6063鋁合金低溫無鉛釬焊

楊芳，李天立，何鑫，韓紀超，何錦川

(遼寧工程技術大學 ，遼寧 阜新 123000)

0 前言

隨著鋼材、鋁合金等金屬材料的需求量急速加大，合金材料不僅追求結構的輕量化，還需要保證合金的高產量及性能的穩定性。鋁合金具有重量輕、比強度高、密度小、導熱性能好、耐腐蝕性能高等性能特點[1-2]，能夠同時滿足合金材料的結構輕量化和工業技術領域的指標，而且具有價格低、性價比高等優勢，因此，在航空造船、汽車家電、電子封裝等領域產業得到廣泛應用。

目前，在鋁合金釬焊中應用較廣泛的是傳統Sn-Pb釬料[3]，廢棄的Pb會進入土壤以及地下水循環中，長期使用對環境造成不可降解的Pb污染，破壞生態平衡[4]。因此，各國也紛紛出臺法律法規限制含Pb元器件的電子產品的生產，其中歐洲國家的WEEE法令和RoHS法令、亞洲地區日本的《有效提高利用資源法》以及中國的《電子信息產品污染控制管理辦法》[5]等，而研發新型無鉛釬料取代傳統的Sn-Pb釬料已經是人類的不二之選。

目前研究較多的無鉛釬料有Sn-Zn系、Sn-Bi系、Sn-Cu-Ni系等釬料，其中Sn-9Zn合金的熔點與Sn-Pb合金的共晶點最為接近，且二者的化學、物理性能也最為接近。因此，對Sn-9Zn基合金釬料的研究較為重視[6-8]。由于Zn化學性質活潑，使得釬料表面生成大量氧化膜，影響釬料的毛細作用和潤濕作用，因此Sn-9Zn釬料具有抗氧化性差、潤濕性差等缺點。向Sn-Zn中添加金屬元素使其微合金化可以改善以上的不足。表面活性金屬Ga，在釬料熔化時表面富集形成致密保護膜減少Zn的氧化[9-10]。陳文學等人[11]添加合金元素Ga使釬料合金熔點顯著降低，熔化溫度區間有所增大，潤濕性能得到明顯改善；合金元素Ga的添加量>1 %時，釬料的潤濕性能趨于穩定。Bi元素能降低熔融狀態下釬料合金的表面張力[12]，降低材料的粘度，從而提高合金的潤濕性能。吳文云等人[13]通過添加Bi元素明顯改善Sn-Zn系無鉛釬料的潤濕性，在Zn的質量分數一定的條件下，隨Bi質量分數的增加潤濕性提高；當Bi含量>3%時對潤濕性的影響減弱。

文中通過添加不同比例Bi，Ga元素制成Sn-9Zn-xBi-Ga(x=1，2，3，4;質量分數，%)無鉛釬料，采用激光共聚焦顯微鏡、電子掃描顯微鏡、XRD等測試技術對焊接接頭區進行顯微組織觀察和物相分析，結合顯微硬度試驗以確定使用無鉛釬料釬焊的接頭性能和釬焊工藝。

1 試驗方法

1.1試驗材料

試驗采用6063鋁合金為母材，其化學成分見表1，6063鋁合金試樣的尺寸為1 mm×10 mm×20 mm。依次用200號、400號砂紙打磨母材表面，而后用丙酮、酒精清洗其表面。

表1 6063鋁合金化學成分(質量分數，%)

選用純度為99.99%的Sn，Zn，Bi，Pb和Ga分別配制有鉛釬料和無鉛釬料作為對比試驗，釬料的名義成分見表2。釬劑選用自制的松香+15%ZnCl2釬劑，為了起到去除ZnO膜的效果。在200 ℃條件下熱處理爐中保溫30 min爐中釬焊。

表2 釬料成分組成(質量分數，%)

1.2試驗方法

使用DZSL-B箱式馬弗爐在450 ℃條件下將母材浸入鋅液10 s后完成熱浸鍍鋅；通過OLS 4000激光共聚焦顯微鏡測量釬料在6063鋁合金鍍鋅層表面的潤濕角和觀察釬焊接頭的宏觀組織形貌；采用型號為JEOL JSM07500F的掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀形貌，并通過掃面電鏡自帶的能譜儀分析元素分布；使用XRD-6100射線衍射儀分析釬焊接頭的物相組成，掃描角度20°～100°，電壓為40 V，電流為30 A；利用HV-1000Z自動轉塔顯微硬度計測定釬焊接頭區的維氏硬度，試驗載荷0.2 kg、保載時間10 s。

2 試驗結果和分析

2.1潤濕性能分析

表3為不同釬料在6063鋁合金鍍鋅表面潤濕角的測量值，由表3可以看出，Sn-9Zn-xBi-Ga釬料在6063鋁合金鍍鋅表面的潤濕性要明顯優于傳統含鉛釬料。無鉛釬料中隨著Bi含量的增加潤濕角逐漸減小，Bi含量為3%時，釬料的浸潤角最小，鋪展率最大，界面結合較好。當Bi含量超過3%時，潤濕角開始升高。隨著Bi含量的增加會形成較多富Bi區，釬料與鍍Zn層之間的表面張力增加，降低了釬料潤濕性。由于Bi在釬料表面富集，隔絕釬料中的Zn與O接觸，降低釬料與鍍Zn層的表面張力，提高釬料在母材上的潤濕鋪展性能。Ga元素的添加抑制了釬料在熔化時其表面氧化層的形成，使得釬料與鍍Zn層之間的表面張力降低，浸潤角減小，潤濕鋪展性提高；1%的Ga元素使潤濕反應的活化能明顯降低，釬料和母材間的系統自由能明顯降低，釬料能自發的在鍍Zn層上潤濕鋪展。

