（材料学专业论文）铝铜钎焊用znal钎料及其焊接工艺的研究.pdf

中南大学硕士学位 摘要 摘要 为实现和优化铜铝的钎焊连接，解决空调制冷等行业中铜铝焊接 存在的关键工艺问题，本论文采用拉伸、d s c 、s e m 、e d s 等实验方 法系统研究了成分配比、合金元素、钎焊工艺对铜铝钎焊用z n a 1 钎 料的性能和铝铜钎焊接头组织与性能的影响规律。通过对钎料成分和 钎焊工艺的优化，最终获得了高强度的铝铜钎焊接头。实验结果表明： 1 提高a l 含量，可以提高z n - a 1 钎料钎焊铝铜接头的强度；a 1 含 量为1 0 w t 时，接头强度最高。在z n 1 0 a 1 钎料中添d i ：i c u ，接头强度 进一步提高；添加c u 含量在7 w t 时，钎焊接头的强度达最大值 5 3 8 m p a 。在z n 1 0 a 1 钎料中添加合金元素s i 或n i ，不能明显提高接头 强度。 2 z n a 1 钎料中a l 含量较低时，焊缝中铜一侧界面上生成层状组 织，在铜母材中有过渡层存在；提高a l 含量，界面组织形貌向笋状转 化；进一步提高a 1 含量，过渡层变窄。z n 1 0 a 1 钎料中添加c u 后，钎 焊接头焊缝中铜侧界面上组织变细小；当c u 含量达7 w t 时，笋状组 织不再与铜侧界面连接，此时断裂发生在钎料层基体中；钎料中c u 含量过高时，在铜侧界面上又生成层状相。在z n 1 0 a 1 钎料中加入s i 或n i ，界面组织改变不明显。 3 z n a 1 钎料中a 1 含量较高时，钎料在铜上和在铝上的铺展性改 善。在z n 1 0 a 1 中加入c u ，钎料在铝上的铺展性改善，但在铜上的铺 展性变差。在z n 1 0 a 1 钎料中加入s i ，铺展性改变不明显。 4 采用z n 1 0 a 1 钎料和z n 9 3 a i 7 c u 钎料钎焊铝铜，其接头较锡 基钎料钎焊铝铜接头抗腐蚀性好。 5 z n a 1 钎料对铝母材有强烈的溶蚀作用。受此作用影响，炉中 钎焊铝铜效果不佳。采用高频钎焊方法，通过局部快速加热，同时控 制较大的钎缝间隙，可以获得较优异的界面组织和较高的接头强度。 6 采用所制z 1 1 a l 钎料钎焊制冷行业用铝铜管，可获得满足要求 的接头。 关键词铝铜钎焊，z n a 1 钎料，成分优化，界面组织，钎焊强度 中南大学硕士学位 a b s t r a ct t or e a l i z ea n do p t i m i z ea 1 c ub r a z i n gw e l d i n g ，a n dt or e s o l v es o m e p r o b l e m so fa 1 c uc o n n e c t i o ni na i r - c o n d i c t i o n i n g a n dr e f r i g e r a t i o n i n d u s t r i e s ，e t c ，e f f e c t so fa l l o yc o m p o s i t i o na n ds o l d e r i n gp r o c e s s o n p r o p e r t i e so fz n - a 1s o d e ra n ds t r e n g t ho fa 1 c ub r a z i n gj o i n t w e r e s t u d i e db ym e a n so ft e n s i o nt e s t ，d s c ，s e ma n de d s ，e t c ，i nt h i sp a p e r a 1 c ub r a z i n gj o i n tw i t hh i g hs t r e n g t hw a sm a d eb yo p t i m i z a t i o no f c o m p o s i t i o no fs o d e ra l l o ya n db r a z i n gp r o c e s s t h er e s u l t ss h o w ： 1 b yi n c r e a s i n ga 1c o n t e n ti nz n - a 1s o l d e ra l l o y , s t r e n g t ho fa 1 c u b r a z i n gj i o n t c o u l db e i m p r o v e d ，a n dw h e nt h ea 1c o n t e n ti s a b o u t lo w t ，b r a z i n g s t r e n g t h o ft h e j o i n tr e a c h e s t ot h em a x i m u m v a l u e a d d i n gc ue l e m e n tt oz n 一10 a 1s o l d e rc o u l di n c r e a s et h ej i o n t s t r e n g t hf u r t h e r , a n dw h e nt h ea d d i t i o no fc ui sa b o u t7 w t ，t h ej o i