孟 濤，戴 軍，李棟梁，張堯成，楊 莉，蔣立成

（常熟理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇常熟215500）

紫銅感應(yīng)釬焊接頭組織及性能

孟 濤，戴 軍，李棟梁，張堯成，楊 莉，蔣立成

（常熟理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇常熟215500）

以紫銅板材為對(duì)象，利用Sn-58Bi和Sn-0.7Cu釬料對(duì)紫銅進(jìn)行感應(yīng)釬焊實(shí)驗(yàn)，保溫不同的時(shí)間，采用光學(xué)顯微鏡、顯微硬度計(jì)、接合強(qiáng)度測(cè)試儀等方法對(duì)釬焊接頭進(jìn)行組織分析和性能測(cè)試。結(jié)果表明，利用Sn-58Bi和Sn-0.7Cu釬料和感應(yīng)釬焊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)紫銅的連接。Sn-58Bi感應(yīng)釬焊接頭界面處均形成了一層薄而連續(xù)的金屬間化合物Cu6Sn5。隨著保溫時(shí)間的增加，焊縫中富Bi相逐漸減少。Sn-0.7Cu釬料接頭的顯微硬度在保溫時(shí)間為10 s時(shí)最大。隨著保溫時(shí)間的增加，金屬間化合物層厚度逐漸增加，接頭強(qiáng)度隨之降低。

感應(yīng)釬焊；Sn-58Bi釬料；Sn-0.7Cu釬料；微觀組織

0 前言

隨著人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，無鉛釬料必將取代有鉛釬料，根據(jù)國(guó)際公約規(guī)定，含鉛釬料應(yīng)用日期截止至2006年6月底，因此無鉛釬料在2006年下半年開始得到廣泛應(yīng)用。無鉛釬料的開發(fā)以Sn為主體金屬，添加其他金屬，使用多元合金，以代替在電子工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的63Sn-Pb37共晶合金釬料。目前主流無鉛釬料為96.5Sn3.0Ag0.5Cu、96.5Sn3. 5Ag、99.3Sn0.7Cu、42Sn58Bi等，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂塑性、彈性模量等機(jī)械性能指標(biāo)接近甚至遠(yuǎn)超63Sn37Pb。不足的是：除Sn-Bi外，大部分合金熔點(diǎn)高于63Sn37Pb；比熱容也增加20％～30％[1-6]。另外，新型復(fù)合釬料不斷研發(fā)，相對(duì)普通釬料性能有所提升，對(duì)于釬料的應(yīng)用有一定程度的擴(kuò)展[7]。針對(duì)紫銅材料而言，釬焊方法較多，包括火焰釬焊、激光釬焊、攪拌摩擦焊等[8-10]，但是采用合適SnBi和SnCu釬料對(duì)紫銅進(jìn)行感應(yīng)釬焊的分析未見報(bào)道。本研究利用Sn-58Bi釬料和Sn-0.7Cu釬料，研究不同保溫時(shí)間感應(yīng)釬焊紫銅獲得的接頭組織及性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用基體材料為紫銅板材、Sn-58Bi釬料膏

和Sn-0.7Cu釬料膏，紫銅板材尺寸50 mm×30 mm× 1 mm，搭接寬度5 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用高頻感應(yīng)釬焊設(shè)備分別制作4組釬焊試樣。設(shè)備頻率40 kHz，將Sn-58Bi和Sn-0.7Cu釬料膏均勻涂抹在基體上，選擇電流為80 A，加熱到釬料熔化，將四組試樣分別保溫10 s、20 s、30 s、40 s。采用金屬切割機(jī)將釬焊好的4組試樣切成小塊，使用A、B膠混合冷鑲嵌后，經(jīng)不同型號(hào)的金相砂紙磨平和金相試樣拋光機(jī)拋光以及5％硝酸酒精溶液腐蝕。在Olympus光學(xué)顯微鏡下觀察其金相組織，采用HXD-1000TC型顯微硬度計(jì)測(cè)量顯微硬度，加載100g，保持時(shí)間10 s，利用PTR-1200結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)試接頭強(qiáng)度。

2 SnBi釬料實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

不同保溫時(shí)間下的釬焊接頭組織如圖1所示，圖中上部深色區(qū)域均為焊縫，下部區(qū)域?yàn)槟覆?。?dāng)保溫時(shí)間為10 s和20 s時(shí)（見圖1a和1b），母材與焊縫界面處IMC不明顯；當(dāng)保溫時(shí)間增加到30 s時(shí)（見圖1c），IMC較為明顯，形成連續(xù)的IMC層，并且焊縫區(qū)域有明顯的大塊Bi相聚集；當(dāng)保溫時(shí)間為40 s時(shí)，Bi相聚集現(xiàn)象消失，焊縫組織均勻，同時(shí)IMC層厚度也較均勻，如圖1d所示。根據(jù)相圖可以確定此處的金屬間化合物（IMC）主要是Cu6Sn5[11]。

圖1 SnBi釬料釬焊紫銅的焊縫組織

2.2 焊縫硬度

Sn-58Bi釬料釬焊紫銅不同保溫時(shí)間下的焊縫硬度如圖2所示。保溫時(shí)間10 s時(shí)硬度值最高，保溫時(shí)間20 s以上的硬度值均低于保溫時(shí)間10 s的硬度值，這是因?yàn)殡S著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，釬料組織發(fā)生一定程度的粗化。

