專利名稱：無釬劑釬焊低熔點(diǎn)鋁用釬料及其冶煉工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種釬焊材料，特別涉及一種無釬劑釬焊低熔點(diǎn)鋁用釬料及其冶煉工藝。
由于全膜電容器具有介質(zhì)損耗低、工作場(chǎng)強(qiáng)高和電容器的比特性好，以及電容器溫升低、壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)周期短、爆破幾率小和運(yùn)行安全等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外電力電容器的生產(chǎn)均朝全膜化方向發(fā)展。全膜電容器內(nèi)芯由鋁箔和聚丙烯膜(簡(jiǎn)稱PP膜)層狀相間組成，外突的鋁箔與鋁箔之間以及鋁箔與引線之間采用釬焊連接是理想的聯(lián)接方式。
由于采用全膜結(jié)構(gòu)，對(duì)電容器中鋁箔釬焊所用的釬料要求很嚴(yán)。首先是溫度不能高，以控制釬焊溫度;一般PP膜耐熱不超過165°，考慮到鋁箔具有較好的導(dǎo)熱性，所用的鋁用軟釬料上限熔化溫度應(yīng)低于200℃。其次是鋁材料的軟釬料釬焊具有較大困難，主要是因?yàn)殇X材表面致密的氧化膜難以去除，若全膜電容器鋁箔釬焊時(shí)施加釬劑助焊，則釬劑溶入電容器中的浸漬劑將會(huì)導(dǎo)致電容器的損耗增大，而且還可能腐蝕或損壞PP膜，使電容器失效，所以只能采用無釬劑軟釬料釬焊。此外，還要求釬料與鋁箔之間要有較高的焊合率，釬縫具有雖夠的強(qiáng)度，并且要求釬料與電容器常用浸漬劑間相容性優(yōu)良，不會(huì)對(duì)浸漬劑造成污染和催化老化，同時(shí)浸漬劑應(yīng)對(duì)釬縫無腐蝕性，以免破壞釬縫從而導(dǎo)致電容器失效和報(bào)廢(文獻(xiàn)1、WeldingJournal，Jan.1985，NO1;2、鄒僖主編，《釬焊》，第二章，P28-29，機(jī)械工業(yè)出版社，1989)。
本發(fā)明的目的在于在對(duì)現(xiàn)有全膜電容器生產(chǎn)調(diào)研和工藝分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)全膜電容器鋁箔釬焊問題，設(shè)計(jì)了符合全膜電容器釬焊要求和使用要求的新釬料，探索出了冶煉出該釬料的工藝方法。用本發(fā)明提供的釬料設(shè)計(jì)和冶煉工藝技術(shù)，可熔煉出適用于高壓全膜并聯(lián)電容器生產(chǎn)用的無釬劑釬焊低熔點(diǎn)刮擦釬料，可保證全膜電容器的生產(chǎn)質(zhì)量，滿足其服役要求，提高其使用壽命。同時(shí)該釬料還可用于具有突箔式電極結(jié)構(gòu)的電熱電容器、脈沖電容器、均壓、耦合電容器制造中的釬焊連接。此外還可用于電冰箱中鋁管的補(bǔ)漏和缺陷修復(fù)，以及其它有關(guān)鋁材低溫釬焊的場(chǎng)合。
該材料具有低熔點(diǎn)特征，釬焊時(shí)不使用釬劑，只需用加熱工具(如電烙鐵等)在鋁材上刮擦熔融釬料即可施焊。
釬料設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)保證其與鋁材能夠釬焊結(jié)合，即保證其可釬焊性;釬料組元與鋁材若能形成塑性和韌性俱佳的固溶體組織，則對(duì)提高釬縫的結(jié)合強(qiáng)度有利，從相圖分析可知，AL-Zn、AL-Si及AL-Ag均能形成有限固溶體，釬料中必須含有這些元素，以保證結(jié)合強(qiáng)度。其次，還應(yīng)保證釬料具有低熔點(diǎn)特性及具有良好的熔化鋪展和潤(rùn)濕能力;考慮到大部分鋁用軟釬料(熔點(diǎn)均在250℃以上)勻含有Zn這一特點(diǎn)，釬料成分設(shè)計(jì)時(shí)加入了Zn，釬料設(shè)計(jì)時(shí)還加入了低熔點(diǎn)Sn組元，以及使含Zn、Sn釬料熔點(diǎn)進(jìn)一步降低的Cd組元;由Sn、Zn、Cd三元素的相圖分析可知，Sn-Zn和Sn-Cd均能形成低熔點(diǎn)的共晶組織，Sn-Zn共晶組織熔點(diǎn)為198℃，Sn-Cd共晶組織熔點(diǎn)為177℃。因此，確定釬料基本組成為Sn-Zn-Cd合金系。