n t s t r e n g t hr e a c h e st ot h em a x i m a lv a l u e - 5 3 8 m p a t h eb r a z i n gs t r e n g t hh a s l i t t l ec h a n g ew h e na d d i n gs io rn ie l e m e n t st ot h ez n 一10 a 1s o l d e r 2 m e na 1c o n t e n ti nz n a 1s o l d e ri sr e l a t i v e l yl o w , m i c r o s t r u c t u r eo f i n t e r f a c eb yc us i d ei nw e l d i n gi sl a y e rs h a p e ，a n di nc us u b s t r a t et h e r ei s t r a n s i t i o nm i c r o s t r u c t u r e l a y e r a s a ic o n t e n to ft h es o l d e r a l l o y i n c r e a s e s ，t h ei n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r et r a n s f o r m s t os t i c k s h a p e i n c r e a s i n gt h e a 1c o n t e n tf u r t h e r , t h et r a n s i t i o nm i c r o s t r u c t u r e l a y e r n a r r o w f o rz n - a 1 - c u s o l d r w h e n c uc o n t e n tr e a c h e st o 7 w t ，s t i c k - s h a p em i c r o s t r u c t u r ei st h i n n e r ，a n dd on o ta t t a c ht ot h ec u s u b s t r a t ea n ym o r e t h u st h ec o p p e ri n t e r f a c eb e c o m e st o u g h e r , b r e a k h a p p e n si nt h es o l d e rl a y e r i n c r e a s i n gc uc o n t e n tf u r t h e r , t h ei n t e r f a c e m i c r o s t r u c t u r eb e c o m el a y e rs h a p ea g a i n a d d i n gs io rn ie l e m e n t st o z n 10 a ls o l d e rh a sl i t t l ei n f l u e n c et oi n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r e 3 t h es p r e a d - a b i l t yo fz n a 1s o l d e ro na l u m i n u ma n dc o p p e rp l a t e s a r ei m p r o v e da st h ea 1c o n t e n ti nz n a 1s o l d e ri n c r e a s e s a d d i n gc u e l e m e n tt oz n - 10 a 1s o l d e r , s p r e a d - - a b i l t yo na l l u m n i u mp l a t ei m p r o v e s w h i l eo n c o p p e rr e d u c e s a d d i n g s ie l e m e n td on o tc h a n g et h e s p r e a d a b i l i t yo fz n - 10 a 1s o l d e ro b v i o u s l y 4 a 1 c uj i o n t sb r a z e db yz n - 1o a l a n dz n 一9 3 a 1 - 7 c uh a v eb e t t e r a n t i - c o r r o s i v ep r o p e r t yt h a nj o i n t sb r a z e db ys n - b a s e ds o l d e ra n dz n s n s o l d e r 中南大学硕十学位 a b s t r a c t 5 z n - a ls o l d e rh a v ea s t r o n g c o r r o s i o ne f f e c tw i t ha l u m i n u m s u b s t r a t e b e c a u s eo