（材料加工工程专业论文）铝铜异质材料钎焊用新型锌基复合钎料的研制.pdf

兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：王三繁九日期：21 0 年月1 9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。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。 作者签名：王三袭庇 导师签名： e l 期：h l o 年 日期：如i 。年 6 月 ld 日 月lo 日 硕十研究生学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 铝及其合金是有色金属中应用最广泛的结构材料，其产品数量仅次于钢铁而 占第二位。从铝的电解还原技术开发成功之时，铝及其合金对工业发展起着重要 作用。以后的几十年内，随着航空业问世，这新工业将伴随铝的发展而成长。 结构可靠、强度高、耐断裂的铝及其合金用来做飞机机身和发动机部件，甚至用 于导弹弹体、燃料箱和卫星的组件。此外，铝及其合金之所以在上世纪得到广泛 应用，与其自身的物理化学性能有不可分割的关系。 二十一世纪的到来，铝的诸多优点必然使其随着人类工业文明的发展越来越 广泛应用于航空航天、交通运输、电气、造船、化工等各个工业领域，特别是在 航空航天领域，构件要求轻质量、高刚度，以适用高温、高压、耐腐蚀、抗疲劳 等恶劣的工况条件，因此铝合金成为航空航天飞行器中的重要结构材料。在当今 和未来的飞行器设计中，铝合金将继续是主要的结构材料之一【2 j 。 在自然界中，铜的导电性和导热性仅次于银而居第二位，铜与人的亲和 性仅次于钛。正因如此，铜在电的传输、热量交换和生活用品领域获得了广 泛的应用。但是，铜是人类最早开发利用的金属，铜的过早、过度开发应用 造成了铜的资源性短缺。 铜的资源性短缺和近几年铜价的居高不下，促使科枝工作者寻求铜的替 代品。在已经发现的金属中，铝的导电性和导热性仅次于银、铜、金，而居 第四位。另一方面，铜在地壳中的含量( 质量分数) 为0 0 l ，铝的含量高 达8 。因此，以铝代铜的研究和应用具有广泛的应用前景和深远的意义1 3 j 。 在以铝代铜的应用中，铝铜的连接是必由之路。近年来，国内外对于铝 铜连接进行了大量的研究，采用了多种连接方法，其中钎焊发展较快，并在实际 生产中得到成功应用。在电力电器器件和热交换器器件的生产中摩擦焊、爆 炸焊等压力焊是可行的技术方案，但是设备投资较大、工艺繁杂，其成本和 生产效率都不如钎焊【4 j 。目前研究中铜铝结合区易形成脆硬的铜铝金属间化合 物，会严重降低接头的性能，因此研究开发基于降低金属间化合物影响的连接工 艺及其方法，将会成为今后c u a i 焊接研究的重点【5 j 。 1 2 国内外研究现状 近年来，国内外对铜铝的焊接主要采用熔化焊，压焊及钎焊三种连接方法。 研究者从工艺参数制定、焊后结合界面组织、接头使用性能评定等方面对铜铝焊 接做了研究。 铝铜异质材料钎焊用新型锌基复合钎料的研制 铜与铝熔焊时，由于两种金属性能不同( 特别是熔点相差4 2 4 ，线膨胀系数 相差4 0 以上、以及在焊缝区形成脆性金属间化合物，直接熔焊时无法获得塑性接 头。前苏联的里亚博夫介绍采用铜侧开坡口、自动埋弧焊以及非熔化极氩弧焊的 方法实现铜铝对接焊接，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 t n l ，铜侧开坡口7 5 0 ，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1 6 j 。 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 i7 j 采用激光焊对c u 与 a 1 4 0 4 7 进行焊接，研究表明：降低熔化速度( o s l ，则c o s o 0 ，即0 0 0 9 0 0 时，我们认为液体能润湿固体；若a s g o s l ，则c o s o 0 ，即9 0 0 0 0 表示问隙内液面升高，h 0 ，液体沿间隙上升；当0 9 0 。、c o s o 0 时，h k 丑 求 妞 嘲 辫 喽 掣 图2 5 镀层质量及百分比与电镀液温度的关系 在阴阳极的距离一定且通电时间不变的条件下，镀层增量及百分比含量随电 镀液温度升高而呈现先增长后下降的特征( 图2 5 ) 。