熱擴散焊簡介

微注塑成形是熱塑性塑料成形的一種重要工藝方法，與目前在微機械領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的硅基材料微小構(gòu)件成形工藝相比，具有制造成本低、生產(chǎn)周期短、工藝簡單、成形質(zhì)量高、便于實現(xiàn)批量和自動化生產(chǎn)等優(yōu)點。微模具作為微塑件的重要工藝裝備，其制造水平直接影響著微塑件的成形質(zhì)量 。

微模具的制造依賴于微細加工技術(shù)。隨著微機電系統(tǒng)（Micro－Electronic－MechanicalSystem，MEMS）技術(shù)的發(fā)展，微制件的需求日益增加，微細加工技術(shù)也日新月異，從傳統(tǒng)微細切削加工到微細特種加工，如電化學(xué)、電火花、激光、超聲波、離子束等，再到UV－LIGA技術(shù)和深反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)（DRIE）。這些特種技術(shù)中，微細光加工技術(shù)在微模具制造中的應(yīng)用更具優(yōu)勢，而UV－LIGA技術(shù)最有代表性和應(yīng)用前景。UV－LIGA技術(shù)主要由曝光、顯影、電鑄和去膠組成，其特定的曝光方式使得該技術(shù)通常情況下只能制作含有直壁特征的2．5D微結(jié)構(gòu)，而不易制作含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的微結(jié)構(gòu) 。

為獲得三維微結(jié)構(gòu)，大連理工大學(xué)的杜立群等提出基于UV－LIGA技術(shù)的新工藝制備三維微結(jié)構(gòu)，并研究了UV－LIGA技術(shù)在制作細胞培養(yǎng)器微注塑模具型腔中的應(yīng)用。Pfeiffer等人利用飛秒激光分層平面掃描燒蝕工藝，在硬質(zhì)合金和不銹鋼板上蝕刻出了深度為100μm的三維微結(jié)構(gòu)。江蘇大學(xué)張朝陽等構(gòu)建了納秒脈沖激光電化學(xué)加工系統(tǒng)，實現(xiàn)了線寬在140μm左右、深度較大的微細刻蝕加工，獲得了較好的加工質(zhì)量和成形精度。Li等以微超聲加工和微細電火花加工為基礎(chǔ)制備了球形微結(jié)構(gòu)。Park和Chu等提出了線切割和電解拋光相結(jié)合的方法，制備了表面質(zhì)量較好的透鏡樣式模具。為了提高微結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量和加工精度，Nguyen等提出通過微細電火花加工結(jié)合微細電解加工來制備微結(jié)構(gòu)。大連理工大學(xué)的宋滿倉等研究了利用常規(guī)電火花線切割技術(shù)加工薄鎳板微小結(jié)構(gòu)的方法，該技術(shù)可為電火花線切割加工其他材料的薄板微小零件提供支持與參考。清華大學(xué)佟浩、李勇等以放電間隙伺服控制實時補償電極損耗技術(shù)為基礎(chǔ)，提出三維微細電火花伺服掃描加工方法，制備出了各種復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)。但是微細電火花加工所用的微細電極制作困難，加工后模具的表面粗糙度難以達到要求，需要進行后續(xù)研拋加工，從而降低了生產(chǎn)效率，并且由于在電火花加工的過程中始終存在微細電極損耗，因此該技術(shù)難以獲得大深寬比的微結(jié)構(gòu) 。

近年來，為了制備三維微模具，徐斌等人提出了微型雙工位疊層成形方法（MicroDouble－stagedLaminatedObjectManufacturing，Micro－DLOM）。Micro－DLOM以分層實體制造工藝（LOM）為基礎(chǔ)，通過多層二維微結(jié)構(gòu)的疊加擬合來獲得三維微模具。凌世全等人采用飛秒激光切割結(jié)合微細電阻滑焊制備了2階、3階級聯(lián)齒輪微型腔模具，，并通過銅箔對上述齒輪腔進行脹形復(fù)制得到了微成形件，從而驗證了該工藝方法的可行性。但限于飛秒激光的功率，切割的單層不銹鋼箔厚度不能超過20μm，所以疊層成形的微模具深度受到一定的限制 。

Micro－DLOM制備三維微模具以及注塑的工藝過程包括：（1）采用電火花線切割工藝對銅箔進行切割獲得二維微結(jié)構(gòu)；（2）通過真空壓力熱擴散焊連接多層二維微結(jié)構(gòu)從而疊加擬合出三維微模具 。