ft h i se f f e c t b r a z i n ga 1 c ui nf u r n a c ec a nn o to b t a i n j o i n t sw i t hg o o dq u a l i t y u s i n gh i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n g ，s p e e d y p a r th e a t i n ga n dk e e p i n gab i gl a pg a p ，b e t t e ri n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r ea n d h i g h e rb r a z i n gs t r e n g t hc o u l db eo b t a i n e d 6 b r a z i n ga 1 c ut u b e su s e di nr e f r i g e r a t i o ni n d u s t r yw i t hf a b r i c a t e d z n a ls o l d e r , s a t i s f a c t o r yi o i n t sc a nb eo b t a i n e d k e yw o r d sa 1 c u b r a z i n g ，z n a 1s o l d e r , c o m p o s i t i o n o p t i m i z a t i o n ，i n t e r t a c em i c r o s t m c t u r e ，b r a z i n gs t r e n g t h 一 ， 一一 i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另l j j j n 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：童l 圭狃日期：三竺l 年月旦日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 醐：哿啦耻日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 铝代铜和铝铜连接 在自然界中，铜的导电性和导热性仅次于银，居第二位，铜与人的亲和性仅 次于钛，因此，铜在电的传输、热量交换和生活日用品领域获得了广泛的应用。 然而，随着铜的资源性短缺，近年来铜价一直居高不下，而且据预测，其价 格还会持续攀升，其产量的增加也会放缓。这促使科技工作者开始寻找铜替代品 以降低生产成本。在很多领域，铝是代替铜的首选材料。这是因为铝价格相对便 宜且具有优良的导电、导热、耐蚀和加工性能，在很多原来使用铜的场合完全能 满足使用性能的需要，而其成本又大大降低【l 】。目前，铜市场价格在3 6 0 0 0 元 吨左右，电解铝价格在1 4 0 0 0 元吨左右，即铜价是铝价的近2 6 倍。从铜和铝在 地壳中的储存量来看，铜在地壳中的含量为0 0 1 ，铝的含量高达8 ；从国内 外铜铝的年产量和产量增长率来看，铝产量高速增长( 2 0 0 7 年，中国产量增长 率3 6 ) ，而铜产量的增长较缓慢( 2 0 0 7 年，中国产量增长率1 6 ) 。从发展 趋势来看，铜和铝的价格比将日益扩大( 见图1 1 ) 。在不考虑力学性能和电热 性能的条件下，单从材料成本上分析，相同的铜质构件换成铝质后，重量只有原 来的3 0 ，加上价格因素后，铝制构件材料成本是铜质构件的1 2 。这将大大 降低造价，提高厂商的利润空间。例如，在一台5 匹家庭中央空调外机中，铜占 的成本比例是1 9 8 3 ，一拖一的产品能占到3 0 ，使用铜材料的总费用是11 0 0 元；如果用铝代替其中的发卡管和管路，预计可降低成本4 1 5 元，使整机成本降 幅高达7 5 ；据统计，以铝管部分代替铜管技术，每年可为海尔冰箱降低成本 1 6 亿元。除降低成本，铝代铜的意义还在于缓解铜资源尤其是我国铜资源的紧 张状况。我国是全球铜资源消费第一大国，消费量占世界的2 0 ，但我国人均铜 矿储量不及世界平均水平的1 2 ，且品味差，铜矿后备储量严重不足，面临十分 严峻的短缺形势。综上所述，以铝代铜的研究和应用有着广泛的前景和深远的意 义幻。 由于铝在某些方面性能比不上铜，在许多结构中铝质构件仍不能全面替代铜 质构件，例如，冰箱中的节流装置( 毛细管) 、干燥过滤器、压缩机的外接管等 必须用铜制造；在炭素行业和铝行业，重量达到一二百吨的大直流加热功率的传 输大多采用铝排而不用价格重量比大的铜排，以降低成本( 铝排与铜排的造价比 约为2 ：5 ) ，而供电装置和用电装置部位则因空间限制一般为铜排。在铜构件和 铝构件之间就产生了铝铜接头。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 鲥湖 ； 图1 - 120 0 0 年至20 0 8 年铜铝价格走势 ( 数据来源于上海期货交易所网站) 展望前景，铝铜接头将在电力、电子、电器、制冷、能源、化工、国防等广 泛领域得到越来越广泛的应用。