摘  要

本研究主要系針對(duì)Kovar合金進(jìn)行雷射硬焊之界面接合研究與探討。影響Kovar合金雷射硬焊之制程參數(shù)有激光束、能量、時(shí)間及氣氛等之控制。然而，能量、離焦距離及時(shí)間等參數(shù)之控制，主要選擇Ag-Cu系共晶溫度(779℃)來(lái)進(jìn)行雷射硬焊實(shí)驗(yàn)，以使BAg-8銀銅硬焊材料在Kovar合金上有較佳之潤(rùn)濕性。

關(guān)鍵詞：Kovar合金、BAg-8硬焊合金、共晶溫度、潤(rùn)濕性

一、前    言

雷射加工技術(shù)包含雷射焊接、切割及表面處理等制程技術(shù)。雷射硬焊則是屬于材料表面處理技術(shù)，利用雷射熱源進(jìn)行硬焊處理，除了有入熱量低、變形量小、生產(chǎn)效率高之外，還有容易在大氣環(huán)境下操作等優(yōu)點(diǎn)。良好雷射硬焊的參數(shù)控制，使得硬焊材料與母材間之稀釋率可大幅降低金屬間介金屬相之生成。因此，有一些異材硬焊報(bào)告中指出，與鈦合金的反應(yīng)產(chǎn)物是多變的，這是因?yàn)樵谝幌盗械臒崽幚韺?shí)驗(yàn)過(guò)程中，原子間反復(fù)擴(kuò)散而發(fā)生反應(yīng)。針對(duì)共晶組織之Ag-Cu(熔點(diǎn)為780℃)系一般較為適用，這是因?yàn)?/span>BAg-8銀基硬焊材料具有相當(dāng)良好的延性，使得兩種不同材料所具有不同的熱膨脹系數(shù)造成的應(yīng)力提升[1]。

Fe-Co-Ni合金(Kovar合金)組成系屬于一般常見(jiàn)的密封接合鐵鎳合金之一，其具有低熱膨脹系數(shù)，且相近于硬玻璃材料(硼硅玻璃)。此材料足以符合金屬與玻璃組件緊配膨脹之密封特性[2]。目前Fe-Co-Ni合金已廣泛應(yīng)用在電子工業(yè)上，諸如能量管與X光管，以及其他汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中常用之壓力傳感器與光通訊產(chǎn)業(yè)雷射二極管。

二、實(shí)驗(yàn)方法#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

本研究所使用之材料為Kovar合金，其成份為53Fe-29Ni-17Co(wt-%)以及其他微量合金元素。該合金之機(jī)械與物理性質(zhì)如表1所示。Kovar合金試片尺寸為10×10×0.2mm。所使用之硬焊填料為0.3mm直徑之BAg-8銀銅合金硬焊線材，其成份為72Ag-28Cu(wt-%)。針對(duì)BAg-8之材料編號(hào)分別B為硬焊(Brazing)，Ag代表以銀基為底之材料。每個(gè)試片使用YAG雷射焊機(jī)再輔以機(jī)械手臂(如圖1所示)，進(jìn)行不同雷射能量、頻率、離焦距離及作用時(shí)間之雷射參數(shù)試驗(yàn)。表2所提出的系本試驗(yàn)所進(jìn)行測(cè)試之雷射硬焊實(shí)驗(yàn)參數(shù)表。可進(jìn)一步了解與觀察以雷射硬焊技術(shù)施以BAg-8硬焊材料在Kovar合金薄板上潤(rùn)濕性質(zhì)的影響。

表1  Kovar合金之機(jī)械與物理性質(zhì)[3]

此外，本實(shí)驗(yàn)試片焊后之顯微組織與成份分析，則是利用光學(xué)顯微鏡(OM)與Philip XL30掃瞄式電子顯微鏡(SEM)搭配能量分布光譜儀(EDS)來(lái)進(jìn)行觀察分析。