首先，通過CAD切片軟件將微模具設(shè)計模型進行離散切片從而獲得疊層微模具模型。切片軟件還需對疊層微模具模型進行后處理，從而獲得銅箔層數(shù)、層厚及每層銅箔二維微結(jié)構(gòu)軌跡等數(shù)據(jù) 。

然后將已確定的各層銅箔的一端夾緊固定。銅箔分已加工銅箔、正加工銅箔和待加工銅箔。待加工銅箔的另一端需要向上彈性彎曲并用擋塊擋住，正加工銅箔的另一端通過鋼塊與磁鐵夾具固定，并由線切割加工該層的二維微結(jié)構(gòu)，已加工銅箔需要向下彈性彎曲并用擋塊擋住。重復(fù)上述過程，直至完成各層二維微結(jié)構(gòu)的線切割加工，從而獲得初步疊層的三維微模具。然而初步疊層的三維微模具的各層二維微結(jié)構(gòu)并沒有真正連接，因此需其一端仍保持夾緊狀態(tài)并放入真空爐中進行真空壓力熱擴散焊，從而完成各層銅箔二維微結(jié)構(gòu)的完全連接，形成整體式微模具 。

最后，運用超聲模壓粉末成型方法（Micro－UPM）就可獲得三維微結(jié)構(gòu)零件 。

1.銅箔的電火花線切割

三維微模具是由多層二維微結(jié)構(gòu)疊加焊接而成，因此每層二維微結(jié)構(gòu)的切割質(zhì)量對三維微模具的表面質(zhì)量和尺寸精度具有重要影響。電火花線切割加工是一個多參數(shù)輸入、輸出的復(fù)雜過程，影響其加工指標(biāo)的因素有很多。為了獲得較佳的線切割工藝參數(shù)，本文通過單因素實驗，重點研究線切割放電電壓Ve、放電電流Ie以及脈沖寬度Ton對線切割切縫寬度及切縫表面粗糙度的影響規(guī)律 。

線切割放電電壓對切割質(zhì)量的影響

為了獲取合適的線切割放電電壓Ve，在其它工藝參數(shù)確定的情況下，依次施加不同的放電電壓Ve對銅箔進行切割。實驗所采用的工藝參數(shù)為：脈沖寬度10μs，脈沖間隔40μs，線切割電流0．28A；電極絲為鉬絲（直徑為180μm）。當(dāng)Ve=60V時，銅箔的線切割邊緣質(zhì)量較好，隨著放電電壓Ve的增加，銅箔的線切割邊緣出現(xiàn)不太明顯的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，銅箔的切割邊緣逐漸變粗糙。為了考察放電電壓對二維微結(jié)構(gòu)尺寸精度的影響，本文使用大景深顯微鏡測量線切割的切縫尺寸。測量結(jié)果顯示：隨著電壓的逐漸升高，切縫尺寸由60V時的201μm逐漸增加至90V時的210μm。放電電壓Ve會影響銅箔的切割邊緣質(zhì)量和二維微結(jié)構(gòu)的尺寸精度。當(dāng)放電電壓逐漸增加時，會引起電極絲與工件之間平均放電能量的增加，進而增大放電間隙，銅箔材料的蝕除量逐漸加大，因此銅箔的線切割邊緣質(zhì)量逐漸變差，銅箔的切縫尺寸逐漸增加。因此，綜合考慮三維微模具單層微結(jié)構(gòu)的邊緣質(zhì)量和尺寸精度，選用的放電電壓Ve為60V 。

線切割電流對切割質(zhì)量的影響

線切割電流是指在脈沖電源的作用下，電極絲切割銅箔時所施加的電流。為了獲取合適的線切割電流，在其它工藝參數(shù)確定的情況下，依次施加不同的電流切割銅箔。根據(jù)線切割機的參數(shù)可調(diào)范圍確定實驗所采用的工藝參數(shù)為：線切割電流1#～6#（0．28A～1．68A），電壓60V，放電脈寬10μs，脈沖間隔40μs 。