有统计数据显永3 1 ，铝铜异种金属接头在2 1 世纪 的应用，将占到常用异种金属接头组合形式的5 8 。目前，要获得高性能、低 成本，同时制造方便的铝铜接头在技术上还有难度。 1 1 2 铝铜连接的现状 在制冷行业中，仅要求铝铜管接头的密封性的情况下，可采用密封液或密封 胶连接铝铜，即洛克环密封和热熔胶密封。洛克环密封可以在冰箱总装线上连接 铝铜管，其接头质量不如焊接接头，成本也较高 4 】。 连接铝铜的焊接方法，在熔化焊、压力焊和钎焊领域均有研究。目前，效果 较好、应用最广的是压力焊方法。 1 熔化焊 熔化焊是利用局部加热的方法将连接处的金属加热至熔化状态而完成连接 的焊接方法。在加热条件下，增强了金属原子的动能，促进原子间的相互扩散， 当被焊接金属加热至熔化状态形成液态熔池时，原子之间可以充分扩散和紧密接 触，因此冷却凝固后，即可形成牢固的焊接接头。按加热方式的不同，熔化焊可 分为很多种。在铝铜焊接中研究较多的是t i g 焊( 钨极氩弧焊) 、m i g 焊( 熔化 极气体保护焊) 、电子束焊、激光焊。 熔化焊方法在铝铜焊接中存在很大的困难【5 】，因为异种金属熔化焊时，接头 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的力学性能主要取决于熔化的焊缝金属，其次才是热影响区。铝铜熔化焊时，当 焊缝中铜的质量分数超过3 3 时，会形成a 相6 相的低熔共晶，随着铜质量分数 的增大，相分界反应的速度下降，润湿恶化，接头处形成一系列硬脆的化合物。 这些化合物的强度都在1 5 m p a 以下，力学性能较差。实际熔焊过程中，接头中c u 的质量分数一般都在3 0 左右，不可避免地产生金属间化合物。接头的静载荷强 度随金属间化合物的增加而下降，特别是金属间化合物层处于致密状时尤为严 重。而且，就其工艺而言，铝和铜的熔化温度相差较大，往往铝熔化了而铜还处 于固态，易形成未熔合和夹杂，焊接难度较大。铝和铜在弧焊过程中强烈氧化， 氧化膜中含有一定量的吸附水和结晶水，容易产生气孔，必须采取特殊措施防止 氧化膜的产生。铝和铜的导热系数和热容量大，施焊时必须使用大功率的电源和 大的线能量，有时还需要焊前预热。铝的热膨胀系数大，而弹性系数小，焊后变 形就较大，要求使用热量集中的电源。热处理强化合金焊接后强度下降，需重新 进行焊后处理。 t i g 焊采用心气保护，使熔池不受大气污染，焊接质量较好。阴极雾化作用 可有效去除铝铜表面的氧化膜。其缺点是不能使用直流电源，焊接过程稳定性较 差；5 0 h z 交流电每秒有1 0 0 次过零点而改变方向，电离电位高的心中易断弧；钨 极和铝件电子热发射能力相差悬殊，两半区的电弧电压和加热功率不对称，产生 了直流分量；焊接范围较小，生产效率低。门会涮6 】采用t i g 技术焊接了电力用 黄铜板和铝卡，其接头可满足使用要求。 m i g 焊使用焊丝使其焊接加热功率大大提高，热量集中，加热功率密度较大。 同时电弧集中形成的高速运动熔滴和等离子强力冲击加大了熔深，从而大大提高 了焊接效率，减小了焊接变形。在心中加入h e 可以有效去除由析氢引起的气孔。 t i g 焊和m i g 焊都要使热集中在c u 一侧，为了改善焊接性能需要在c u 一侧预 镀隔离层。 前苏联的里亚博夫f 7 】采用铜侧开坡口、自动埋弧焊以及非熔化极氩弧焊的方 法实现铜铝对接焊，但焊缝强度和塑性较低。采用预先在铜表面镀覆合金( a g 、 z n 、s n 、n i 等金属) 的办法获得了具有一定力学性能的焊接接头。镀锌时，镀层 厚度约6 0 i im ，铜侧开坡e 1 7 5 。，得到了较好效果。镀层的应用减少了金属间夹 层的厚度，从而改善了焊接接头性能。但由于镀层金属价格较高，且镀覆合金工 艺增加制造成本，使得这一方法的应用受到限制。 电子束焊和激光焊的优点是能量特别集中，能量密度特别高，焊缝熔深大、 熔宽小，比较适合于铝铜焊接。缺点是接头强度低，由于产生金属间化合物，强 度远低于母材。 新加坡制造技术研究所的t a m a i 与a c s p o w a g e 采用激光焊对c u 与 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 a 1 4 0 4 7 的焊接研究 8 】表明：c u a 1 接头熔合区的显微硬度明显偏高，表明熔合区 主要为脆性金属间化合物组成。激光焊能严格控制能量输入、焊接热影响区小， 并且具有冷却凝固速度大的优点，能减少脆性金属间化合物的生成。然而，激光 焊接过程中大的温度梯度，易形成较高的残余应力，影响接头的力学性能。 一般认为，以熔化焊目前的技术水平，难以获得高质量的铝铜接头。 2 压力焊 目前应用较成功的铝铜连接方法是压力焊，包括摩擦焊、冷压焊、爆炸焊、 电阻焊、扩散焊、热压焊和磁脉冲焊等，其中效果最好的是摩擦焊、冷压焊、爆 炸焊和电阻焊。 摩擦焊的原理是在材料的塑性变形与流动的基础上，通过界面上的扩散与再 结晶冶金反应实现工件的连接。传统摩擦焊通过压力和工件之间的相对转动，实 现摩擦生热，使摩擦界面及其附近温度升高，在适当时机迅速顶锻，完成焊接； 搅拌摩擦焊是靠搅拌头和待焊件之间的相对摩擦运动产生热量实现焊接。摩擦焊 质量稳定，生产效率高，易于实现机械化和自动化【9 】。 