表3 不同釬料試樣潤濕情況

2.2釬焊接頭組織分析

圖1為6063鋁合金熱浸鍍鋅層激光共聚焦顯微組織形貌特征，可以看出當在450 ℃的溫度下浸沾10 s時鋁合金與鋅界面形貌“犬牙交錯”，有很明顯的“互溶”現象，鋅液和6063鋁合金相互擴散，屬于冶金結合，其鍍鋅層效果良好。

圖1 6063熱浸鍍鋅照片

圖2為釬焊接頭激光共聚焦顯微組織圖。從圖中可以看出，鍍鋅層與這幾種釬料之間出現“互溶”現象結合，釬料能很好潤濕鍍鋅層并發生互擴散。釬焊過程中Bi在釬料表面富集，降低了液體表面上的張力，進而改善了釬料的潤濕性和鋪展性；由圖2a，2b中可以看出有黑色棒狀相(枝晶)存在，隨著Bi含量的增加，黑色棒狀相(枝晶)的數量逐漸增多，體積逐步增大。

圖2 焊接接頭區鍍鋅層-釬料形貌

2.3釬焊接頭微觀組織特征

為了進一步觀察釬焊焊接接頭焊縫的組織形貌，對焊縫位置進行掃描電鏡SEM分析以及EDS分析。圖3為釬料/鍍鋅層界面微觀組織形貌的掃描電鏡SEM電子圖像。從圖3a，3b中可以看出，在含鉛釬料/鍍鋅層界面中出現明顯得孔洞缺陷，而孔洞出現的原因是由于焊接過程中釬料的流動性和潤濕性較差，使得釬料未能鋪滿整個焊縫，冷卻后形成孔洞缺陷。由圖3c，3d可知，無鉛釬料/鍍鋅層界面連接緊密，焊縫較為平直，焊接效果良好；當Bi含量達到3%時，其界面結合較好。因此，試驗條件下Sn87Zn9Bi3Ga具有最好的無鉛釬料/鍍鋅層界面結合。

圖3 釬料/鍍鋅層釬焊接頭SEM形貌

2.4釬焊接頭元素分布及物相分析

圖4為釬焊接頭的XRD圖，由圖分析可知，Sn-9Zn-xBi-Ga/6063鋁合金鍍鋅層界面中出現了Al-Zn金屬間化合物，且不同釬料的釬焊接頭XRD衍射峰的強度有所不同，釬焊接頭中生成了Al0.71Zn0.29相。

圖4 Sn-9Zn-xBi-Ga釬焊接頭X衍射圖譜

圖5為Sn87Zn9Bi3Ga釬料/鍍鋅界面EDS分析，對圖5a所示區域進行線掃描分析，結果如圖5b所示。線掃描方向由鍍鋅層垂直經過交界面到釬料區。從圖5b中可以發現Sn元素含量越來越多，Zn元素呈下降狀態。釬料與鍍鋅層發生反應，一部分Sn元素擴散到鍍鋅層，隨著距離開始點愈來愈遠，Sn元素的擴散程度減輕，Sn元素的含量增加。而Zn元素隨著距離鍍鋅層越來越遠而呈下降趨勢。Ga元素呈下降趨勢，可能是由于金屬Ga易溶于鍍鋅層，導致鍍鋅層一側的Ga含量高于釬料區，而Bi含量隨著距離釬料區越來越近而緩慢增加。

2.5釬焊接頭硬度分析

表4為不同釬料的釬焊接頭硬度。由表4可以看出Sn87Zn9Bi3Ga釬料所形成的焊接接頭的硬度最大，可能由于Bi元素的加入使焊接接頭組織發生細晶強化導致硬度發生改變。同時，反應生成的Al0.71Zn0.29化合物也可能起到彌散強化的作用，從而使釬焊接頭的顯微硬度提高。Bi在Sn中的溶解度較低，當Bi元素含量超過3%時，在釬焊冷卻過程中過量Bi將會從基體Sn中析出，從而影響接頭的硬度，這與文獻[14]研究一致。

圖5 Sn87Zn9Bi3Ga釬料/鍍鋅界面EDS分析

表4 不同釬料的釬焊接頭硬度 HV

由于Bi，Ga元素的添加，使得釬料在母材表面潤濕效果良好；Sn-9Zn-xBi-Ga釬料釬焊接頭的硬度均比傳統含鉛釬料釬焊接頭高；當Bi元素的含量為3 %時，硬度最大可達到38.4 HV0.2。Sn-9Zn-3Bi-Ga釬料釬焊的焊接接頭力學性能最優。

3 結論

(1) Bi，Ga元素的添加，使得釬料的潤濕鋪展面積增大，潤濕效果明顯，并且能夠依靠這種釬料實現高質量的可靠連接。

(2) 釬焊接頭的微觀組織中，鋁合金與鍍鋅層反應界面生成Al0.71Zn0.29化合物顆粒。

(3) Sn-9Zn-xBi-Ga無鉛釬料的接頭硬度均高于含鉛釬料的釬焊接頭的顯微硬度，其中Sn87Zn9Bi3Ga釬料的釬焊接頭的顯微硬度最高，為38.4HV0.2。因此，Sn87Zn9Bi3Ga釬料是比較適合6063鋁合金低溫釬焊的填充釬料。