这是由于温度对电镀反应 速度影响的结果；温度升高，镀液的电导率增加，电流效率提高，但是阴极和阳 极的极化作用均降低：温度升高使盐类的水解即生成氧化物沉淀的趋势增加，特 别是铁杂质的水解，易形成针孔【4 9 l ；由此可知，在阴阳极距离以及环境温度等 其他参数不变时，电镀液温度在2 0 - 一3 0 时表面附着的镀层质量效果最好并且 质量分数满足复合钎料性能的要求。 铝铜异质材料钎焊用新型锌基复合钎料的研制 2 4 4 酸度对镀镍层增量的影响 正常生产情况下，镀镍液p h 值是缓慢上升的，如果p h 值反复不定或不断 下降，说明镀液工作不正常。 p h 值低时，阴极上大量析出氢气，电流效率降低。当p h 值低于3 时，会猛 烈放出氢气，甚至电流效率为0 ，但当p h 值超过6 或者接近于中性时，又会生 成氢氧化镍沉淀，夹杂于镍层中使镍层脱落、发脆、深孔难于沉淀等。 p h 值发生变化应及时调整，p h 值高时，用3 的溶液调整；p h 值低时，可 加入3 的氢氧化钠调整。添加氢氧化钠时，易产生沉淀，应在不断搅拌下缓慢 加入，用碳酸镍代替氢氧化钠效果更好。调整时，先做小槽实验，而后大槽调整。 若调整p h 的值较小，可采用通电处理，但时间较长。如需降低p h 值，可采用 小面积阳极，大面积阴极；如需提高p h 值，可采用大面积阳极，小面积阴极。 两种处理方法，都采用低电压、小电流。在其他工艺参数一定的情况下，p h 在 7 0 7 2 时，镀层的效果较好。 2 4 。5 搅拌对镀镍层增量的影响 通过搅拌可减少极化作用，提高光亮度，减少毛刺，并使阴极表面的氢气易 于逸出，减少针孔和麻点。 搅拌方式由阴极移动、压缩空气搅拌、连续循环过滤搅拌或三者相结合。阴 极移动的速度，采用1 5 - - 2 0 次m i n 左右，行程l o o m m 左右；随着过滤设备性能 的提高，连续循环过滤、搅拌方式使用量在扩大，尤其对高质量电镀，该方式对 保证镀液洁净度、减少镀层弊端有重要作用。基于以上原因，本实验采用 1 2 0 r a d m i n 的搅拌速度。 2 4 6 电流密度对镀镍层增量的影响 施镀电流密度与镀液的温度、镍离子浓度、酸度及添加剂等有密切的关系。 常规镀镍都是在常温和稀溶液条件下进行，其电流密度可取o 5 1 5 a d i n 2 ，光 亮、快速镀镍都是在加热和浓溶液条件下操作，其电流密度可取2 - - - 3 a d i n 2 ，甚 至更高。基于以上原因，本实验采用的电流密度为1 2 a d i n 2 。 2 4 7 最佳电镀镍的参数 由上述的三种实验方案及相关因素对镀镍层的影响，可以得出一组比较理想 的电镀参数： 电镀液的温度范围：2 0 - - 3 0 ； 溶液的p h ：7 0 7 2 ： 通电时间( t ) ：1 0 m i n ； 搅拌速度：1 2 0 r a d m i n ； 电镀电压( u ) ：3 v ；电流密度：1 2 a d m 2 ： 阳极材料：电解镍板。 电镀前z n 2 7 a 1 钎料要仔细清除表面的氧化膜层。通电结束后，钎料放入热 硕f j 研究生学位论文 水中清洗1 5 s ，酒精擦拭后用电吹风吹干。 2 4 本章小结 本章主要介绍了在z n 2 7 a 1 钎料表面镀镍的工艺流程、电镀实验的设备，电 极材料的选取，电镀溶液的配方及电镀液的配制过程，并讨论了对于镀层增量的 测量方法。在其它条件不变的前提下，通过分别改变电镀电压v 、通电时间t 与 电镀液温度t ，测量电镀前后镀层质量增量，得出了电镀电压、通电时间和电镀 液温度等电镀参数，制备出的新型复合钎料形如n i z n 2 7 a l n i ，镀层镍在 z n 2 7 a 1 表面覆盖均匀，致密。 电镀的最佳工艺参数为： 电镀液的温度范围：2 0 - 3 0 ； 溶液的p h ：7 0 7 2 ； 通电时间( t ) ：1 0 m i n ；搅拌速度：12 0 r a d m i n ； 电镀电压( u ) ：3 v ；电流密度：1 2 a d i n 2 ； 阳极材料：电解镍板。 铝铜异质材料钎焊用新型锌基复合钎料的研制 第三章新型锌基复合钎料及钎焊接头性能 钎料的工艺性能直接影响钎缝的形成和钎焊接头的性能。主要包括钎料的熔 化特性、润湿性、钎焊接头的力学性能及断口形貌分析。 3 1 新型锌基复合钎料的熔化特性 钎焊温度是钎焊过程中最主要的工艺参数之一。而确定钎焊温度的主要依据 是所选用钎料的熔点。钎料的熔化特性是指钎料熔化时表现出来的物理性能一一 固相线温度、液相线温度、固液相温度区间以及熔化潜热，它也是钎料的重要物 理性能指标之一。 3 1 1 分析方法 钎料的熔化特性曲线采用差热分析( d t a ) 来测定。