3 SnCu釬料實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 顯微組織

實(shí)驗(yàn)所得接頭組織如圖3所示。由圖3可知，在焊料和銅基板之間形成了一層金屬間化合物。金屬間化合物層兩側(cè)形貌不同，靠近銅基板一側(cè)的化合物平整,而與釬料相接的界面凸凹不平，形成了扇貝狀的金屬間化合物層。當(dāng)保溫時(shí)間為10 s時(shí)，界面金屬間化合物層較細(xì)小，當(dāng)保溫時(shí)間為30s時(shí)，金屬間化合物層形成明顯的扇貝狀，偶爾有大柱狀金屬間化合物的生成，并且IMC尺寸明顯增加。隨著保溫時(shí)間的增加，IMC層厚度增加。

圖2 SnBi釬料釬焊紫銅焊縫的硬度值

圖3 不同保溫時(shí)間下試樣的顯微組織

3.2 焊縫硬度

采用顯微硬度計(jì)測(cè)試焊縫接頭的顯微硬度。當(dāng)保溫時(shí)間為10 s時(shí)，顯微硬度值最大，為24.31 HV；保溫40 s時(shí)，顯微硬度值最小，為16.75 HV。隨著保溫時(shí)間的增加，硬度呈下降趨勢(shì)，主要原因是組織粗化。

4 釬焊接頭強(qiáng)度測(cè)試

采用結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)試釬焊搭接接頭結(jié)合強(qiáng)度，如表1所示。

表1 不同釬料接頭抗拉強(qiáng)度測(cè)試值MPa

由表1可知，隨著保溫時(shí)間的增加，Sn-58Bi釬料接頭強(qiáng)度先降低后增加，在保溫10s時(shí)強(qiáng)度最大，主要原因是IMC還未形成，晶粒較細(xì)小。Sn-0.7Cu釬料接頭隨著保溫時(shí)間的增加，接頭強(qiáng)度降低，主要是由于IMC層厚度逐漸增加并且晶粒粗化。

5 結(jié)論

（1）Sn-58Bi釬料焊接接頭界面處均形成了一層薄而連續(xù)的金屬間化合物Cu6Sn5，且組織中出現(xiàn)Bi相的聚集。

（2）隨著保溫時(shí)間的增加，Sn-58Bi釬料焊接接頭接頭強(qiáng)度先降低再增加。

（3）Sn-0.7Cu釬料接頭隨著保溫時(shí)間的增加，界面IMC層厚度逐漸增加，晶粒隨之粗化，接頭強(qiáng)度隨之降低。

[1]馬鑫，董本霞.無鉛釬料發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子工藝技術(shù)，2002，23（2）：47-52.

[2]史耀武，雷永平，夏志東，等.電子組裝用SnAgCu系無鉛釬料合金與性能[J].有色金屬，2005，57（3）：8-15.

[3]王陽(yáng)，胡望宇.SnBi合金系低溫?zé)o鉛釬料研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，1999（3）：23-25.

[4]菅沼克昭（日）.無鉛焊接技術(shù)[M].寧曉山譯.北京：北京科學(xué)出版社，2004：51-53.

[5]張啟運(yùn)，莊鴻壽.釬焊手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：47-48.

[6]劉桑，涂運(yùn)驊，李松，等.電子釬料無鉛化對(duì)電子制造的影響[A].2007中國(guó)高端SMT學(xué)術(shù)論文集[C].張家界：2007.

[7]張亮，Tu KN，孫磊，等.納米-微米顆粒增強(qiáng)復(fù)合釬料研究最新進(jìn)展[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，46（1）: 49-65.

[8]趙麗玲.紫銅管的火焰釬焊工藝[J].有色礦冶，2012，28（1）：33-34.

[9]許為柏，銅激光釬焊研究[J].電焊機(jī)，2014，44（6）：135-137.

[10]王永健.銅與錫基釬料的異質(zhì)攪拌摩擦焊工藝研究[J].熱加工工藝，2014（21）：185-187.

[11]劉春忠，張偉，隋曼齡，等.共晶SnBi/Cu焊點(diǎn)界面處Bi的偏析[J].金屬學(xué)報(bào)，2005（41）：847-852.

Microstructure and properties of copper induction soldering joint

MENG Tao，DAI Jun，LI Dongliang，ZHANG Raocheng，YANG Li，JIANG Licheng
（College of Automotive Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China）

Soldering experiments of copper are investigated using Sn-58Bi and Sn-0.7Cu solder in this paper.Microstructure and mechanical properties of welding joints are studied.The results show that the copper can be well welded using Sn-58Bi and Sn-0.7Cu solder with induction solderingtechnology.The IMC layer Cu6Sn5 is generated at the interface ofwelding joints using Sn-58Bi solder.The Bi rich phase in the solder decreases gradually with the increase of the holding time.The microhardness of solder is the largest when the holding time is 10 s using Sn-0.7Cu solder.The thickness of IMC layer increases and the tensile strength of welding joints decrease with the increase ofthe holdingtime.

induction soldering；Sn-58Bi solder；Sn-0.7Cu solder；microstructure

TG454

A

1001-2303（2016）10-0031-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.06

獻(xiàn)

孟濤，戴軍，李棟梁，等.紫銅感應(yīng)釬焊接頭組織及性能[J].電焊機(jī)，2016，46（10）：31-33.

2015-04-23；

2016-09-07

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（SBK2014020827）；江蘇省大型工程裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室開放課題（JSKLEDC201507）

孟濤（1968—），男，江西人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事金屬材料連接技術(shù)的研究工作。