當(dāng)電流為1#（0．28A）時，銅箔的線切割邊緣質(zhì)量較好；隨著線切割電流的逐漸增大，銅箔的線切割邊緣出現(xiàn)鋸齒狀結(jié)構(gòu)，銅箔的線切割邊緣質(zhì)量逐漸變差。為了考察線切割電流對二維微結(jié)構(gòu)尺寸精度的影響，使用大景深顯微鏡測量銅箔的切縫尺寸。由測量結(jié)果可知，隨著線切割電流的逐漸增加，切縫尺寸由0．28A時的201μm逐漸增加至1．68A時的212μm 。

上述實驗結(jié)果表明，線切割電流不僅對銅箔切割邊緣的切割質(zhì)量有較大影響，也對二維微結(jié)構(gòu)的尺寸精度產(chǎn)生了一定的影響。線切割電流的增大會增大平均放電能量，同時放電能量的增加也增大了單脈沖材料的去除量，使單脈沖電蝕坑變深、變大，而線切割加工表面由大量電蝕坑組成，因此加工表面粗糙度會大幅增加。在線切割電流較大時，銅箔的線切割邊緣易出現(xiàn)鋸齒狀結(jié)構(gòu)，銅箔的切縫尺寸也稍變大。因此，綜合考慮三維微模具單層微結(jié)構(gòu)的邊緣質(zhì)量和尺寸精度，選用的線切割電流為1#（0．28A） 。

脈沖寬度對切割質(zhì)量的影響

為了獲取合適的線切割脈沖寬度Ton，在其它工藝參數(shù)確定的情況下，依次施加不同的脈沖寬度Ton對銅箔進行切割。實驗所采用的工藝參數(shù)為：脈沖寬度10～60μs，線切割電壓80V，電流0．42A，脈沖間隔40μs。Ton對切割質(zhì)量的影響與Ve和Ie相同，因此本文選擇Ton=10μs 。

3.三維微模具的真空熱擴散焊

通過上述工藝獲得的多層銅箔二維微結(jié)構(gòu)組成了初步疊層的三維微模具。但其各層二維結(jié)構(gòu)之間并未真正連接，因此需要將初步疊層的三維微模具進行真空壓力熱擴散焊，從而完成各層二維結(jié)構(gòu)的真正連接，形成一個整體式模具。各層二維微結(jié)構(gòu)之間的焊接質(zhì)量會對三維微模具整體的機械性能產(chǎn)生重要影響 。

真空壓力熱擴散焊是指在真空條件以及一定的壓力和溫度作用下，通過原子擴散使焊接件相互聯(lián)接的焊接方法。真空熱擴散焊的溫度一般設(shè)為材料熔點的0．5～0．8倍，因銅的熔點為1083℃，所以其熱擴散溫度為542～867℃。在真空壓力熱擴散焊中，熱擴散時間以及熱擴散壓力對三維微模具焊接質(zhì)量的影響至關(guān)重要。

為了獲得合適的熱擴散時間，依次在不同的熱擴散時間下對三維微模具進行了熱擴散焊接。實驗所采用的工藝參數(shù)如下：熱擴散時間t為2～10h，熱擴散溫度為850℃，壓力為1．0μPa。熱擴散后的試樣經(jīng)過打磨拋光后，使用硝酸鐵酒精溶液進行腐蝕，然后觀測試樣連接處的形貌。當(dāng)熱擴散時間t為2h時，銅箔之間的縫隙較明顯；隨著熱擴散時間t增加到10h，銅箔之間的縫隙逐漸減小，直至消失。為了獲得合適的熱擴散壓力，依次使用不同的熱擴散壓力對10層銅箔（每層厚為100μm）的三維疊層微模具進行熱擴散焊接。實驗所采用的工藝參數(shù)如下：熱擴散壓力F為0．5～1．0μPa，熱擴散溫度為850℃，熱擴散時間t為10h 。

熱擴散后的試樣經(jīng)過打磨拋光后，使用硝酸鐵酒精溶液進行腐蝕，觀測試樣連接處的形貌。由實驗結(jié)果可知：當(dāng)熱擴散壓力為0．5μPa時，銅箔之間的縫隙較明顯；隨著熱擴散壓力的增加，銅箔之間的縫隙逐漸減小，直至消失 。