差热分析( d t a ) 是在程序 控制温度条件下，测量样品与参比物( 基准物) 之间的温度差与温度的关系的一种 分析方法。在实验过程中，将样品与参比物的温度差作为温度或时间的函数连续 纪录下来【5 0 5 1 1 。 由于钎料一般都含有z n ，p ，c d ，l i 等易挥发元素或a 1 ，s i 等易氧化元素， 即使采用专门的差热分析仪，也难以准确地测定所有钎料的固、液相线温度，因 此，国内外至今尚未制定出适用于所有钎料固、液相线温度区间测定的标准方法。 作者按照我国国家焊接材料质量监督检验中心推荐参考g b 6 5 2 6 - 8 6 自熔合金粉 末固、液相线温度区间的测定方法，采用a r 气保护加热试样，测定了z n a l 等 合金系各种钎料固、液相线温度。本文将普通钎料与新型锌基复合钎料各取 2 0 m g ，在d u p o n t 公司1 0 9 0 型差热分析仪( d t a ) 2 ，以1 0 。c m i n 的加热速率，氩 气保护下从室温加热到7 0 0 。c ，测定钎料的熔化特性。 3 1 2 熔化特性 表3 1新型锌基复合钎料和普通钎料的固、液相线温度( ) 其中t 1 代表固相线温度，t 2 代表液相线温度，t 代表结晶温度区间。由表 3 1 和图3 1 可知新型锌基复合钎料的固相线温度为4 2 9 9 c ，液相线温度为 4 9 1 8 。c ，结晶温度区间为6 1 9 。c ；普通钎料的固相线温度为4 2 9 5 ，液相线温 度为4 9 0 5 ，结晶温度区问为6 1 。可以看出与普通钎料相比，复合钎料的固、 液相线温度及熔化温度区间t 都变化甚微；虽然n i 的熔点较高，它的加入能引 硕士研究生学位论文 起钎料的熔点升高，但是微量n i 元素的加入对钎料的熔化特征影响不大，试验表 明n i 的含量在2 5 左右时对钎料的故液相温度影响不大。两种钎料的d t a 曲线上 都出现了两个吸热峰，这两个吸热峰分别是由钎料发生固态相变a + b _ a 及钎料 熔化吸热引起的。 图3 1 是测得的新型锌基复合钎料和普通钎料的d t a 曲线： ( a ) 新型锌基复合钎料d t a 曲线 ( b ) 普通钎料d t a 曲线 图3 1 新型锌基复合钎料和普通钎料的d t a 曲线 铝铜异质材料钎焊用新型锌基复合钎料的研制 3 2 新型锌基复合钎料的润湿性 3 2 1 钎料润湿性实验方法 钎料的润湿性是衡量钎料工艺性的重要指标之一，按润湿过程是否存在反应 分为两种形式，反应润湿和非反应润湿( 物理润湿) 。当液态处于自由状态时，为 使其本身处于稳定状态，它力图保持球形表面。当液体与固体接触时，这种情况 发生改变，其变化取决于液体内部的内聚力和液固表面问的附着力，当内聚力大 于附着力时，液体不能润湿固体表面，反之，则可以发生润湿作用。 物理润湿过程的附着推动力主要来自范德华力和色散力等物理作用，且物理 润湿进行的速度快，在l o s 内就可以达到平衡，在这种体系中温度对润湿性能的 影响比较小，而且物理润湿性一般都比较差。 本文采用测定铺展面积的方法对润湿性能予以测定，具体测定过程如下j 3 2 1 1 材料准备 母材为纯铝片和纯铜片，尺寸1 5 0 m m x l 5 0 m m x 3 m m 。实验前清洗母材以除去 表面的氧化膜，铜母材用4 0 0 # 、8 0 0 # 、1 2 0 0 # 砂纸打磨后用超声波清洗，铝母材 和钎料先用丙酮去除表面油污，再用1 5 n a o h 溶液处理，溶液温度为5 0 - - 6 0 ， 时间1 5 s 左右；然后用清水冲洗后再用1 ：3 的稀硝酸溶液处理，时间l o s 左右，之 后用清水冲洗，再用乙醇清洗，晾干备用。钎料为薄带，约0 2 克；薄带钎料剪 成直径6 l o m m 的圆片叠放。 3 2 1 2 试验过程 将0 2 9 的钎料放在母材上并用铝钎剂q j 2 0 1 覆盖钎料，以免钎料在高温下 氧化，为保持炉内的温度均匀，在试样外表罩上不锈钢防护罩，分别在加热温度 5 5 0 、5 5 5 、5 6 0 、5 6 5 、5 7 0 ，保温时间l o m i n 的条件下分五组做实验， 每组取三份润湿样品。冷却后测定钎料的铺展面积大小作为评定尺度。铺展面积 越大，钎料的润湿性越好。 钎科铺展区 图3 2 润湿铺展前沿的润湿环 实验中发现，在铺展钎料的前沿形成了一个银灰色的环带，这个环带的颜色 硕十研究生学位论文 与铺展钎料明显不同，这种在钎料铺展前沿生成与钎料明显不同的环状区域，称 之为“润湿环”。