表面织构化对铜基钎料润湿流铺的影响研究

表面织构化对铜基钎料润湿流铺的影响研究 Study on the Effect of Surface Texture on the Wetting Flow of Copper-Based Brazing Filler 1 2 first-author 杨　洋（1996—），男，在读硕士，主要从事激光表面改性方面的研究。E-mail：yangtum@163.com。 杨　洋（1996—），男，在读硕士，主要从事激光表面改性方面的研究。E-mail：yangtum@163.com。 yangtum@163.com 1 2 1 2 中国机械科学研究总院集团有限公司,北京 100044 中国机械科学研究总院集团有限公司,北京 100044 China Academy of Machinery Science and Technology Group, Beijing 100044, China China Academy of Machinery Science and Technology Group, Beijing 100044, China 中国机械总院集团 宁波智能机床研究院有限公司,浙江 宁波 315700 中国机械总院集团 宁波智能机床研究院有限公司,浙江 宁波 315700 China Academy of Machinery Ningbo Academy of Intelligent Machine Tool Co., Ltd., Ningbo 315700, China China Academy of Machinery Ningbo Academy of Intelligent Machine Tool Co., Ltd., Ningbo 315700, China 为改善钎料在基板表面的润湿性能，采用激光加工技术在T2紫铜基板表面加工了两类不同阵列间距的直线型织构和网格型织构，探究表面织构对钎料润湿性能的影响。以BAg25CuZnSn焊条、BCu93P-A粉末为钎料，在T2紫铜表面进行润湿性试验，探讨表面织构类型及织构间距对钎料在T2紫铜基板上润湿性的影响。试验结果表明：对T2紫铜基板表面织构化，钎料铺展面积增大，钎料为BCu93P-A、网格型织构阵列间距为100 μm时，铺展面积最大为322.4 mm 2 ；随着织构阵列间距的减小，两种钎料的铺展面积均逐渐增大，且直线型织构化的基板润湿性能小于网格型织构化的基板。 To improve the wettability of solder on the substrate surface, T2 copper was selected as the substrate and two types of linear grooves and reticulated grooves with different array spacing were prepared on the surface of the copper using the HG100-20W laser marking machine. Wettability tests were carried out on the T2 copper surface using BAg25CuZnSn electrodes and BCu93P-A powder as the brazing material, and the effect of the surface fabric and the spacing of the fabric on the wettability of the brazing material on the T2 copper substrate was investigated. The experimental results show that the surface texture of the T2 copper substrate increases the spreading area of the solder. When the solder is BCu93P-A and the groove texture array spacing is 100 μm, the maximum spreading area is 322.4 mm 2 . With the decrease of the texture array spacing, the spreading area of the two solders gradually increases, and the wettability of the linear textured substrate is smaller than that of the grid textured substrate. 激光加工技术 表面织构 润湿性 铺展面积 laser processing technology surface texture wettability spreading area 前言 1 钎焊是工业生产过程中一种重要连接技术 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ ，具有焊接变形小、成形美观等特点，在航空航天、汽车、电子通信等领域得到了广泛应用。其中银基钎料 ［ 3 3 - 4 4 3-4 ］ 是钎焊领域应用最为广泛的一类钎料，具有良好的导电性、可塑性和耐腐蚀性，但使用成本高。