w o n b a ol e e 等人【l o 】采用传统摩擦焊方法实现了纯铜与1 0 5 0 铝合金的焊接， 并进一步分析了退火后处理条件下，接头中铜铝金属间化合物的生长规律对力学 性能的影响。研究发现，抗拉强度因金属间化合物的增长而降低，断裂位置也从 a 1 侧热影响区变为整个金属间化合物层。 1 9 8 4 年，冶金部建筑研究总院与北京顺义制冷设备配件厂【u l 采用摩擦焊方法 焊接8 m m l m m 的铜铝管，并通过技术鉴定。 目前，在电力行业，常用摩擦焊方法制备铝铜接线端子，在冰箱制冷行业也 常用摩擦焊制备冷凝管用铝铜接头。 传统摩擦焊机基本上是通过旋转工件、摩擦加热的方法施焊，因而要求工件 是圆截面的，否则施焊困难：盘状工件及薄壁管件，由于不易夹持也很难施焊。 焊前铜件要退火。不能焊接太长的、固定的或质量大的母材。其焊接接口部位韧 性较低，摩擦热影响的部位扭转压缩产生凸起，母材的纤维组织凸起的方向与受 载方向平行，致使承载能力下降1 1 2 1 。 o u y a n gj i a h u 等人【1 3 】采用搅拌摩擦焊制备了铜与6 0 6 1 铝合金对接接头。研 究表明：焊后接头的机械混合区主要由c u a l 2 ，c u a l 和c u 9 a 1 4 组成。该区域的显 微硬度变化范围为1 3 6 7 6 0h v 。这说明，由于铝铜直接的界面接触导致铜铝脆性 化合物生成，直接的搅拌摩擦焊焊接铜铝有一定困难。 冷压焊是在常温下只靠外加压力使金属产生强烈塑性变形而形成接头，因而 对于铜铝焊接，由于焊接时接头的温度低，不存在大量界面原子的相对扩散，接 头中将不会产生大量的铝铜脆性化合物【1 4 j 。m a b b a s i 等人【1 5 】采用冷轧焊( 一种 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 冷压焊方法) 实现了c u a i c u _ 三层板的焊接，并将焊后接头中的金属间化合物宽 度与同条件下的c u a 1 摩擦焊进行比较。研究表明：冷轧焊条件下金属间化合物 的生长低于摩擦焊条件下金属问化合物的生长。因此冷轧焊在c u a 1 复合板材料 的生产时，具有很大的优越性。前苏联研究人员曾于1 9 7 2 年介绍过铝铜管冷压焊 技术 1 6 1 。 ， 冷压焊对工件要求较高：冷压焊要求母材表面要绝对清洁；由于铜的氧化膜 塑性比较好、不易破裂，阻碍了焊接的进行，焊前需在其表面镀脆性大的镍层， 加压时镍层破裂带动铜氧化膜的破裂；要求对对接部位进行精确加工使轴心与表 面精确垂直。冷压焊不能加工过细的线材，难加工薄壁管材，且由于顶锻压力大 ( 必须大于母材的屈服强度) ，也不能加工直径太大的棒材【1 7 l 。有人采用冷压后 加压扩散再热压的方法，降低了顶锻的压力，却导致焊缝中产生质量分数高达 5 6 4 的c u a l 2 脆性相【1 8 】。冷压焊的生产率很低。 爆炸焊可以看作作用时间非常短的一种冷压焊，作用于被焊零件的压力是由 爆炸物爆炸形成的冲击波产生的。由于压力的作用，两零件的接触部位形成永久 连接，异种金属焊接时金属间化合物较少，接头强度高。 爆炸焊是目前国外冰箱制冷系统铝铜管常用的连接方、法【4 】。1 9 8 4 年，电冰箱 用铝铜管的爆炸焊技术通过湖南省冶金厅和机械厅的鉴定【1 9 1 。 爆炸焊的问题是：一般只用于平面或柱面结构的焊接，复杂形状的构件受到 限制；基板不宜太薄，否则需附加支托，从而增加成本；管状焊件容易变形，连 接管的内外都要进行加工修整：工艺参数如炸药用量、被焊板的间隙和角度、缓 冲材料的种类和厚度、布药和起爆位置等较难选择，工艺上的偏差对实际焊接效 果影响很大；大多在野外露天作业、工况差；爆炸时影响环境，若在真空、水下、 沙下施工则增加成本【2 们。爆炸焊的生产率很低，用于生产冰箱用铝铜管，1 名工 人1 班只能生产4 0 0 支【2 l j 。 电阻焊方法则是将焊件组合后，通过电极施加压力，利用加热功率通过接接 头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法，又称“接触焊”。 赵越等【2 2 】研究了壁厚为0 5 1 2 5 m m 的铜铝管电阻对焊工艺，宣布获得了无 铜铝共晶组织的焊接接头。据报道，赵越等人用电阻对焊法制备的制冷系统用铝 铜组合管路，已经在制冷行业生产使用【2 3 1 。 ， 闪光焊和储能焊是较特殊的电阻焊方法。闪光悍是将焊件装配成对接接头。 接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热接触点产生闪光， 使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力 完成焊接的方法1 2 4 。电容储能焊是利用电容贮存电能，然后迅速释放进行加热完 成点焊的方法。与常规电阻焊相比，储能焊和闪光焊电阻焊不同( 见1 2 ) 的是， 5 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 电阻焊先接触后通电， 用电容放电。 蝴疆 襁 闪光焊先通电后接触；电阻焊采用常规电源，而储能焊采 图卜2 铝铜管的电阻对焊( 左) 和电容储能对焊( 右) 示意图 前苏联的全苏电焊设备研究所，在1 9 5 7 年研制出m c k h 型铜铝闪光焊机，采 用气动溶压顶锻装置，以“铝包铜 的接头形式，焊接0 1 0 3 0 m m 的m 1 纯铜管 和a h 1 铝管【2 4 1 。