī)格為40 mm×40 mm×1 mm的試樣，試驗(yàn)前用SiC 砂紙將所有試樣按400#、800#、1000#順序逐級(jí)研磨，并放入無(wú)水乙醇中超聲波清洗15 min，以清除表面油污。選取BAg25CuZnSn 焊絲、BCu93P粉末為試驗(yàn)釬料，其主要化學(xué)成分如表1、表2所示，所有釬料在使用前用1000#的SiC 砂紙打磨除去氧化層。釬劑為QJ102銀釬焊熔劑。

表1 BAg25CuZnSn焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions of BAg25CuZnSn （wt.%）

表2 BCu93P粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Chemical compositions of BCu93P-A （wt.%）

試驗(yàn)采用HG100-20W 激光打標(biāo)機(jī)對(duì)T2 紫銅基板表面進(jìn)行直線型織構(gòu)化處理和網(wǎng)格型織構(gòu)化處理。根據(jù)前期研究，試驗(yàn)參數(shù)為：輸出功率15 W，脈沖頻率20 kHz，掃描速度100 mm/s。兩種織構(gòu)類(lèi)型的陣列間距a為100 μm、200 μm、300 μm、400 μm和500 μm，加工方案如圖1所示，激光束沿著箭頭方向移動(dòng)完成對(duì)基板的織構(gòu)化處理。將激光織構(gòu)化的試樣用無(wú)水乙醇超聲清洗10 min，清理表面雜質(zhì)，利用超景深顯微鏡觀察其表面的織構(gòu)形貌。

圖1 表面織構(gòu)加工方案Fig.1 Processing strategy of surface texture

1.2 潤(rùn)濕性試驗(yàn)方法

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T11364—2008《釬料鋪展性及填縫性實(shí)驗(yàn)方法》的規(guī)定對(duì)釬料進(jìn)行潤(rùn)濕鋪展試驗(yàn)，通過(guò)比較鋪展面積來(lái)研究表面織構(gòu)對(duì)釬料潤(rùn)濕性的影響。加熱裝置為箱式電爐，如圖2 所示。試驗(yàn)支撐平臺(tái)先以90 ℃/min 的速率預(yù)熱到釬焊溫度。用光電天平稱(chēng)量0.4 g 釬料和0.2 g 釬劑，將放置好釬料、釬劑的基板置于箱式電爐中，保溫2 min后取出基板。通過(guò)數(shù)碼相機(jī)對(duì)試驗(yàn)后的試件進(jìn)行拍照，將圖片輸入電腦，采用Image-J 軟件測(cè)量釬料的鋪展面積，試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取其平均值。

圖2 箱式電爐Fig.2 Electric box furnace

2 結(jié)果討論

2.1 表面織構(gòu)形貌

采用超景深顯微鏡觀察織構(gòu)化的基板形貌，發(fā)現(xiàn)對(duì)基板進(jìn)行不同陣列間隔的表面織構(gòu)化后，溝槽的寬度為（40.0±1.0） μm，深度為（5.0±0.5） μm。圖3為陣列間隔為200 μm 的直線型織構(gòu)和網(wǎng)格狀織構(gòu)化的基板。

圖3 陣列間隔為200 μm的兩種織構(gòu)Fig.3 Two textures with array spacing of 200 μm

2.2 釬料在T2紫銅上的潤(rùn)濕性能

熔化溫度范圍是釬料合金最基本的性質(zhì)，是決定實(shí)際釬焊溫度的基本參數(shù)。BAg25CuZnSn焊條、BCu93P 粉末的DSC 曲線如圖4 所示。圖4a 中，BCu93P 粉末只有一個(gè)吸收峰（釬料合金熔化），則BCu93P 釬料的熔點(diǎn)為710.2 ℃。圖4b 的第2 個(gè)吸熱峰對(duì)應(yīng)BAg25CuZnSn焊條的熔點(diǎn)為786.5 ℃。

圖4 兩種釬料的DSC曲線Fig.4 DSC curves of brazing filler alloys

2.2.1 BAg25CuZnSn釬料在T2紫銅上的潤(rùn)濕性能

根據(jù)BAg25CuZnSn 釬料的熔點(diǎn)，潤(rùn)濕試驗(yàn)設(shè)置箱式電爐的峰值溫度為850 ℃，保溫時(shí)間2 min。織構(gòu)化基板上BAg25CuZnSn 釬料的鋪展面積如圖5 所示，未織構(gòu)基板的釬料鋪展面積為232.4 mm2?？梢钥闯觯棙?gòu)化處理后的基板上釬料的鋪展面積均大于未織構(gòu)基板釬料的鋪展面積。隨著織構(gòu)陣列間距的增大，釬料的鋪展面積逐漸減小，且網(wǎng)格型織構(gòu)化的基板上釬料的鋪展面積均大于直線型織構(gòu)。網(wǎng)格型織構(gòu)陣列間距為100 mm 時(shí)，釬料的鋪展面積最大，為300.5 mm2。陣列間距為100 mm時(shí)，BAg25CuZnSn釬料在紫銅基板上的鋪展形貌如圖6 所示，可以看出，釬料在基板上得到充分鋪展，潤(rùn)濕性能良好。

