前熱擴散焊連線有兩種不同的設備，第一種是熱等靜壓擴散焊(HIP-DW)設備， 該設備具有焊接尺寸套用範圍廣的優點，但在給定的焊接條件下，焊接過程參數的控制不是十分精確；另外一種是單軸熱擴散焊(U-DW)設備，該設備採用單軸機械加壓的方式；這種設備由於採用機械加壓因此焊接尺寸範圍有限，但可以很好地控制焊接過程參數。
基本介紹
- 中文名：熱擴散焊
- 外文名：Thermal diffusion welding
簡介,線切割與真空熱擴散焊組合製備工藝,三維模具的製備,
簡介
微注塑成形是熱塑性塑膠成形的一種重要工藝方法，與目前在微機械領域廣泛套用的矽基材料微小構件成形工藝相比，具有製造成本低、生產周期短、工藝簡單、成形質量高、便於實現批量和自動化生產等優點。微模具作為微塑件的重要工藝裝備，其製造水平直接影響著微塑件的成形質量。
微模具的製造依賴於微細加工技術。隨著微機電系統（Micro－Electronic－MechanicalSystem，MEMS）技術的發展，微製件的需求日益增加，微細加工技術也日新月異，從傳統微細切削加工到微細特種加工，如電化學、電火花、雷射、超音波、離子束等，再到UV－LIGA技術和深反應離子蝕刻技術（DRIE）。這些特種技術中，微細光加工技術在微模具製造中的套用更具優勢，而UV－LIGA技術最有代表性和套用前景。UV－LIGA技術主要由曝光、顯影、電鑄和去膠組成，其特定的曝光方式使得該技術通常情況下只能製作含有直壁特徵的2．5D微結構，而不易製作含有複雜結構特徵的微結構。
為獲得三維微結構，大連理工大學的杜立群等提出基於UV－LIGA技術的新工藝製備三維微結構，並研究了UV－LIGA技術在製作細胞培養器微注塑模具型腔中的套用。Pfeiffer等人利用飛秒雷射分層平面掃描燒蝕工藝，在硬質合金和不鏽鋼板上蝕刻出了深度為100μm的三維微結構。江蘇大學張朝陽等構建了納秒脈衝雷射電化學加工系統，實現了線寬在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製備了球形微結構。Park和Chu等提出了線切割和電解拋光相結合的方法，製備了表面質量較好的透鏡樣式模具。為了提高微結構的表面質量和加工精度，Nguyen等提出通過微細電火花加工結合微細電解加工來製備微結構。大連理工大學的宋滿倉等研究了利用常規電火花線切割技術加工薄鎳板微小結構的方法，該技術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。清華大學佟浩、李勇等以放電間隙伺服控制實時補償電極損耗技術為基礎，提出三維微細電火花伺服掃描加工方法，製備出了各種複雜的三維微結構。但是微細電火花加工所用的微細電極製作困難，加工後模具的表面粗糙度難以達到要求，需要進行後續研拋加工，從而降低了生產效率，並且由於在電火花加工的過程中始終存在微細電極損耗，因此該技術難以獲得大深寬比的微結構。
近年來，為了製備三維微模具，徐斌等人提出了微型雙工位疊層成形方法（MicroDouble－stagedLaminatedObjectManufacturing，Micro－DLOM）。Micro－DLOM以分層實體製造工藝（LOM）為基礎，通過多層二維微結構的疊加擬合來獲得三維微模具。凌世全等人採用飛秒雷射切割結合微細電阻滑焊製備了2階、3階級聯齒輪微型腔模具，，並通過銅箔對上述齒輪腔進行脹形複製得到了微成形件，從而驗證了該工藝方法的可行性。但限于飛秒雷射的功率，切割的單層不鏽鋼箔厚度不能超過20μm，所以疊層成形的微模具深度受到一定的限制。
微模具的製造依賴於微細加工技術。隨著微機電系統（Micro－Electronic－MechanicalSystem，MEMS）技術的發展，微製件的需求日益增加，微細加工技術也日新月異，從傳統微細切削加工到微細特種加工，如電化學、電火花、雷射、超音波、離子束等，再到UV－LIGA技術和深反應離子蝕刻技術（DRIE）。這些特種技術中，微細光加工技術在微模具製造中的套用更具優勢，而UV－LIGA技術最有代表性和套用前景。UV－LIGA技術主要由曝光、顯影、電鑄和去膠組成，其特定的曝光方式使得該技術通常情況下只能製作含有直壁特徵的2．5D微結構，而不易製作含有複雜結構特徵的微結構。
為獲得三維微結構，大連理工大學的杜立群等提出基於UV－LIGA技術的新工藝製備三維微結構，並研究了UV－LIGA技術在製作細胞培養器微注塑模具型腔中的套用。Pfeiffer等人利用飛秒雷射分層平面掃描燒蝕工藝，在硬質合金和不鏽鋼板上蝕刻出了深度為100μm的三維微結構。江蘇大學張朝陽等構建了納秒脈衝雷射電化學加工系統，實現了線寬在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製備了球形微結構。Park和Chu等提出了線切割和電解拋光相結合的方法，製備了表面質量較好的透鏡樣式模具。為了提高微結構的表面質量和加工精度，Nguyen等提出通過微細電火花加工結合微細電解加工來製備微結構。大連理工大學的宋滿倉等研究了利用常規電火花線切割技術加工薄鎳板微小結構的方法，該技術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。清華大學佟浩、李勇等以放電間隙伺服控制實時補償電極損耗技術為基礎，提出三維微細電火花伺服掃描加工方法，製備出了各種複雜的三維微結構。但是微細電火花加工所用的微細電極製作困難，加工後模具的表面粗糙度難以達到要求，需要進行後續研拋加工，從而降低了生產效率，並且由於在電火花加工的過程中始終存在微細電極損耗，因此該技術難以獲得大深寬比的微結構。