经拉伸、弯曲、冲击和扭转实验证实，焊接接头在远离接头的 铝管处破裂。郭顺祥f 2 5 介绍了蒸发器用铝铜管接头的直流闪光焊。朱燕萍等人 2 6 】 采用直流闪光焊制备了冰箱用铝铜管接头，获得了气密性良好的接头，同时通过 组织分析，证明该方法能够避免铝铜脆性化合物的产生。 李培森等人【2 7 】研制出p w 1 型储能焊机。徐道荣等采用简易电容储能焊焊接 冰箱用铝铜管接头。目前，储能焊是冰箱用铝铜管接头常用的制备方法之一【4 】。 电阻焊的优点在于机械化、自动化程度高，先进的焊接设备配有计算机控制， 焊接质量波动小，生产率高。与摩擦焊相比，电阻焊对工件的形状要求较低，可 以焊接直径0 0 1 m m 的金属丝。 电阻焊问题是设备功率大，机械化、自动化程度高，使设备成本较高、维修 较困难，并且常用的大功率单相交流焊机不利于电网的平衡运行。由于热源是利 用电阻热，因此要求电源电压波动小，任何电压波动都会造成热量的波动，使焊 接质量发生波动，甚至焊接失败。电阻焊对两待焊工件端面形状要求高，焊前准 备工作繁琐。另外，在铜铝电阻焊中由于不加填充金属，而是铝铜直接焊接，因 而实际上难以完全避免铜铝脆性化合物对接头强度和疲劳性能的影响。 热压焊是一种利用加热和加压力使待焊工件压焊在一起的方法。其原理是通 过加热和加压力，使焊区发生塑性形变同时破坏压焊界面上的氧化层，从而使原 子间产生吸引力，达到“键合”的目的。热压焊用于较大截面的铝铜零件对接。铝 铜零件焊前不要求清洁，但要将圆截面修成3 0 。至5 0 。的尖锥状。在对开的模中 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 预热至5 6 0 c ，然后将铜压入铝件中形成铝铜共晶，在压力的作用下把共晶挤出 而达到结合。由于压力和温度的作用，接头中形成a 1 c u 机械混合带，含有较多 的c u a l 、c u a l 2 和c u g a h 等脆性化合物，影响接头性能。在铝铜焊接中，热压 焊不如冷压焊应用广泛。 磁脉冲焊是利用感应加热和电磁加压使被焊零件相对运动并彼此碰撞而连 接在一起的焊接方法。其优点是加热温度不高，不会影响金属的组织与性能；可 以焊接不同尺寸的零件；由于焊接引起的壁厚减薄不大，焊接效率较高。缺点是 零件要有较高强度并能承受焊接过程中的高压力。前苏联研究人员【2 8 】于1 9 8 5 年介 绍了铝铜管的磁脉冲焊接技术。 扩散焊方法被研究应用于铝铜钎焊 2 9 1 。山东大学的李亚江课题组【3 0 】采用真 空扩散焊工艺方法，或得了性能较高的铝铜接头。其实验证明，在接头铜侧过渡 区中产生金属间化合物，出现显微硬度高峰区，控n a i 的扩散浓度可避免或减少 界面处金属间化合物的产生。北京航空航天大学孟胶东等人【3 1 也采用真空扩散焊 方法对纯铜与铝及铝合金的焊接进行了研究。其实验表明：在合适的工艺参数下， 接头区形成良好的扩散连接，有脆性相c u 3 a 1 、c u a l 生成，表面镀n i 时能明显减 少金属间化合物的生成。 钎焊法是目前铝铜连接研究的热点之一。其原理是将焊件母材和比母材熔化 温度低的钎料( 填充金属) 加热到高于钎料熔化温度，但低于母材熔化温度的温 度，利用液相钎料润湿母材、填充接头间隙，并与母材相互扩散和发生冶金反应， 而实现连接。由于钎焊反应只在母材数微米至数十微米以下界面进行，一般不牵 涉母材深层的结构，因此特别有利于异种金属之间的连接【3 2 1 。 钎焊时，可以使用钎剂( 助焊剂) ，也可以不使用钎剂，通 疋- l a l c u 接触反 应或钎料与铝和铜之间的接触反应实现连接。不使用钎剂的钎焊需在真空或保护 气氛中进行，应用受到限制。使用钎剂的钎焊，其焊接效果和工艺性能，受制于 钎剂和钎料的性能，目前还没有很好的解决办法，但这种方法也有很多优点：首 先，设备简单，固定投资少( 与摩擦焊和冷压焊比较，钎焊设备投资仅为其 1 5 0 1 1 0 e 2 1 ) ；其次工艺简单、施工方便，可现场施工和在流水线上生产( 其 它焊接方法只能预制接头，其弊端还可能包括铝铝和铜铜接头的增加【4 】) ；再 次，钎焊对各种复杂形状的构件和焊缝均有较强的适应性；最后，通过优化钎料 和钎剂，就能持续改进钎焊性能，因而有较大的发展潜力。 综上所述，对于铝铜连接而言，熔化焊方法从根本上存在很大缺陷，难以有 所作为；压力焊方法能够生产质量较优的接头，是目前应用最广的方法，但由于 成本高、对复杂工件的适应性差、不具备在线生产的能力，其应用受到限制；钎 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 焊方法成本低、适应性好、可在线生产，是较有发展前景的铝铜连接技术；铝铜 钎焊技术仍不成熟，钎剂和钎料均有待改进。 1 2 钎焊 1 2 1 钎焊的应用历史 钎焊是现代焊接技术的三大主要组成部分( 熔焊、压焊和钎焊) 之一。钎焊 是人类最早使用的材料连接方法之一。在人类历史上，当人类尚未开发使用铁器 时，就已经发明用钎焊来连接金属。