为降低钎焊成本、提高经济效益，有必要开发低银或无银钎料。因此，具有工艺性能优良、钎料流动性较好、价格便宜等优点的Cu基钎料 ［ 5 5 ］ 得到了广泛应用。在Cu基钎料中，Cu-P钎料 ［ 6 6 ］ 作为自钎剂钎料，具有熔点低、导电性良好的优点，AgCuZn钎料 ［ 7 7 ］ 具有加工性能优良、熔点适中、良好的流动性等优点。钎料的铺展性对钎焊接头的质量和性能具有重要影响，目前研究人员采用对金属表面进行改性和加工的手段来改善金属表面的铺展润湿性，常见的加工方法有表面镀覆技术 ［ 8 8 ］ 、化学刻蚀 ［ 9 9 ］ 、微铣削 ［ 10 10 ］ 和激光表面织构技术 ［ 11 11 ］ 等。激光表面织构技术是基于光热效应对基材进行加工处理，在材料表面加工出一定形状、尺寸和排列规律的凹坑或沟槽阵，相较于其他技术而言，具有高效、性能稳定、加工精度高等特点，目前广泛应用于表面织构的加工。Du ［ 12 12 ］ 等人研究了激光微织构不同几何形貌对表面接触角的影响，发现微沟槽及微坑形织构均会降低表面接触角。Raimbault ［ 13 13 ］ 等人探究了微织构的几何参数对表面润湿性的影响，发现可以通过改变微织构的深度及周期等参数改变其表面接触角。周轶杰 ［ 14 14 ］ 在T2紫铜表面加工类鱼鳞表面织构，发现可通过调节激光间距改变基体表面的静态接触角。 目前表面织构技术应用于Cu基钎料的润湿性的研究多集中于定性分析，对表面织构类型及几何参数影响铜基钎料润湿性的研究较少。本文以T2紫铜作为基板，将表面织构技术应用于改善Cu基钎料的润湿性，通过激光加工技术制备直线型、网格型织构阵列，并选用BAg25CuZnSn焊丝、BCu93P-A粉末两种钎料进行浸润性试验，分析表面织构的类型及阵列间距对钎料浸润性的影响。 试验材料及方法 1 试验材料 2 试验选用T2紫铜作为基板，采用线切割机将基板切割成规格为40 mm×40 mm×1 mm的试样，试验前用SiC砂纸将所有试样按400#、800#、1000#顺序逐级研磨，并放入无水乙醇中超声波清洗15 min，以清除表面油污。选取BAg25CuZnSn焊丝、BCu93P粉末为试验钎料，其主要化学成分如 表1 表1 、 表2 表2 所示，所有钎料在使用前用1000#的SiC砂纸打磨除去氧化层。钎剂为QJ102银钎焊熔剂。 Ag Cu Sn Zn 24.0~26.0 39.0~41.0 1.5~2.5 31~35 P Cu 7.0~7.5 余量 试验采用HG100-20W激光打标机对T2紫铜基板表面进行直线型织构化处理和网格型织构化处理。根据前期研究，试验参数为：输出功率15 W，脉冲频率20 kHz，扫描速度100 mm/s。两种织构类型的阵列间距 a 为100 μm、200 μm、300 μm、400 μm和500 μm，加工方案如 图1 图1 所示，激光束沿着箭头方向移动完成对基板的织构化处理。将激光织构化的试样用无水乙醇超声清洗10 min，清理表面杂质，利用超景深显微镜观察其表面的织构形貌。 1,2; 润湿性试验方法 2 依据国标GB/T11364—2008《钎料铺展性及填缝性实验方法》的规定对钎料进行润湿铺展试验，通过比较铺展面积来研究表面织构对钎料润湿性的影响。加热装置为箱式电炉，如 图2 图2 所示。试验支撑平台先以90 ℃/min的速率预热到钎焊温度。用光电天平称量0.4 g钎料和0.2 g钎剂，将放置好钎料、钎剂的基板置于箱式电炉中，保温2 min后取出基板。通过数码相机对试验后的试件进行拍照，将图片输入电脑，采用Image-J软件测量钎料的铺展面积，试验重复5次，结果取其平均值。 结果讨论 1 表面织构形貌 2 采用超景深显微镜观察织构化的基板形貌，发现对基板进行不同阵列间隔的表面织构化后，沟槽的宽度为（40.0±1.0） μm，深度为（5.0±0.5） μm。 图3 图3 为阵列间隔为200 μm的直线型织构和网格状织构化的基板。 1;2; 钎料在 T2 紫铜上的润湿性能 2 熔化温度范围是钎料合金最基本的性质，是决定实际钎焊温度的基本参数。BAg25CuZnSn焊条、BCu93P粉末的DSC曲线如 图4 图4 所示。 图4a 图4a 中，BCu93P粉末只有一个吸收峰（钎料合金熔化），则BCu93P钎料的熔点为710.2 ℃。 图4b 图4b 的第2个吸热峰对应BAg25CuZnSn焊条的熔点为786.5 ℃。 1;2; BAg25CuZnSn钎料在T2紫铜上的润湿性能 3 根据BAg25CuZnSn钎料的熔点，润湿试验设置箱式电炉的峰值温度为850 ℃，保温时间2 min。织构化基板上BAg25CuZnSn钎料的铺展面积如 图5 图5 所示，未织构基板的钎料铺展面积为232.4 mm 2 。可以看出，织构化处理后的基板上钎料的铺展面积均大于未织构基板钎料的铺展面积。随着织构阵列间距的增大，钎料的铺展面积逐渐减小，且网格型织构化的基板上钎料的铺展面积均大于直线型织构。网格型织构阵列间距为100 mm时，钎料的铺展面积最大，为300.5 mm 2 。阵列间距为100 mm时，BAg25CuZnSn钎料在紫铜基板上的铺展形貌如 图6 图6 所示，可以看出，钎料在基板上得到充分铺展，润湿性能良好。 1;2; （a）直线型织构　　　　　　 （b）网络型织构 BCu93P钎料在T2紫铜上的润湿性能 3 根据BCu93P钎料的熔点，润湿试验设置箱式电炉的峰值温度为820 ℃，保温时间2 min。 图7 图7 为织构化基板上BCu93P钎料的铺展面积，未织构基板的钎料铺展面积为248.6 mm 2 。