近年來，為了製備三維微模具，徐斌等人提出了微型雙工位疊層成形方法（MicroDouble－stagedLaminatedObjectManufacturing，Micro－DLOM）。Micro－DLOM以分層實體製造工藝（LOM）為基礎，通過多層二維微結構的疊加擬合來獲得三維微模具。凌世全等人採用飛秒雷射切割結合微細電阻滑焊製備了2階、3階級聯齒輪微型腔模具，，並通過銅箔對上述齒輪腔進行脹形複製得到了微成形件，從而驗證了該工藝方法的可行性。但限于飛秒雷射的功率，切割的單層不鏽鋼箔厚度不能超過20μm，所以疊層成形的微模具深度受到一定的限制。
線切割與真空熱擴散焊組合製備工藝
Micro－DLOM製備三維微模具以及注塑的工藝過程包括：（1）採用電火花線切割工藝對銅箔進行切割獲得二維微結構；（2）通過真空壓力熱擴散焊連線多層二維微結構從而疊加擬合出三維微模具。
首先，通過CAD切片軟體將微模具設計模型進行離散切片從而獲得疊層微模具模型。切片軟體還需對疊層微模具模型進行後處理，從而獲得銅箔層數、層厚及每層銅箔二維微結構軌跡等數據。
然後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並用擋塊擋住，正加工銅箔的另一端通過鋼塊與磁鐵夾具固定，並由線切割加工該層的二維微結構，已加工銅箔需要向下彈性彎曲並用擋塊擋住。重複上述過程，直至完成各層二維微結構的線切割加工，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構並沒有真正連線，因此需其一端仍保持夾緊狀態並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構的完全連線，形成整體式微模具。
最後，運用超聲模壓粉末成型方法（Micro－UPM）就可獲得三維微結構零件。
三維模具的製備
1.銅箔的電火花線切割
三維微模具是由多層二維微結構疊加焊接而成，因此每層二維微結構的切割質量對三維微模具的表面質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輸入、輸出的複雜過程，影響其加工指標的因素有很多。為了獲得較佳的線切割工藝參數，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以及脈衝寬度Ton對線切割切縫寬度及切縫表面粗糙度的影響規律。
三維微模具是由多層二維微結構疊加焊接而成，因此每層二維微結構的切割質量對三維微模具的表面質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輸入、輸出的複雜過程，影響其加工指標的因素有很多。為了獲得較佳的線切割工藝參數，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以及脈衝寬度Ton對線切割切縫寬度及切縫表面粗糙度的影響規律。
線切割放電電壓對切割質量的影響
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。實驗所採用的工藝參數為：脈衝寬度10μs，脈衝間隔40μs，線切割電流0．28A；電極絲為鉬絲（直徑為180μm）。當Ve=60V時，銅箔的線切割邊緣質量較好，隨著放電電壓Ve的增加，銅箔的線切割邊緣出現不太明顯的鋸齒狀結構，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構尺寸精度的影響，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量和二維微結構的尺寸精度。當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構的邊緣質量和尺寸精度，選用的放電電壓Ve為60V。