圖1  實(shí)驗(yàn)用YAG雷射焊機(jī)與機(jī)械手臂

表2  雷射硬焊參數(shù)表

三、結(jié)果與討論

針對(duì)異種材料接合之研究必須考慮彼此間之潤(rùn)濕特性。一般而言，皆藉由氣體、液體及固體間之表面張力來(lái)決定異材接合的潤(rùn)濕程度[4]。此外，可由圖#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#2之關(guān)系觀察到當(dāng)固體與氣體間以及固體與液體間之表面張力大于液體與氣體間之表面張力時(shí)，液體隨即會(huì)散布在固體表面上；若液體與氣體間之表面張力遠(yuǎn)比其他兩者來(lái)的大時(shí)，該液體將會(huì)凝聚成一顆球狀物。也就是說(shuō)當(dāng)潤(rùn)濕角為 時(shí)，定義該接合之潤(rùn)濕性為佳；反之，若兩者之潤(rùn)濕角為 時(shí)，該潤(rùn)濕性則為不良。

圖2  氣體、液體及固體間之表面能關(guān)系[4]

過(guò)去使用氬氣之氣氛爐進(jìn)行BAg-8硬焊材料于Kovar合金之潤(rùn)濕性，由于銀銅合金之液態(tài)/氣態(tài)表面張力(γlv)遠(yuǎn)大于Kovar合金之表面張力(γsl與γsv)，以致于凝聚成自由能量最小(ΔG<0)之球形，如圖3(a)所示。然而，由圖3(b)可觀察到在離焦之雷射參數(shù)作用下，該潤(rùn)濕性遠(yuǎn)比氣氛爐之型態(tài)來(lái)的佳。相較下兩者相異之處主要在于雷射照射與熱處理爐內(nèi)高溫作用之時(shí)間，由于在氣氛爐中因長(zhǎng)時(shí)間在升溫、持溫及降溫的環(huán)境下，足以有充分的時(shí)間讓銀銅合金逐漸凝聚成球狀。而雷射由于瞬間的升溫與降溫使得硬焊材料無(wú)足夠的時(shí)間產(chǎn)生球形凝聚。

圖4顯示在相同雷射功率(CW:20%, PW:100%, Freq.:500Hz)以及1秒作用時(shí)間下，當(dāng)離焦距離為10mm時(shí)，焊道表面寬度為4mm；當(dāng)離焦距離為15mm時(shí)，硬焊外觀表面寬度達(dá)6mm。這是由于光束尺寸隨著離焦距離的增加而擴(kuò)大，由公式(1)可得知聚焦后雷射光焦點(diǎn)直徑(d0)會(huì)隨著波長(zhǎng)(λ)#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#、陵鏡焦距(f)及雷射光直徑(D)而改變。本實(shí)驗(yàn)使用YAG雷射之波長(zhǎng)為1.064μm、焦距為120mm及雷射光直徑為0.6mm代入公式(1)后，可獲得聚焦后激光束直徑d0為0.52mm。

圖3  (a)氣氛爐與(b)雷射作用下銀銅硬焊材料潤(rùn)濕性之比較

圖4  不同離焦距離(a)10mm與(b)15mm之硬焊外觀

d0=2.44×(λ?ｆ)/D      (1)

由圖5之激光束示意圖來(lái)可測(cè)量聚焦后激光束尺寸，其中S：光束直徑小于√2d0之范圍，在S范圍內(nèi)之聚焦激光束為0.73mm，此光束尺寸為雷射焊接所允許范圍。在此范圍之外即稱(chēng)為離焦模式，光束尺寸逐漸擴(kuò)大，因此相對(duì)的單位面積能量密度也隨之降低。