润湿环是钎料润湿和铺展过程中的一个普遍现象，从中可以反映 出润湿前沿界面组织和表面张力变化情况【52 1 。为直观描述润湿环，特以图3 2 予 以说明。钎料铺展区域可由三部分组成，从中间到外面分别是：钎料区、钎料铺 展区、润湿环。润湿环是液态钎料润湿铺展的前沿，对钎料接触角的减小和润湿 性的提高有重要作用。 3 2 1 3 结果分析 采用描图的方法将润湿区域的边缘线描至坐标纸上，计算圈内坐标的方格数 目，从而可以直接得出钎料的润湿铺展面积。通过这种方法做五组实验，记录铺 展面积的数据，取其平均值，可以得出o 2 9 的钎料在母材上的铺展面积随着温 度变化的特征如表3 2 、表3 3 及图3 3 、图3 4 所示。其中t 1 、t 2 、t 3 、t 4 、 t 5 分别代表5 5 0 、5 5 5 、5 6 0 、5 6 5 、5 7 0 的加热温度。 表3 2 铝母材表面钎料的铺展面积与温度的关系 n 目 聪 喧 皑 耀 图3 3 铝母材表面钎料的铺展面积 表3 3 铜母材表面钎料的铺展面积与温度的关系 铝铜异质材料钎焊用新型锌基复合钎料的研制 逞 逡 喧 噬 露 钎焊温度 图3 4 铜母材表面钎料的铺展面积 从表3 2 、表3 3 及图3 3 、图3 4 中可以看出，无论是新型锌基复合钎料，还是 普通钎料都能很好的润湿母材；在保温时间为l o m i n ，当钎焊温度变化时，新型 复合钎料和普通钎料的铺展面积都呈现出随钎焊温度升高而出现先增大后减小 的趋势，说明存在一个润湿性敏感温度区间。固体与液体接触时，当体系的吉布 斯自由能降低时，可达到润湿。对一个润湿体系而言，同时存在物理润湿，又存 在钎料合金与母材金属元素相互扩散形成金属间化合物的反应润湿【5 3 j 。在物理 润湿和反应润湿的共同影响下，5 6 5 时钎料的铺展面积最大，其润湿性最好。 从表3 2 和图3 3 中还可以看出，在同样的钎焊条件下，新型复合钎料的润湿性明 显好于普通钎料，分析其原因，由于微量n i 元素的加入能抑制钎料对母材的溶蚀， 使钎料的流布面积增大，从而使钎料对母材的润湿性变得优异。 对比表3 2 、表3 3 及图3 3 、图3 4 可以看出，新型复合钎料和普通钎料在铝母 材上的铺展面积与铜母材上的铺展面积相比大很多。分析其原因，由于液态钎料 与母材之间的润湿行为的影响因素除表面张力之外，最重要的是它们之间的相互 关系，当液态钎料与母材间有一定的互溶度或形成金属间化合物时，通常能够很 好地润湿母材。当锌基钎料在铝母材上铺展时，z n 在a l 中的互溶度较大，z n 快 速向a l 母材中溶解，影响铺展性能；当锌基钎料在铝母材上铺展时，钎料中的z n 向铝母材中扩散溶解，降低了液态钎料和铝母材之间的界面能，从而改善了润湿 状况和铺展性；当锌基钎料在铜母材上铺展时，与铜母材反应，在界面上生成大 量金属间化合物，这些化合物往往会阻碍钎料在铜母材上的流动，因而试验中钎 料在铜母材上的铺展面积相对较小。 3 3 新型锌基复合钎料和普通钎料的物相分析 硕t 研究生学位论文 窃 已 x _ ：= 錾 3 苫 20 ( o ) 图3 5 普通钎料x r a y 衍射图 图3 6 新型锌基复合钎料x r a y 衍射图 本实验在d 8a d v a n c e 型x 射线衍射仪上进行衍射分析，获得钎料的相组 成。扫描角度范围约为1 0 1 0 0 9 ，扫描速度为4 d e g m i n ，步长为0 0 2 0 ，采用单色的 c u ka 靶辐射，工作电压和电流分别为4 0 k v 和1 2 0 m a 。新型锌基复合钎料与普 通钎料的x r a y 衍射图分析结果如图3 5 和图3 6 所示，从图3 5 中可以看出，普通 钎料只有a l 和z n 单相组织，没有形成化合物，说明其完全是单相组织。而从新型 锌基复合钎料的x r a y 衍射图( 图3 6 ) 的分析结果中，可知其不但存在a l 和z n 的单相组织，还有少量的n i 2 a 1 3 和n i 3 z n 2 2 化合物存在。 3 4 新型锌基复合钎料的钎焊 用制备的新型n i z n 2 7 a i n i 复合薄带钎料和普通钎料在氮气保护的电阻炉 中钎焊l 2 铝合金和t u 2 无氧铜并检验新型锌基复合钎料和普通钎料的综合性能。 