可以看出，织构化处理后的基板上钎料的铺展面积均大于未织构基板钎料的铺展面积。随着织构阵列间距的增大，钎料的铺展面积逐渐减小，且网格型织构化的基板上钎料的铺展面积均大于直线型织构。网格型织构阵列间距为100 mm时，钎料的铺展面积最大，为322.4 mm 2 。 图8 图8 为阵列间距为100 mm时，BCu93P钎料在紫铜基板上的铺展形貌。可以看出，钎料在基板上充分铺展，具有良好的润湿性能。 1;2; （a）直线型织构　　　　　　 （b）网络型织构 分析与讨论 2 表面织构化的基板表面会对钎料的铺展过程中起到毛细管作用，促进钎料在母材表面的润湿与铺展。Wenzel ［ 15 15 ］ 基于杨氏方程提出了粗糙度因子γ来表征粗糙表面的接触角大小 <math display="block" id="M1"><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mi>θ</mi><mo>=</mo><mi>γ</mi><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mi>e</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42807978&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42807976&type= 19.30400085 4.48733330 式中　 θ 为实际条件下固体表面的接触角； θ e 为材料在理想状态下所对应的静态接触角； γ 为液体与固体表面的实际接触面积与表观接触面积之比。直线型织构化基板的粗糙度因子可表示为： <math display="block" id="M2"><msub><mrow><mi>γ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>a</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>h</mi></mrow><mrow><mi>a</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>h</mi></mrow><mrow><mi>a</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42807988&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42807980&type= 30.64933395 7.28133297 式中　 a 为织构阵列的间隔； h 为沟槽的深度。 对于网格型织构化的基板而言，其粗糙度因子可表示为： <math display="block" id="M3"><msub><mrow><mi>γ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">4</mn><mi>a</mi><mi>h</mi></mrow><mrow><msup><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn><mi>h</mi></mrow><mrow><mi>a</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42807990&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42807982&type= 33.61266708 7.78933382 所以，当对基板进行表面织构化后，液体与固体表面的实际接触面积增大，粗糙度因子 γ 也随之增大， θ 随之减小，润湿性增大，钎料的铺展面积增大。网格状织构化基板的粗糙度因子 γ 大于直线型织构化基板的粗糙度因子，则在相同条件下，网格状织构化基板上钎料的铺展面积更大。当织构阵列间隔减小时，粗糙度因子均增大，结合 式（1） 式（1） ，固体表面的接触角减小，钎料的铺展面积增大。 结论 1 本文采用HG100-20W激光打标机在T2紫铜基板表面制备直线型和网格型两种典型的表面织构，其中织构沟槽的宽度为（40.0±1.0） μm，深度为（5.0±0.5） μm。 （1）采用BAg25CuZnSn焊丝、BCu93P-A粉末两种钎料进行浸润性试验，表面织构化的基板表面会对钎料的铺展过程中起到毛细管作用，促进钎料在母材表面的润湿与铺展，织构化的基板上钎料的铺展面积均大于未织构化的基板。 （2）随着织构阵列间距的增大，基板的粗糙度因子减小，粗糙表面的接触角减小，浸润性变差，两种钎料在基板上的铺展面积均逐渐减小。 表面织构作为一种有效的技术手段，在钎焊领域改善金属表面润湿性方面的应用前景十分广阔。设计不同类型、不同阵列分布的表面织构，探究其对金属润湿性的影响将成为未来的研究重点，同时利用表面织构技术解决异种金属的连接问题将成为该领域的一大热点。 参考文献 龙伟民 ， 刘大双 ， 张冠星 ， 等 . 感应钎涂粉末熔融及传热机制 ［J］. 焊接学报 ， 2021 ， 42 （ 11 ）：29-34， 98 - 99 . 感应钎涂粉末熔融及传热机制 LONG W M ， LIU D S ， ZHANG G X ， et al . 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