此外，釬焊時(shí)釬料表面張力愈小，則釬料的鋪展、潤(rùn)濕能力愈好，還有助于提高釬料的釬焊性;因此，凡是具有較小表面張力而聚集在釬料表面呈正吸附從而降低整個(gè)液態(tài)釬料表面張力的元素都能改善釬料的潤(rùn)濕性，這些元素如Bi(鉍)、In(銦)，Ce(鈰)等均在釬料設(shè)計(jì)時(shí)加入;Ce的加入還可以改善釬料合金的組織形態(tài)，起到細(xì)化晶粒的作用;In的加入能進(jìn)一步降低釬料的熔點(diǎn)，提高釬料在冶煉和釬焊時(shí)的抗氧化能力。
最后，還考慮到釬料應(yīng)具有無釬劑釬焊的特點(diǎn)。釬料加入Si后，其以固態(tài)微料存在，作為刮擦釬料中的脆硬質(zhì)點(diǎn)相起到破壞鋁的氧化膜的作用，從AL-Si相圖還可知，兩者可相互固溶使釬料結(jié)合性能改善;釬料中的Ce也能與其它元素形成硬質(zhì)點(diǎn)相，起到刮擦破壞鋁的氧化膜作用，提高釬料的結(jié)合能力。
在釬料多元合金系中，每個(gè)組分元素的作用是彼此互相影響的，不象二元合金狀態(tài)圖所描述的那樣簡(jiǎn)單、直觀;各組分元素對(duì)釬料整體各方面性能的影響是復(fù)雜的，必須通過大量試驗(yàn)的優(yōu)化篩選，確定出綜合性能最佳的釬料配方及最優(yōu)冶煉工藝。
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的釬料，經(jīng)過上百次的成分配方變化和冶煉工藝探索，最終找出了較合理的釬料成分設(shè)計(jì)及冶煉工藝。
鋁用無釬劑釬焊、低熔點(diǎn)、刮擦軟釬料的配方及相應(yīng)的冶煉工藝為本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵。
釬料的配方及冶煉工藝釬料的配方(%)
按配方中各元素設(shè)計(jì)成分的重量百分比備料。
冶煉設(shè)備控溫坩堝電爐，功率按一次冶煉的重量確定，測(cè)溫?zé)犭娕贾糜谌蹮捽釄鍍?nèi)，控溫誤差在±5℃以內(nèi)。
冶煉工藝(1)將Sn粒(或條、塊)置入坩堝內(nèi)加熱熔化，過熱至400-500℃;
(2)將Zn粒(或條、塊)加入坩堝，攪拌至熔化均勻，控溫在400-500℃以下;
(3)將Ag粒(或絲、屑)加入，攪拌至熔化均勻，保溫5-8分鐘，然后降溫至300-400℃;
(4)將Cd加入熔融坩堝，攪拌至熔化均勻，完畢，繼續(xù)加入Bi和In，攪拌均勻;
(5)降溫至200-300℃，加入Ce后立即攪拌均勻，保溫約3-5分鐘;
(6)重新加熱至200-300℃，加入Si粉攪拌均勻后，蓋上坩堝蓋，重新加熱至400-500℃，保溫4-10分鐘;
(7)撈除熔融釬料表面的敷渣，冷模澆鑄成型。
操作時(shí)應(yīng)注意Bi和In加入時(shí)溫度不宜高，以免過燒損失;Si和Ce加入時(shí)要充分?jǐn)嚢杈鶆?澆鑄溫度不宜太低，應(yīng)在400-500℃左右;
根據(jù)全膜電容器鋁箔的釬焊要求(以及其它鋁材低溫釬焊的相應(yīng)場(chǎng)合)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明所研制的釬料屬于無釬劑釬料，釬焊時(shí)不需要施加任何釬劑，焊接時(shí)只需用加熱工具(如烙鐵)和鋁箔上(或鋁材上)刮擦熔融釬料即可實(shí)現(xiàn)焊接。