3 4 1 实验材料 3 1 量望量些丝堑矍堡堡堑型窒量呈窒堑坠墼墼型 3 4 1 1 钎焊母材 本试验母材采用纯铝l 2 材料( 其化学成分( 质量分数，) 为：a i = 9 9 9 9 、 f e = 00 0 3 、s i = 0 0 0 3 、c u = 0 0 0 5 、z n = 0 0 0 2 、t i = 00 0 2 、其它杂质f 每种、= o0 0 1 ) 和无氧铜t u 2 材料( 其化学成分( 质量分数，) 为：c u = 9 99 5 、p = 00 0 2 、b i = 0 0 0 1 、 s b = 0 0 0 2 、a s = 0 0 0 2 、f e = 0 0 0 4 、n i = 00 0 2 、p b = 0 0 0 4 、s n = 00 0 2 、s = 00 0 4 、z n = 0 0 0 3 其余) ，两种母料的基本性能见表34 和表35 。 表3 4 无氧铜t u 2 的主要性能 牌号代号南度热导率 熔点c抗拉强度伸长率d ，gc m wm 1 k 。 sh m p a c 1 0 2 0 t u 289 43 9 11 0 8 3 1 9 6 2 5 35 0 表35 纯铝l 2 的主要性能 牌号熔点沸点密度热导率抗拉强度 硬度h b ! ! 兰生：! 婴： ! ! ：竺：鉴：1垒! ! 坚生 1 0 6 0 6 6 02 0 6 02 7 1 02 2 26 8 0 1 1 01 5 2 5 3 4 1 1 钎料及钎剂 本实验采用z n 2 7 a 系钎料，其厚度为0 6 0 r a m ，钎料的成分( 质量分数，) 为：z n ：7 30 0 ，a h2 7 0 0 ；采用电镀的方法在钎料表面镀n i $ 4 各新型复合锌基 钎料，n i 层的厚度为1 蛳m 左右：采用铝钎剂q j 2 0 i ，钎剂韵状态为粉状，钎剂的 成分( 质量分数，) 为：k c i ：5 0 ，l i c i ：3 2 z n c l 2 ：8 ，n a f ：1 0 。 3 4 2 实验设备 图3 7 简易少氧化箱式炉及电炉控制柜 硕卜研究生学位论文 表3 6r x 3 1 5 1 0 8 型简易少氧化箱式炉技术参数 本实验采用中国南京摄山电炉总厂生产的r x 3 1 5 1 0 8 型简易少氧化箱式 炉。如图3 7 所示，该设备采用钼丝加热，还配有中国南京摄山电炉总厂生产的 k r w 2 5 a 型电炉控制柜；钎焊炉主要技术参数见表3 6 ： 3 4 3 氮气保护炉中钎焊工艺参数 炉中钎焊的工艺参数主要有：钎焊温度、钎焊保温时间、钎焊间隙、冷却速 度等。它们都直接影响钎料钎缝和钎料与母材的相互作用过程，对钎焊接头具有 决定性的作用。因此，必须正确的选择。 3 4 3 1 钎焊温度 钎焊温度的确定主要依据是钎料的熔点。钎焊温度要适当高于钎料熔点、低 于母材的熔点。钎焊温度较高时，减小了钎料的表面张力，改善了润湿性和流动 性，增强了填缝性能，使得母材和钎料充分地相互作用，利于得到完整的钎焊接 头。但是钎焊温度过高会使得母材性能变坏如晶粒长大、软化，甚至使母材熔化， 引起钎料和母材中低沸点组元的挥发；母材与钎料的过分反应导致熔蚀及晶间渗 入等使接头强度降低。试验中采用的钎焊温度为5 5 0 ，应低于工业纯铝l 2 的固 相线温度。 3 4 3 2 钎焊保温时间 钎焊保温时间是钎料填充间隙和控制合金化作用的重要阶段，对于接头强度 的影响很大。一定的保温时间是钎料同母材相互扩散、形成牢固的连接所必须的。 但是钎焊时间过长时，钎料和母材可能会产生强烈溶解、生成脆性相、晶间渗入 等不利现象，特别是对铝及铝合金来说，钎料熔点和母材熔点相差不大，过长的 保温时间会使得母材性能变坏，所以要尽量缩短钎焊保温时间。本实验保温时间 为1 0 m i n 。 3 4 3 3 冷却速度 3 3 铝铜异质材料钎焊用新犟锌接复仑钎料的研制 冷却速度对钎缝的组织结构都有很大的影响。一般说来钎焊过程完成以后快 速冷却有利于钎缝中钎料合金结构的细化，从而加强钎缝的各种力学性能。这对 于薄壁、传热系数高、韧性强的材料是不成问题的。相反，对那些厚壁、热导率 低、脆性的材料存在弊端；较慢的冷却速度有利于钎缝结构的均匀化，这对一些 钎料与母材能生成固溶体的物质影响最大。本试验采用的冷却速度为2 0 m i n 。 3 4 3 4 钎缝间隙 接头装配间隙的大小是影响钎缝致密性和接头强度的关键因素之一。一般来 说无论搭接或对接，接头间隙越小，强度越高。这是由于母材溶解使钎缝合金化 和小间隙钎缝金属与母材的不均匀塑性变形使钎缝金属相对强化所致；间隙的大 小不但与母材和钎料的性能、钎料和母材相互作用有无合金化有关，而且与焊件 形状、尺寸、钎焊工艺、钎料的安放位置及接头的结构等有直接的关系；质量大 小相同的同种金属接头，在钎焊温度下的间隙与室温差别不大，但质量相差悬殊 的同种金属，以及异种金属的接头，由于加热膨胀量不同，设计时必须考虑保证 在钎焊温度下的接头间隙。