為了獲取合適的線切割放電電壓Ve，在其它工藝參數確定的情況下，依次施加不同的放電電壓Ve對銅箔進行切割。實驗所採用的工藝參數為：脈衝寬度10μs，脈衝間隔40μs，線切割電流0．28A；電極絲為鉬絲（直徑為180μm）。當Ve=60V時，銅箔的線切割邊緣質量較好，隨著放電電壓Ve的增加，銅箔的線切割邊緣出現不太明顯的鋸齒狀結構，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構尺寸精度的影響，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量和二維微結構的尺寸精度。當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構的邊緣質量和尺寸精度，選用的放電電壓Ve為60V。
線切割電流對切割質量的影響
線切割電流是指在脈衝電源的作用下，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，在其它工藝參數確定的情況下，依次施加不同的電流切割銅箔。根據線切割機的參數可調範圍確定實驗所採用的工藝參數為：線切割電流1#～6#（0．28A～1．68A），電壓60V，放電脈寬10μs，脈衝間隔40μs。
線切割電流是指在脈衝電源的作用下，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，在其它工藝參數確定的情況下，依次施加不同的電流切割銅箔。根據線切割機的參數可調範圍確定實驗所採用的工藝參數為：線切割電流1#～6#（0．28A～1．68A），電壓60V，放電脈寬10μs，脈衝間隔40μs。
當電流為1#（0．28A）時，銅箔的線切割邊緣質量較好；隨著線切割電流的逐漸增大，銅箔的線切割邊緣出現鋸齒狀結構，銅箔的線切割邊緣質量逐漸變差。為了考察線切割電流對二維微結構尺寸精度的影響，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。
上述實驗結果表明，線切割電流不僅對銅箔切割邊緣的切割質量有較大影響，也對二維微結構的尺寸精度產生了一定的影響。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衝材料的去除量，使單脈衝電蝕坑變深、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。線上切割電流較大時，銅箔的線切割邊緣易出現鋸齒狀結構，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構的邊緣質量和尺寸精度，選用的線切割電流為1#（0．28A）。
脈衝寬度對切割質量的影響
為了獲取合適的線切割脈衝寬度Ton，在其它工藝參數確定的情況下，依次施加不同的脈衝寬度Ton對銅箔進行切割。實驗所採用的工藝參數為：脈衝寬度10～60μs，線切割電壓80V，電流0．42A，脈衝間隔40μs。Ton對切割質量的影響與Ve和Ie相同，因此本文選擇Ton=10μs。
上述實驗結果表明，線切割電流不僅對銅箔切割邊緣的切割質量有較大影響，也對二維微結構的尺寸精度產生了一定的影響。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衝材料的去除量，使單脈衝電蝕坑變深、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。線上切割電流較大時，銅箔的線切割邊緣易出現鋸齒狀結構，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構的邊緣質量和尺寸精度，選用的線切割電流為1#（0．28A）。
脈衝寬度對切割質量的影響
為了獲取合適的線切割脈衝寬度Ton，在其它工藝參數確定的情況下，依次施加不同的脈衝寬度Ton對銅箔進行切割。實驗所採用的工藝參數為：脈衝寬度10～60μs，線切割電壓80V，電流0．42A，脈衝間隔40μs。Ton對切割質量的影響與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構組成了初步疊層的三維微模具。但其各層二維結構之間並未真正連線，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構的真正連線，形成一個整體式模具。各層二維微結構之間的焊接質量會對三維微模具整體的機械性能產生重要影響。
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接的焊接方法。真空熱擴散焊的溫度一般設為材料熔點的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量的影響至關重要。
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。實驗所採用的工藝參數如下：熱擴散時間t為2～10h，熱擴散溫度為850℃，壓力為1．0μPa。熱擴散後的試樣經過打磨拋光後，使用硝酸鐵酒精溶液進行腐蝕，然後觀測試樣連線處的形貌。當熱擴散時間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。實驗所採用的工藝參數如下：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。