圖5 不同陣列間距下BAg25CuZnSn釬料在T2紫銅基板上的鋪展面積Fig.5 Spreading area of BAg25CuZnSn filler on T2 copper substrate with different away spacing

圖6 陣列間隔為100 mm時(shí)BAg25CuZnSn釬料在T2紫銅基板上的鋪展形貌Fig.6 Spreading morphhologies of filler on T2 copper substrate when array interval is 100 mm

2.2.2 BCu93P釬料在T2紫銅上的潤(rùn)濕性能

根據(jù)BCu93P 釬料的熔點(diǎn)，潤(rùn)濕試驗(yàn)設(shè)置箱式電爐的峰值溫度為820 ℃，保溫時(shí)間2 min。圖7為織構(gòu)化基板上BCu93P 釬料的鋪展面積，未織構(gòu)基板的釬料鋪展面積為248.6 mm2?？梢钥闯觯棙?gòu)化處理后的基板上釬料的鋪展面積均大于未織構(gòu)基板釬料的鋪展面積。隨著織構(gòu)陣列間距的增大，釬料的鋪展面積逐漸減小，且網(wǎng)格型織構(gòu)化的基板上釬料的鋪展面積均大于直線型織構(gòu)。網(wǎng)格型織構(gòu)陣列間距為100 mm 時(shí)，釬料的鋪展面積最大，為322.4 mm2。圖8 為陣列間距為100 mm 時(shí)，BCu93P釬料在紫銅基板上的鋪展形貌?？梢钥闯?，釬料在基板上充分鋪展，具有良好的潤(rùn)濕性能。

圖7 不同陣列間距下BCu93P釬料在T2紫銅基板上的鋪展面積Fig.7 Spreading area of BCu93P filler on T2 copper substrate with different away spacing

圖8 陣列間隔為100 mm時(shí)BCu93P釬料在T2紫銅基板上的鋪展形貌Fig.8 Spreading morphhologies of BCu93P filler on T2 copper sub‐strate when array interval is 100 mm

2.3 分析與討論

表面織構(gòu)化的基板表面會(huì)對(duì)釬料的鋪展過(guò)程中起到毛細(xì)管作用，促進(jìn)釬料在母材表面的潤(rùn)濕與鋪展。Wenzel[15]基于楊氏方程提出了粗糙度因子γ來(lái)表征粗糙表面的接觸角大小

式中θ為實(shí)際條件下固體表面的接觸角；θe為材料在理想狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)接觸角；γ為液體與固體表面的實(shí)際接觸面積與表觀接觸面積之比。直線型織構(gòu)化基板的粗糙度因子可表示為：

式中a為織構(gòu)陣列的間隔；h為溝槽的深度。

對(duì)于網(wǎng)格型織構(gòu)化的基板而言，其粗糙度因子可表示為：

所以，當(dāng)對(duì)基板進(jìn)行表面織構(gòu)化后，液體與固體表面的實(shí)際接觸面積增大，粗糙度因子γ也隨之增大，θ隨之減小，潤(rùn)濕性增大，釬料的鋪展面積增大。網(wǎng)格狀織構(gòu)化基板的粗糙度因子γ大于直線型織構(gòu)化基板的粗糙度因子，則在相同條件下，網(wǎng)格狀織構(gòu)化基板上釬料的鋪展面積更大。當(dāng)織構(gòu)陣列間隔減小時(shí)，粗糙度因子均增大，結(jié)合式（1），固體表面的接觸角減小，釬料的鋪展面積增大。

3 結(jié)論

本文采用HG100-20W 激光打標(biāo)機(jī)在T2 紫銅基板表面制備直線型和網(wǎng)格型兩種典型的表面織構(gòu)，其中織構(gòu)溝槽的寬度為（40.0±1.0） μm，深度為（5.0±0.5） μm。

（1）采用BAg25CuZnSn 焊絲、BCu93P-A 粉末兩種釬料進(jìn)行浸潤(rùn)性試驗(yàn)，表面織構(gòu)化的基板表面會(huì)對(duì)釬料的鋪展過(guò)程中起到毛細(xì)管作用，促進(jìn)釬料在母材表面的潤(rùn)濕與鋪展，織構(gòu)化的基板上釬料的鋪展面積均大于未織構(gòu)化的基板。

（2）隨著織構(gòu)陣列間距的增大，基板的粗糙度因子減小，粗糙表面的接觸角減小，浸潤(rùn)性變差，兩種釬料在基板上的鋪展面積均逐漸減小。

表面織構(gòu)作為一種有效的技術(shù)手段，在釬焊領(lǐng)域改善金屬表面潤(rùn)濕性方面的應(yīng)用前景十分廣闊。設(shè)計(jì)不同類(lèi)型、不同陣列分布的表面織構(gòu)，探究其對(duì)金屬潤(rùn)濕性的影響將成為未來(lái)的研究重點(diǎn)，同時(shí)利用表面織構(gòu)技術(shù)解決異種金屬的連接問(wèn)題將成為該領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。