(2)釬料的熔化特性釬料熔化溫度135-189℃，熔化溫度范圍為54℃;
釬料的熔化溫度符合全膜電容器釬焊時(shí)的溫度控制要求。
(3)釬料及釬縫的機(jī)械性能釬料及釬縫的機(jī)械性能分別列于表1和表2。試驗(yàn)用冷軋純鋁板的厚度為1.5mm，強(qiáng)度為108MPa，延伸率為28%。
表1釬料本身的機(jī)械性能釬料拉伸強(qiáng)度(MPa)斷面收縮率(%)所研制釬料127.026SnZn35釬料90.230注1、試樣采用Φ6的5倍標(biāo)距標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣;
2、SnZn35釬料是原用電容器釬料，成分為Sn65%，Zn35%。
表2釬縫的機(jī)械性能釬料所焊釬縫的搭接強(qiáng)度:大于40.0MPa(5個(gè)試樣均斷于母材)釬料所焊釬縫的撕裂強(qiáng)度:大于40.0MPa(5個(gè)試樣均斷于母材)SnZn35釬縫的搭接強(qiáng)度:32.4MPa(5個(gè)試樣平均)SnZn35釬縫的撕裂強(qiáng)度:32.4MPa(5個(gè)試樣平均)
(4)釬料與鋁材的釬合率釬料與鋁材釬合率的評(píng)定方法是用刮擦方法將釬料在鋁材表面涂敷直徑為1.5平方厘米的釬接區(qū)域，待冷卻到室溫后，將鋁材三次對(duì)折180°;然后除去未結(jié)合的釬料，分別測(cè)出涂敷面積與實(shí)際釬合面積，用下式求釬料的釬合率釬合率＝〖(實(shí)際釬合面積)/(涂敷面積)〗×100%表3列出了本發(fā)明所研制的釬料的釬合率及與其它釬料的比較。
表3本發(fā)明所研制釬料與原釬料的釬合率比較釬料熔化溫度(℃)與鋁材的釬合率(%)所研制釬料135-189>93(不用釬劑)SnZn35釬料199-33190(需加釬劑方可)(5)釬料與電容器浸漬劑的相容性(5.1)所研制的釬料對(duì)浸漬劑的污染及老化性能的影響參照“IEC588-6，1979”及現(xiàn)有的試驗(yàn)方法，將該釬料搭接試樣及撕裂試樣各三對(duì)，經(jīng)清洗后放入已預(yù)先注入精制好的浸漬劑2000毫升的燒杯中;先后在氮?dú)饧翱諝庵屑訜崂匣?，測(cè)試不同老化時(shí)間浸漬劑的絕緣電阻率ρV及損耗因數(shù)tgδ。同時(shí)也測(cè)量了不加試片的空白油以及用原釬料SnZn35做成的相同試樣，以資對(duì)比。所用浸漬劑是目前電容器中最常用的PXE、3＃油(9)/DBT及DDB等。試驗(yàn)結(jié)果列于表4。從表4可以看出，所研制的釬料與電容器原用釬料同樣，對(duì)電容器浸漬劑PXE、3＃油、M/DBT、DDB等無污染、無催化老化作用。
(5.2)浸漬后釬焊試樣的機(jī)械強(qiáng)度將(1)中浸漬老化后的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣全部斷裂于鋁母材部位，釬縫部位完好無損，可見浸漬劑對(duì)釬縫性能無不良影響。因此，可以說所研制的釬料與常用的電容器浸漬劑PXE、3＃油、M/DBT、DDB等相容性優(yōu)良，可以推知它與IPB的相容性也不會(huì)有問題。
(6)釬縫的抗熱沖擊疲勞性能電容器在使用過程中要承受不同的溫度變化，將對(duì)釬接部位產(chǎn)生不朗影響。為了考核釬縫耐受能力，特進(jìn)行了-60℃～+100℃范圍的冷熱沖擊疲勞試驗(yàn)將試樣各6只，先從室溫升至+100℃，恒溫24小時(shí)，再自然冷卻至室溫;然后于2小時(shí)內(nèi)降至-60℃，恒溫24小時(shí)，再將試樣升至室溫。在室溫至-60℃之間反復(fù)循環(huán)3次。
熱沖擊疲勞后測(cè)試試樣的拉伸強(qiáng)度結(jié)果表明，搭接試樣及撕裂試樣斷裂均在母材處，這證明釬縫抗熱沖擊疲勞性能良好。