因此，母材的线膨胀系数越大，装配间隙也越大；火 焰钎焊时，接头的装配间隙通常比炉中钎焊稍大些。通过实践证明，铝铜母材与 锌基钎料进行钎焊时，钎缝接头间隙的最佳值在0 1 0 0 3 0 r a m 之间。本试验采用 钎缝接头间隙为0 2 0 m m 。 钎焊加热冷却曲线和工艺参数加热冷却曲线分别如图3 8 和表3 7 所示： 倒 赠 蕞 亡了 - f 钎焊时间 图3 8 钎焊加热冷却曲线 硕卜研究生学位论文 表3 7 炉中钎焊工艺参数 3 4 5 炉中钎焊工艺过程 本实验将钎焊接头设计成如图3 9 所示的形式。实验中选用陶瓷块压盖试样， 陶瓷具有质轻且不与钎料发生任何反应的优点，同时阻止了钎料在钎焊过程中发 生振动而流失。 将纯铝和无氧铜试板切成4 0 m m x 4 0 m m x 3 m m 规格，按照“母材n i z n a l n i 母材”方式搭接装配( 如图3 - 9 ) ；钎焊前所有材料进行严格清理，铜母材用4 0 0 # 、 8 0 0 # 、1 2 0 0 # 砂纸打磨后用超声波清洗，铝母材和钎料先用丙酮去除表面油污， 再用1 5 n a o h 溶液处理，溶液温度为5 0 6 0 ，时间1 5 s 左右；然后用清水冲洗 后再用1 ：3 的稀硝酸溶液处理，时间1 0 s 左右，之后用清水冲洗，再用乙醇清洗， 晾干备用。 n iz n a ln i 图3 9 钎焊接头搭接方式示意图 将q j 2 0 1 钎剂( 钎剂事先用少量蒸馏水调成糊状) 均匀地涂敷在处理后的钎料 铝铜异质材料钎焊用新型锌基复合钎料的研制 表面，涂层尽量地均匀，厚度大约为0 1 0 m m ，将氮气气氛保护电阻炉升温至设 定的温度，放入装配好的试样，保温时间为1 0 m i n ，等试样冷却到室温时，先用 6 0 - 8 0 的热水清洗1 0 m i n ，用毛刷清理残渣并用冷水清洗，在1 5 的稀硝酸中 浸泡3 0 m i n ，再用冷水清洗以除去残留在焊件表面的钎剂。钎焊时主要采用以下 两种方法进行同炉钎焊对比试验：将新型复合钎料放入无氧铜试样和纯铝试样 之间进行钎焊；将普通钎料放入无氧铜试样和纯铝试样之间进行钎焊。 3 5 钎焊接头的力学性能 钎焊一般采用搭接接头和套件镶接，以保证接头的承载能力。钎焊接头的间 隙范围一般是0 1 0 - - 0 3 0 m m 。将纯铝和无氧铜试板切成2 5 m m x 8 0 m m x 3 m m 规格， 按照“母材肘i z n a l n i 母材”方式搭接装配。其试样尺寸如图3 1 0 所示： 图3 1 0 钎焊接头式样尺寸 钎焊前所有材料应进行严格清理，钎焊时主要采用以下三种方法进行同炉钎 焊对比试验：将新型复合钎料放入无氧铜试样和纯铝试样之间进行钎焊；将 普通钎料放入镀镍的无氧铜试样和镀镍的纯铝试样之间进行钎焊。将普通钎料 放入无氧铜试样和纯铝试样之间进行钎焊。接头拉伸试验按g b l1 3 6 3 8 9 标准在 万能拉伸试验机上进行，拉伸速率为2 m m m i n 。拉断后用拉断力除以实际使用面 积，为了减少误差，取相同工艺参数下3 5 试样的平均值而得接头的抗拉强度。 3 5 1 钎焊温度对钎焊接头力学性能的影响 在k s y 1 2 1 6 型箱式电阻炉中进行搭接长度为7 m m 的搭接试验( 5 5 0 5 6 5 ，保温1 0 m i n ) ，钎缝接头间隙为0 1 0 m m 。实验结果如图3 1 1 和表3 8 所示： 硕l ：研究生学位论文 表3 8钎料类型和力学性能 孟 善 谜 想 慝 韬 钎焊温度 图3 1 1 钎焊接头的力学性能 试验结果图3 11 和表3 。8 所示，从图表中可以看出在同样的钎焊条件下，新型 锌基复合钎料钎焊接头的剪切强度明显高于普通钎料；随着钎焊温度的升高，新 型复合钎料与普通钎料钎焊接头的剪切强度都随着钎焊温度的升高而升高，但钎 焊温度的确定不仅要考虑接头强度的高低，还要考虑不超过母材晶粒严重长大为 限；在同样的钎焊条件下，新型复合钎料，母材镀镍和普通钎料的钎焊接头的剪 切强度逐渐降低。分析其原因，这是由于新型复合钎料含有定量的n i ，n i 元素 3 7 铝铜异质材料钎焊用新型锌堆复合钎料的研制 提高接头强度的机理在于该元素主要分布在晶粒内部，强化固溶体，提高再结晶 温度1 5 4 l ：同时n i 层在加热阶段能阻挡a l 和c u 扩散作用，有效的减少a l 和c u 的结 合反应，达到减少脆性a i c u a l 2 共晶相的生成，从而提高接头的力学性能。 