[发明专利]镁材局部表面硬焊的前处理方法

说明书

【技术领域】

本发明属于镁合金焊接技术领域，具体说，是涉及镁材局部表面硬焊的前处理方法。

【背景技术】

镁合金工件性质对热处理极为敏感，原因在于镁合金热膨胀系数高于一般金属2～3倍，若受热不均匀将在镁合金内部留下变形及内应力的问题；另外若受热的温度过高，亦会留下偏析变性的问题。所以传统热焊(焊接温度超过素材融点)的方法较不适合镁合金工件，若是薄板材的焊接尤为困难。以薄板材而言较佳的作法是考虑冷焊(焊接温度低于素材融点)以避免前述的缺点，前人的努力成果不多：US Patent 4,613,069中Falke，et al.等人，用铜镍合金电镀于镁合金表面，再用锡铅合金冷焊镁合金，此一制程未考虑到助焊剂对镁合金的腐蚀问题；US Patent 4,925,084中Persson使用局部爆炸法焊接铝镁合金，可使用的铝镁合金限于具超塑能力之合金种类，同时也受工件形状及成本的限制；US Patent 4,739,920中Kujas使用硬脂酸(stearic acid)、棕相酸(palmitic acid)、油酸(oleic acid)为助焊剂主成分，此一制程未考虑到助焊剂对镁合金的腐蚀问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种合适的无电镀镍工艺，将镁合金表面改质以达到适于冷焊的素材表面。

本发明的另一目的在于提供一种特用助焊剂，配合无铅锡合金焊料，以达到适于冷焊镁合金工件的目的。

关于无电镀镍工艺，无电镀镍被用于焊锡工艺中扮演一个扩散阻绝层与沾锡层的角色，因为无电镀镍层与焊锡间的润湿性质及界面反应具有接点的可靠度。在润湿性质方面，无铅焊锡(纯锡、共晶锡银铜与锡铋)在无电镀镍层上，其润湿性与磷含量的关系。随着无电镀镍层磷含量的增加，焊锡与无电镀镍层间的润湿性有变好的趋势。其中，纯锡与无电镀镍层之间的润湿性优于锡银焊锡，而锡铋焊锡在无电镀镍层上则表现一个较差的润湿性质，概括来说，无电镀镍层的磷含量在大于9wt％时，对于以上三种无铅焊锡系统有一较佳的润湿性质。不论如何，无电镀镍层表面有镍之氧化物的生成，在没有使用助焊剂先清除表面氧化物的焊接情况下，焊锡与无电镀镍层间并不润湿，焊锡与无电镀镍层间的附着强度显得很差。而当加入助焊剂先清除掉工件表面氧化物之后，其润湿性质大幅改善。此一状态在镁合金工件上更为复杂，除非无电镀镍层有足够厚度(通常超过20μm)，无电镀镍层绝大部份会有残存微孔，故工件表面以EDX观察会检测到相当的镁之氧化物、氢氧化物、碳酸化物，在本发明中必须与镍之氧化物同步解决。另外在界面反应方面，以42Sn-58Bi焊锡膏与中磷无电镀镍(Ni-5.52wt％P)层焊接界面处有Ni₃Sn₄的介金属化合物的生成(这通常是疲劳断裂的肇因)，而在较高磷含量的无电镀镍层(Ni-9.12wt％P)及电镀镍的例子当中则没有发现此介金属化合物。这是我们选取高磷无电镀镍层作为我们冷焊镁合金工件表面的第一原因。其次是高磷无电镀镍层通常表现疏张内应力(compressive stress)，在耐受焊接时的升温及镁合金素材热膨胀系数高于一般金属2～3倍的条件，有较呈现收缩内应力(tensile stress)的中磷无电镀镍层有较高的附着性。

冷焊料有两个主要成分：其一是焊料合金，世界各国组织所建议的冷焊用无铅锡合金范围：(1)美国NEMI协会(Sn95.5/Ag3.9/Cu0.6)、(2)日本JEITA协会(Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5)、(3)IDEAL(Sn96.5/Ag3.8/Cu0.7)，依据成份的差異，合金的熔解温度也不一样，大约都在217±4℃之间，另外(4)美国NEMI协会亦推荐(Sn42/Bi58)熔解温度139℃；已有统一之趋势。虽然铜成分会有增加镁合金电偶腐蚀的可能，但是由于成份含量偏低而与锡形成合金的趋势较大；在热循环实验及耐久性实验中电偶腐蚀的现象并未发生。是故以上四种焊料都在本发明的测试项目之内。