(7)釬縫的抗環(huán)境腐蝕性能用搭接試樣和撕裂試樣進(jìn)行常規(guī)耐腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)為NaCl(30%)+H2O2(0.5%)+H2O(86.5%)，浸泡48小時(shí)。腐蝕后的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣仍然斷于鋁母材部位，這證明釬縫具有良好的抗腐蝕性。
最佳實(shí)施例1、釬料配方(重量百分比)
2、冶煉工藝(1)將Sn粒(或條、塊)置入坩堝內(nèi)加熱熔化，過熱至500℃;
(2)將Zn粒(或條、塊)加入坩堝，攪拌至熔化均勻，控溫在500℃以下;
(3)將Ag粒(或絲、屑)加入，攪拌至熔化均勻，保溫5分鐘，然后降溫至300℃;
(4)將Cd加入熔融坩堝，攪拌至熔化均勻、完畢，繼續(xù)加入Bi和In，攪拌均勻;
(5)降溫至200℃左右，加入Ce后立即攪拌均勻，保溫約3分鐘;
(6)重新加熱至300℃，加入Si粉攪拌均勻后，蓋上坩堝蓋，重新加熱至500℃，保溫5至8分鐘;
(7)撈除熔融釬料表面的敷渣，冷模澆鑄成型。
操作時(shí)應(yīng)注意Bi和In加入時(shí)溫度不宜高，以免過燒損失;Si和Ce加入時(shí)要充分?jǐn)嚢杈鶆?澆鑄溫度不宜太低，應(yīng)在500℃左右。
權(quán)利要求
1.無釬劑釬焊低熔點(diǎn)鋁用釬料及其冶煉工藝，其特征在于，所說的釬料由下列各元素的重百分比備制而成:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釬料及其冶煉工藝，其特征在于，所說的釬料按以下工藝冶煉而成(1)將58-61%的Sn加熱熔化，過熱至400-500℃;(2)加入24-27%的Zn攪拌至熔化均勻，控溫在400-500℃以下;(3)再加入0-0.3%的Ag，攪拌至熔化均勻，保溫5-8分鐘，然后降溫至300-400℃;(4)再加入8-12%的Cd，攪拌至熔化均勻、完畢，繼續(xù)加入0.4-0.7%的Bi和1.0-2.0%的In，攪拌均勻;(5)降溫至200-300℃，加入0.2-0.5%的Ce后立即攪拌均勻，保溫約3-5分鐘;(6)重新加熱至200-300℃左右，加入2.0-2.4%的Si，并攪拌均勻，重新加熱至400-500℃，保溫4至10分鐘;(7)撈除熔融釬料表面的敷渣，冷模嘵鑄成型
3.根據(jù)權(quán)利要求2所說的釬料及其冶煉工藝，其特征在于，所說的澆鑄溫度在400-500℃左右。
4.根據(jù)權(quán)利要求2、3所說的釬料及其冶煉工藝，其特征在于，所說的澆鑄溫度為500℃左右。
全文摘要
為了解決全膜電容器生產(chǎn)制造中鋁箔的低溫?zé)o釬劑軟釬焊問題，以及其它需要鋁材低溫?zé)o釬劑釬焊的生產(chǎn)問題，研制開發(fā)了適用于鋁材低溫釬焊的低熔點(diǎn)刮擦釬料以及釬料冶煉工藝技術(shù)。在無釬劑釬焊的條件下，釬料與鋁材的釬焊接合良好，釬料的熔點(diǎn)為135—189℃，強(qiáng)度為127MPa。該釬料具有與電容器常用浸漬劑相容及無腐蝕的特性，還具有抗熱沖擊疲勞的性能，可滿足全膜電容器的釬焊生產(chǎn)要求，以及其它需要鋁材低溫?zé)o釬劑釬焊的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)B23K35/28GK1080227SQ9210498
公開日1994年1月5日 申請(qǐng)日期1992年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月16日
發(fā)明者張新平, 陳孝存, 華自圭, 王友功 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)