3 5 2 钎缝间隙对钎焊接头力学性能的影响 在k s y 1 2 1 6 型箱式电阻炉中进行搭接长度为7 m m 的搭接试验( 钎焊温度 5 6 5 ，保温1 0 m i n ) ，钎缝接头间隙分别为为0 1 0 m m ，0 2 0 m m ，0 3 0 m m 。实验 结果如图3 1 2 和表3 9 i i 折：示： 表3 9钎缝间隙和力学性能的关系 善 越 憩 恩 韶 黪 粪 3 钎缝间隙m m 图3 1 2 钎焊接头的力学性能 试验结果图3 1 2 和表3 9 所示，从图表中可以看出在同样的钎焊条件下，新型 复合钎料，母材镀镍和普通钎料的钎焊接头剪切强度都呈现出随钎缝间隙增大而 缓缓缓霾1象钐缓荔擎， 出现先增大后减小的趋势。分折其原因，由于铝铜钎焊时在相同保温时间和钎 焊温度下，钎缝间隙小时，铝原子和铜原子扩散到钎缝中的数量多，相互接触多， 超过固溶度后剩余的原子就会生成脆性相，问隙越小生成脆性相的机会也越多， 导致接头强度下降。而超过一定间隙后，由于扩散距离增长，铝原子和铜原子在 钎缝中接触的机会减少，生成的脆性相少，对强度的影响降低这时间隙越小强 度越高。由上所述铝铜钎焊时存在一个最佳间隙值，在最佳间隙值以下，间隙 越小强度越低；在最佳间隙值以上，间隙越小强度越高。通过实验可以得出，铝 铜钎焊时最佳到隙值为02 0 r a m 。 35 3 钎焊接头的断口形貌 将钎焊接头沿焊缝拉断后，取其一部分放入丙酮溶液中超声波清洗1 0 r a i n ， 然后取出吹干，用j s m - 6 7 0 0 扫描电子显微镜观察断口形貌： ( a ) 普通钎料 ( b ) 新型复合钎料 图3 1 3 普通钎料和新型复合钎料钎焊铝，铜接头的断面形貌( s e m ) ( 钎焊温度：5 5 0 ( 2 保温时问：1 0 r a i n ，钎缝间隙：02 0 r a m ) 铝铜异质材料钎焊用新型锌幕复含钎料的研制 宏观上观察拉伸试样断口，普通钎料和新型复合钎料钎焊铝铜接头的断裂 总是发生在钎料层和铜母材之间。图3 1 3 ( a ) 和( b ) 是z n 2 7 a 1 钎料和新型复合 钎料钎焊铝铜接头断裂面的s e m 照片。对比图3 1 3 ( a ) 和( b ) 铝侧断口和铜侧 断口，我们发现c u 侧断口更为平坦，总体上均为解理型断口，整个断裂过程变形 较小，产生的原因是由于晶界处存在a i c u 、c u z n 4 、a 1 2 c u 等脆性化合物：但新 型复合钎料的钎焊接头拉伸断口，在铜侧断面除出现撕裂而至的解理台阶外，也 存在一些微小的韧窝，故铜侧断口为解理断裂+ 局部韧性断裂的混合断口特征。 这是由于在新型复合钎料中，含有一定量的n i ，它能在加热阶段有效地阻止a l 、 c u 的扩散，减少铝铜脆性化合物的生成，同时a l 固溶体对位错运动和滑移有很好 的阻碍作用，裂纹在a l 固溶体相问分布的组织中更难产生和扩展；因此钎焊铜侧 断口出现混合撕裂特征。故采用新型复合钎料获得的铝铜接头比采用普通钎料焊 接的铝铜接头有更高的强度性能。 3 6 本章小结 本章主要介绍了对制备出来的新型复合钎料进行一系列的性能测试，包括润 湿性，物相分析，熔化特性，力学性能及断口形貌分析等。 ( 1 ) 新型锌基复合钎料的固相线温度为4 2 9 9 ，液相线温度为4 9 1 8 ，结 晶温度区间为6 1 9 ；普通钎料的固相线温度为4 2 9 5 ，液相线温度为4 9 0 5 ， 结晶温度区间为6 1 。可以看出与普通钎料相比，复合钎料的固液相线温度及熔 化温度区间t 都变化甚微； ( 2 ) 普通钎料只有a l 和z n 单相组织，而新型锌基复合钎料不但存在a l 和z n 的单相组织，还有少量的n i 2 a 1 3 和n i 3 z n 2 2 化合物存在。 ( 3 ) 在相同的工艺条件下，新型复合钎料的润湿性优于普通钎料；当钎焊 温度变化时，新型复合钎料和普通钎料的铺展面积都呈现出随钎焊温度升高而出 现先增大后减小的趋势，说明存在一个润湿性敏感温度区间；在5 6 5 时钎料的 铺展面积最大，其润湿性最好；同时，新型复合钎料和普通钎料在铝母材上的铺 展面积与铜母材上的铺展面积相比大很多。 ( 4 ) 在同样的钎焊条件下，新型复合钎料钎焊接头的剪切强度明显高于普 通钎料；随着钎焊温度的升高，新型复合钎料与普通钎料钎焊接头的剪切强度都 随着钎焊温度的升高而升高；在同样的钎焊条件下，新型复合钎料，母材镀镍和 普通钎料的钎焊接头的剪切强度逐渐降低，新型复合钎料，母材镀镍和普通钎料 的钎焊接头的剪切强度都呈现出随钎缝间隙增大而出现先增大后减小的趋势，最 佳钎焊间隙值为0 2 0 m m ；在氮气保护气氛中钎焊铝铜异质材料，所得焊件拉伸 时的断裂为混合型断裂，即以脆断为主，局部伴随着韧性断裂。 