通過上述工藝獲得的多層銅箔二維微結構組成了初步疊層的三維微模具。但其各層二維結構之間並未真正連線，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構的真正連線，形成一個整體式模具。各層二維微結構之間的焊接質量會對三維微模具整體的機械性能產生重要影響。
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接的焊接方法。真空熱擴散焊的溫度一般設為材料熔點的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量的影響至關重要。
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。實驗所採用的工藝參數如下：熱擴散時間t為2～10h，熱擴散溫度為850℃，壓力為1．0μPa。熱擴散後的試樣經過打磨拋光後，使用硝酸鐵酒精溶液進行腐蝕，然後觀測試樣連線處的形貌。當熱擴散時間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。實驗所採用的工藝參數如下：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。
熱擴散後的試樣經過打磨拋光後，使用硝酸鐵酒精溶液進行腐蝕，觀測試樣連線處的形貌。由實驗結果可知：當熱擴散壓力為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構的尺寸精度和三維微模具在厚度方向上的尺寸精度。每層二維微結構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。
三維微模具的尺寸精度主要包括每層二維微結構的尺寸精度和三維微模具在厚度方向上的尺寸精度。每層二維微結構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.微型級聯齒輪模具的製備
為了驗證該工藝的可行性，分別設計了六稜台、二階級聯齒輪以及三階級聯齒輪微型腔模具。其中，六稜台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均為6，每一級齒輪的高度均為0．5mm。根據上述三維微模具幾何形狀與尺寸構建微模具設計模型，使用CAD切片軟體將微模具設計模型進行離散切片從而獲得疊層微模具模型，並得到每層銅箔的二維微結構以及層厚等數據。
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構。線切割的工藝參數如下：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構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。從觀測結果可知，三維微模具表面形貌較好，製作結果較理想，與設計模型基本相符。
為了驗證該工藝的可行性，分別設計了六稜台、二階級聯齒輪以及三階級聯齒輪微型腔模具。其中，六稜台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均為6，每一級齒輪的高度均為0．5mm。根據上述三維微模具幾何形狀與尺寸構建微模具設計模型，使用CAD切片軟體將微模具設計模型進行離散切片從而獲得疊層微模具模型，並得到每層銅箔的二維微結構以及層厚等數據。
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構。線切割的工藝參數如下：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構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。從觀測結果可知，三維微模具表面形貌較好，製作結果較理想，與設計模型基本相符。
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。主要工藝參數包括超音波功率、 超音波作用時間以及超音波壓強。超音波功率是指實驗中所施加的超音波能量， 超音波作用時間是實驗中保持施加超音波的時間， 超音波壓強則是實驗中超音波焊接 頭 的 壓 強。使 用 PP 塑 料 粉 末，在2475 W、 2s以及0．1 MPa的超音波作用下，製備了 PP微型二階級聯齒輪塑件； 使用 EVA 塑膠粉末，在24 75 W、0．6s以及0．1MPa的超音波作用下， 製備了 EVA 微型三階級聯齒輪塑件。PP 和 EVA 微型級聯齒輪塑件的表面質量良好， 與對應的微型腔一致， 從而進一步驗證了基於線切割與熱擴散焊的三維微模具疊層製備工藝的可行性。