在埃及出土的古文物中，就有用银铜钎料钎 焊的管子，用金钎料连接的护符盒，据考证分别是5 0 0 0 年和近4 0 0 0 年前的物品。 公元7 9 年被火山爆发埋没的庞贝城的废墟中，残存着由钎焊连接的家用铅制水 管的遗迹，使用的钎料具有s n p b = l ：2 的成分比，类似现代使用的钎料成分。 我国在公元前5 世纪的战国时期也已经使用锡铅合金做钎料。1 6 3 7 年出版的明 代科技巨著天工开物中已有“中华小焊用白铜末”的记载，说明当时已掌握用 铜合金作钎料来钎焊金属的技术。 但是，在很长的历史时期中，钎焊技术没有得到大的发展。进入2 0 世纪后， 它的发展也远远落后于熔焊技术。3 0 年代以来，在冶金和化工技术发展的基础 上，钎焊技术才有了较快的发展。从作坊匠人的技艺成长为工业生产技术。尤其 是二次世界大战后，由于航空、航天、核能。电子等新技术的飞速发扎，新材料、 新结构形式的采用，对连接技术提出了更高的要求，钎焊技术因此受到更大的重 视，开始以前所未有的速度发展起来，出现了很多新的钎焊方法，钎料品种日益 增多，因此，钎焊的应用范围日益扩大。例如：钎焊已广泛用于制汽车、拖拉机 的水箱；各种用途的不同材料、不同结构形式的换热器；电机部件以及汽轮机的 叶片和拉筋的连接等。在轻工业生产中，从医疗器械、乐器到家用电器、炊具、 自行车，都大量采用了钎焊技术。对于电子工业和仪表制造业，在很大范围内钎 焊是唯一可行的连接方法；而在布线连接中必须防止加热对元器件的损害，这些 都有赖于钎焊技术。至于在航空、航天和核能工业等尖端技术部门，钎焊技术发 挥了更大的作用r 3 3 】。 1 2 2 钎焊原理 钎焊是采用比焊件母材熔化温度低的钎料( 填充金属) ，将其与母材加热至 高于钎料液相线而低于母材固相线的温度，通过液态钎料在母材的间隙中或表面 上的润湿、毛细流动、填充、铺展、与母材相互作用( 溶解、扩散或产生金属间 化合物) 、冷却凝固形成牢固的接头，从而将母材连接在一起的焊接方法。钎焊 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 接头的形成包括两个过程：一是钎料填满全部接头间隙，简称填隙过程；二是钎 料与母材之间的相互作用。 i 填隙过程 要使熔化的钎料能很好地流入接头间隙，就必须具备一定的条件，而润湿性 和毛细作用就是填隙的最基本条件。 ( 1 ) 润湿性 是指钎焊时液态钎料对母材浸润和附着的能力，它反应了液态钎料是否能够 和固态焊件金属表面很好接触的性质，当一滴液体在固体表面上，如果不存在物 理的互溶、渗透及任何化学反应，该液滴可能呈现球状，像水珠在荷叶上一样滚 来滚去，这种情况说明它对固体表面润湿性差，或不润湿。若浚液滴在固体表面 上呈椭球状( 见图卜3 ) ，说明该液体对固体表面有润湿性。图1 - 1 中0 角称润湿 角，6 “、6 ”分别表示固- 气、液- 气、液- 固界面间的界面张力。当液滴铺展 停止时在。点处三力平衡，即= + 屯c o s o c o s o = 牺w 一6 l 、 6 e 角表示润湿的程度，它的大小与各界面张力的数值有关。8 = 0 。表示崮液完 全润湿：1 8 0 。视为完全不润湿( 这时液滴呈球状) 。 钎焊时，希望钎料的润湿角小于2 0 。 图1 - 3 液滴在固体表面的润湿 从公式看出液态钎料对母材金属的润湿性取决于具体条件下三相间的相互 作用。只要使得5 增大、6 h 或6 y 或小，都能使c o s o 增大，o 角减小即能改善液 态钎料对母材的润湿性。 实践证明下列因素影响钎料对母材金属润湿产生影响： 1 ) 钎料和母材的成分一般钎料和母材在液态和固态均不发生物理和化学作 用，则它们之间的润湿性很差：若钎料和母材之间相互溶解或形成化台物，则液 态钎料能很好地涧湿母材金属，例如银对铁润湿性差，但对铜润湿性很好。 2 ) 温度随着温度升高，液体的表面张力降低，有助于提高钎料的润湿性。 中南大学硕十学位论文第一章绪论 这和钎料因温度升高本身的表面张力减小，以及液态钎料与母材界面张力降低有 关。温度不宜过高，因润湿性太好，又会发生流散等不良现象。 3 ) 金属表面氧化物母材表面存在氧化物( 膜) ，由于氧化物的表面张力比 母材金属的表面张力低得多，造成8 9 q l 号罕一 泮 z 二j 图卜4 舒料与母材的基本相关系 f 钎料b 母材t b - 钎焊温度 如果钎焊加热时间更长，钎缝的组成将沿l a _ s b 移动，这时母材b 的溶解已 经停止，焊缝的结构表现为钎料向母材的晶问渗透，母材的晶粒之间充斥着共晶 组织，加热时间愈长，共晶组织渗透的范围愈大，共晶渐呈清晰的线条勾画出母 材的晶界。在此范围之内的晶粒不会是纯b 的晶粒而是组成为s n 的固溶体，比纯 b 晶粒的硬度大得多。第三种情况c ，钎料与母材作用生成固液同分化合物c 化 合物c 的熔化温度经常高于钎焊温度t b 。这就使母材与钎料的反应界面上包裹上 一层化合物。由于化合物相当稳定，一旦生成往往不易迅速扩散均化。固液同分 化合物经常具有独立的晶格，具有通常无机化合物的某些属性，即比较稳定，不 易分解性脆，电导率和热导率都比较低等。这种情况对焊接接头不利。 第四种情况d ，钎料与母材间生成固液异分化合物d ：1 + b k d 。在钎焊温度下， d 不可能是平衡的，亦即钎缝中会同时存在1 ，d 和b + 多相，在t b 温度下还会有f 存在。