嘗試以不同的雷射功率，相同的照射時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。圖6顯示隨著雷射功率的提升#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#(CW:20%, PW:120%)，將會(huì)提高硬焊熔深，但容易造成氣孔的生成。在本實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)樵囼?yàn)材料之厚度較薄而成為焊接模式，使得銀銅合金與Kovar合金元素完全混合。當(dāng)雷射功率降低(CW:20%, PW:80%)時(shí)，銀銅合金僅表面與Kovar合金產(chǎn)生稀釋作用。BAg-8銀銅合金通常使用在銅以及銅合金材料，且適合在具有保護(hù)氣氛之爐內(nèi)進(jìn)行無(wú)焊藥之硬焊試驗(yàn)，其特性與其他添加焊藥之硬焊制程有較佳的潤(rùn)濕特性。

圖5  激光束參數(shù)示意圖

圖6  不同雷射功率所造成之巨觀組織

當(dāng)BAg-8銀銅合金在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行硬焊時(shí)，熔融較具有流動(dòng)性以及在工件表面流動(dòng)。相對(duì)于不銹鋼、鎳基超合金及碳鋼等材料上之流動(dòng)性較其他材料為差。因此需要較高之硬焊溫度來(lái)提升BAg-8硬焊材料之流動(dòng)性與潤(rùn)濕性。所以提高雷射功率，使得硬焊材料在較高溫度作用下，流動(dòng)較快而擴(kuò)散進(jìn)入Kovar合金基材內(nèi)。且隨著溫度梯度之關(guān)系，由工件頂部往底部采不規(guī)則型式之?dāng)U散流動(dòng)(如圖7所示)。圖8觀察到在硬焊界面上靠近硬焊材料處會(huì)有島狀組織的形成(紅色箭頭所示)，且銀銅合金之流動(dòng)系沿著Kovar合金之晶界擴(kuò)散(黑色箭頭所示)。相對(duì)會(huì)弱化Kovar合金晶界間之機(jī)械性質(zhì)。因此進(jìn)行雷射硬焊制程，尚須控制在最佳的雷射功率、光束尺寸及光束模式等，避免Kovar合金之晶界有液態(tài)銀銅合金擴(kuò)散。

#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#圖7  BAg-8銀銅硬焊合金流動(dòng)之外觀

圖8  BAg-8銀銅硬焊合金界面之微觀組織

其次，當(dāng)離焦距離超過(guò)15mm而達(dá)到20mm時(shí)，由于銀銅合金線材的量較少，使得硬焊合金經(jīng)雷射光照射后完全吸收而熔融。但是部分雷射光直接照射于Kovar合金薄板上，由于合金薄板之厚度較薄，使得材料散熱效果較差，導(dǎo)致薄板完全接收雷射光能量，而無(wú)法迅速凝固，進(jìn)而導(dǎo)致破孔之生成(如圖9所示)。

圖9  離焦過(guò)大之雷射硬焊外觀

四、結(jié)    論

1.BAg-8硬焊材料于Kovar合金在氣氛爐中之潤(rùn)濕性，由于銀銅合金之液態(tài)/氣態(tài)表面張力(γlv)遠(yuǎn)大于Kovar合金之表面張力(γsl與γsv)，以致于凝聚成自由能量最小(ΔG<0)之球形。

2.BAg-8硬焊合金材料相對(duì)于不銹鋼、鎳基超合金及碳鋼等材料上之流動(dòng)性較其他材料為差。因此需要較高之硬焊溫度來(lái)提升BAg-8硬焊材料之流動(dòng)性與潤(rùn)濕性。

#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#3.BAg-8硬焊材料在雷射硬焊制程的作用下，流動(dòng)較快而擴(kuò)散進(jìn)入Kovar合金基材內(nèi)。且隨著溫度梯度之關(guān)系，采不規(guī)則型式之?dāng)U散流動(dòng)。

4.在硬焊界面上靠近硬焊材料處會(huì)有島狀組織的形成，且銀銅合金之流動(dòng)系沿著Kovar合金之晶界擴(kuò)散。

5.由于合金薄板之厚度較薄，使得材料散熱效果較差，導(dǎo)致薄板完全接收雷射光能量，而無(wú)法迅速凝固，進(jìn)而導(dǎo)致破孔之生成。