三維微模具的尺寸精度主要包括每層二維微結(jié)構(gòu)的尺寸精度和三維微模具在厚度方向上的尺寸精度。每層二維微結(jié)構(gòu)的尺寸精度主要由線切割保證，而三維微模具在厚度方向上的尺寸精度則主要由真空熱擴散保證。為了考察熱擴散時間對三維微模具在厚度方向上精度的影響，使用大景深顯微鏡測量了圖6所示試樣的厚度。由測量結(jié)果可知，隨著熱擴散時間的逐漸增加，試樣在厚度方向上的尺寸由2h時的209．7μm逐漸減低至10h時的199．6μm，越來越接近理想尺寸。當(dāng)熱擴散時間較短時，各層銅箔在接觸面上的原子擴散不夠充分，此時銅箔之間存在縫隙，三維微模具在厚度方向上的尺寸精度較差；隨著熱擴散時間的增加，各層銅箔在接觸面上的原子擴散越來越充分，銅箔之間的縫隙逐漸消失，直至近似消失，此時三維微模具在厚度方向上的尺寸精度較好 。

3.微型級聯(lián)齒輪模具的制備

為了驗證該工藝的可行性，分別設(shè)計了六棱臺、二階級聯(lián)齒輪以及三階級聯(lián)齒輪微型腔模具。其中，六棱臺正六邊形外接圓的直徑分別為2．5，3，3．5，4mm；齒輪的第一級齒輪分度圓直徑為3mm，第二級齒輪分度圓直徑為5mm；三級階梯齒輪的第一級齒輪分度圓直徑為3mm，第二級齒輪分度圓直徑為4mm；第三級齒輪分度圓直徑為5mm。上述兩種齒輪的齒數(shù)均為6，每一級齒輪的高度均為0．5mm。根據(jù)上述三維微模具幾何形狀與尺寸構(gòu)建微模具設(shè)計模型，使用CAD切片軟件將微模具設(shè)計模型進行離散切片從而獲得疊層微模具模型，并得到每層銅箔的二維微結(jié)構(gòu)以及層厚等數(shù)據(jù) 。

以100μm的銅箔為原材料，使用線切割對銅箔進行切割從而獲得各層的二維微結(jié)構(gòu)。線切割的工藝參數(shù)如下：線切割電流為0．28A，電壓為60V，放電脈寬為10μs，脈寬間隔為40μs，電極絲為鉬絲（直徑為180μm）。通過真空熱擴散對上述各層二維微結(jié)構(gòu)進行焊接從而獲得三維微模具。使用大景深顯微鏡觀測三維微模具。從觀測結(jié)果可知，三維微模具表面形貌較好，制作結(jié)果較理想，與設(shè)計模型基本相符 。

為了驗證上述模具的使用性能，采 用 超聲模壓粉 末 成 型 方 法（ Mic ro －UPM） 制 備 微 成 形塑件。主要工藝參數(shù)包括超聲波功率、 超聲波作用時間以及超聲波壓強。超聲波功率是指實驗中所施加的超聲波能量， 超聲波作用時間是實驗中保持施加超聲波的時間， 超聲波壓強則是實驗中超聲波焊接 頭 的 壓 強。使 用 PP 塑 料 粉 末，在2475 W、 2s以及0．1 MPa的超聲波作用下，制備了 PP微型二階級聯(lián)齒輪塑件； 使用 EVA 塑料粉末，在24 75 W、0．6s以及0．1MPa的超聲波作用下， 制備了 EVA 微型三階級聯(lián)齒輪塑件。PP 和 EVA 微型級聯(lián)齒輪塑件的表面質(zhì)量良好， 與對應(yīng)的微型腔一致， 從而進一步驗證了基于線切割與熱擴散焊的三維微模具疊層制備工藝的可行性 。

熱擴散率是指在一定的熱量得失情況下，物體溫度變化快慢的一個物理量，它的大小與物體的熱導(dǎo)率λ成正比與物體的熱容量Cv成反比，單位是m2/s.可用下式表示：

式中，K為熱擴散率；γ為熱導(dǎo)率；Cv為容積熱容量。

物體的熱擴散率越大，表明熱量由物體表面向深層或者由深層向物體表面的擴散的能力越強，溫度變化所及深度越深，各深度的溫度差消除越快，物體的熱擴散率越小，則反之。

α=λ/ρc

α稱為熱擴散率或熱擴散系數(shù)（thermal diffusivity），單位為m²/s。

式中：

λ：導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·K)；

ρ：密度，單位Kg/m³；

c：比熱容，單位J/(Kg·K)。

主要用于同質(zhì)及異質(zhì)難焊材料的連接，可以實現(xiàn)真空釬焊和真空擴散焊兩種主要功能。 2100433B