这其中d 相，在钎焊快速反应的条件下，往往在母材界面上呈笋状，十长， 嵌入钎料层。这种笋状嵌入式结构与层状的固液同分化合物结构不同，在某种程 度上有利于钎焊接头的牢固性。液态s n 与c u 在低于4 1 5 反应时就是这种情况。 所以，液态钎料在焊缝中经过铺展、流动和焊后冷却凝固，一般会与母材形 成亚共晶焊缝组织、晶间渗透组织或( 和) 有化合物生成的焊缝组织。 亚共晶组织：共晶钎料熔化进如焊缝时，母材即向液态钎料中溶解，随着钎 料相钎缝流动，和母材同组元的成分增多，即逐渐呈亚共晶成分。在冷凝时，被 中南大学硕+ 学位论文第一章绪论 态钎料中的过剩相( 与母材同组分) 即沿着母材的某些晶粒为晶核结晶长大。作 为晶核的晶面往往是晶面原子密排的那些晶面，因此其生长速度最快。与此同时 又抑制了那些原子排列较稀疏的晶面的生长，这就常使焊缝靠母材的一侧呈峰峦 状。在冷却速度较快时，过剩相不能完全沿着以母材晶粒为晶核析出，而会在尚 未凝固的钎料中间以云朵状初晶的形式析出，形成典型的亚共晶焊缝组织。无论 沿着母材或者在熔态钎料中析出的过剩相( 初晶) 都因或多或少溶入了与母材非 同种的第二组元而形成固溶体。当钎料中与母材非同种的第二组元与母材金属的 固溶不太大时，第二组元渗入母材形成固溶体的深度较浅，如果固溶度大则有可 能形成纵深较深的固溶体层。 晶间渗透组织：钎料中与母材不同的第二组元和母材无论液态和固态都有较 大的互溶度时，最易产生晶间渗透。这时候液态钎料与固态母材的界面能比母材 多晶体晶界的界面能小，因而最易渗入晶界。最典型的例子是z n 和a l 的晶间渗透。 z n 不仅渗入铝的晶界，同时又由于与a l 的固溶度也很大而渗入铝的晶粒形成并不 均匀的固溶体。类似的例子在用c u 8 p 钎料钎焊铜，n i 3 b e 钎料钎焊镍，用a g 钎 焊铜，用a 1 s i 钎料钎焊铝是都能看到。 有化合物生成的焊缝组织：钎料中一个组元如果含量较大又能和母材生成金 属间化合物，则在焊缝中会出现这些化合物的特征。如果这些金属间化合物是固 液异分的，这些化合物在钎焊条件下( 作用时间不过数十秒) 常常会呈笋状生长。 在用纯锡或含s n 量较高的锡合金钎焊银、铁、钴、镍等时均可看到这种生长方式。 但是在温度较低，反应时间较长的情况下，则化合物往往又会呈扇状的生长方式。 钎料中一个主要成分与母材生成固液同分化合物时，化合物往往以层状或连 片地生长。固液同分化合物往往具有独立和完整的晶格，有盐的某些通性，如性 脆、导电性、导热性较差等，特别在钎焊时常形成层状或连片结构，这就使得在 选择钎料上需要特别注意避免生成这类化合物。在固液异分化合物存在时情况则 有很大不同，因为这种化合物生成时是由一个固相组元( 母材) 与液相( 钎料) 反应生成的，在钎焊往往只有十数秒的时间内，生成的化合物都不是纯相，这就 减少了其作为纯化合物的属性。此外，这种化合物生成时或多或少以笋状方式生 长。 1 2 3 钎料的选择 选择钎料时应考虑以下几条【3 2 】： 1 )尽量选择与母材主成分相同的钎料； 2 )钎料的液相线要低于母材固相线至少4 0 , - - , 5 0 c ； 3 )钎料的熔化区间要窄，即该钎料组成的固相线与液相线之温度差要 1 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 尽可能的小，否则将引起工艺上的困难。温度差过大还易引起溶蚀； 4 )钎料中的某一重要组元应能与母材产生液态互溶，固溶或固液异分 化合物的相互作用，从而能够形成牢固的结合。一般情况下，避免选择钎料中某 一重要组元与母材形成固液同成分化合物的钎料； 5 )钎料的主要成分与母材的主成分在元素周期表中的位置应当尽量靠 近，这样的钎料引起的电化学腐蚀较小，也即接头的抗腐蚀性好； 6 )在钎焊的温度下，钎料的主要成分应具有较高的化学稳定性，即具 有较低的蒸气和低的氧化性，以免钎焊过程中钎料成分发生改变； 7 )钎料最好具有良好的成形加工性能，以便能制成丝、棒、片、箔、 粉等型材。 然而，只有少数情况下，上述要求才能在一种钎料上得到完全满足，例如用 触s i 共晶钎料钎焊铝母材。多数情况则不能全面做到，因为元素的熔点、性能、 周期表上的位置以及和其它元素的相关系都是固定的，无法改变。只有就可能的 搭配进行选择。对于异种金属的钎焊，显然，钎料与母材主成分相同的要求无法 满足。对于铝铜钎焊，常选择锡合金、锌合金和铝合金作钎料，因为锡合金即能 用于铝铝钎焊，也能用于铜铜钎焊，与铜基体和铝基体都有一定的结合强度， 焊接温度低，接头导电性优良，其缺点是接头抗腐蚀性较差，且焊接时使用腐蚀 性且易吸潮的钎剂，若清洗不净，将加快接头的腐蚀，该钎剂在焊接时放出气体， 因而还会在焊缝中产生气孔：锌合金中，z n 与砧、与q l 之间均有较大互溶度， 而且z n 和a l 的电极电位相近，接头的抗腐蚀性能较好【2 7 】，且焊接时配合中温无 腐蚀性钎剂使用，该钎剂不会导致接头腐蚀加剧，焊接时也不放出气体；铝铜钎 焊用铝合金主要是铝硅共晶合金，该合金是铝铝钎焊最常用的材料，有时也用 于铝铜钎焊，使用该钎料钎焊铝铜时因接头中大量的铝铜金属间化合物的生成， 其钎焊强度较低，且由于其焊接高温较高，操作时易导致铝母材过烧。 1 2 4 钎焊工序和加热方法 钎焊工序【3