第四章新型锌基复合钎料钎焊接头的微观组织及元素 扩散行为 4 1 钎焊接头微观组织分析 在铝铜异质接头的微观分析中首先把钎焊接头进行垂直切割，将切割后的 试样用树脂塑封，试样分别采用4 0 0 # 8 0 0 # ，1 2 0 0 # 水磨砂纸顺序打磨、l 撑5 # 金相砂纸打磨后，选用粒度为l m 的三氧化二铬抛光剂抛光。l 2 纯铝侧用2 的氢氟酸腐蚀，t u 2 无氧铜侧用3 9 f e c i 3 粉末+ 2 m l 盐酸+ 9 6 m l 无水乙醇的腐蚀 液腐蚀，腐蚀时间大约5 s 。采用o l y m p u s p m g 3 万能金相显微镜分析接头形貌， 用e m p a l 6 0 0 电子揉针、扫描电镜和能谱分析仪测定接头元素分布，用d 8 a d v a n c e x 型x 射线衍射仪( x r d ) 测定接头的物相组成。 4 1 1 氦气保护炉中钎焊c u a l 钎焊接头形貌 图4 1 和4 2 为普通钎料和新型锌基复合钎料在氮气保护气氛中，钎焊温度 5 5 0 ，钎焊时间1 0 m i n 时钎焊接头的金相组织照片，其中钎焊时采用新型复合钎 料厚度为06 1 m m ，普通钎料的厚度为0 6 0 m m 。 从图41 和4 2 可以看出，无论是新型锌基复合钎料还是普通钎料，c u 2 a i 异质 钎焊接头都是由c u 侧钎缝界面、中央钎缝区、a l 侧钎缝界面三部分组成：铜母材 未溶化：钎缝与铝母材接触豹钎料界面区域呈犬牙交错状，这说明钎料与铝基体 己产生一定程度的互溶，并且扩散作用很强，因而结合良好；钎缝与铜母材接触 的钎料界面区域结合紧密、连续，无明显的焊接缺陷，钎料与母材元素相互扩散 充分。钎缝区未见气孔、裂纹、未钎透等明显缺陷且与c u 及a l 母材结合紧密，界 面组织良好，钎料和母材台金元素相互扩敝较好。 a ) 微观结构特征b ) c u 侧i 区放大 耋堡量堡兰堑堑堡堡堑篓至量呈耋窒垒塑墼型 c ) 钎缝i i 区放大d ) a l 坝l j m 区放大 图4 2 新型锌基复合钎料钎焊接头微观组织 ( 钎焊温度：5 5 0 。c ，保温时间：1 0 m i n ) 硕一l ：研究生学位论文 对比相同钎焊工艺参数下普通钎料与新型锌基复合钎料钎焊接头的微观组 织：从总体上看新型复合钎料的钎焊接头组织比较均匀，晶粒比较细小；新型复 合钎料与铝母材发生了适量的溶解，溶解作用对钎焊接头是有利的。 4 1 2 氮气保护炉中钎焊c u a l 钎焊接头的组织分析 为分析炉中钎焊c u a i 钎焊接头的相组成，将钎焊接头沿焊缝拉断，取其一 部分放入丙酮溶液中超声波清洗1 0 m i n ，然后取出吹干，在工作电压6 0 k v ，工作 电流4 0 m a 下进行了x r d 分析： l 疗 山 u 、_ ， h o ， 口 o u 口 i , - - i 20 ( o ) 图4 3 普通钎料钎焊接头断口x r d 图谱 20 ，( 。) 图4 4 新型锌基复合钎料钎焊接头断口x r d 图谱 新型锌基复合钎料与普通钎料的钎焊接头断口x - r a y 衍射图分析结果如图 4 3 和图4 4 所示，从图4 3 中可以看出，普通钎料钎焊接头的钎缝区主要由a 1 2 c u 、 a i c u 金属间化合物、a a l 固溶体和少量c u z n 4 化合物组成；而从新型锌基复合钎 4 3 室望量星垒型塞耋堡耋星茎茎墨至壁垒竺至型 料钎焊接头的x r a y 衍射图的分析结果中，可知其钎焊接头的钎缝区不但存在 a 1 2 c u 、a i c u 金属间化合物、a a i 固溶体和少量c u z n 4 化合物，还有少量的n j 3 a l 化舍物衍射峰。 应用电子探针( e p m a ) 技术对图4 6 ( a ) 和图4 7 ( a ) 所示i 区进行了元素分 布及相成分测试。图45 为a 1 z n c u 三元相图，图46 ( b ) 、图4 7 ( b ) 和表4 1 、 4 1 为分别为普通钎料和新型复合钎料钎焊接头中不同区域的元素分布情况。 图45a i z n c u 三元相图 a 1 微观结构特征b ) i 区放丈 图4 6 普通钎料钎焊接头微观组织 ( 钎焊温度：5 5 0 ，保温时间：1 0 m i n ) 池竺试 矍耋! 篁圭兰堡呈圣 表41 普通钎料钎焊接头不同区域的电子探针分析结果 大块灰色区域 4 8 8 5 黑色区域 8 06 2 枝晶状区域 3 5 1 5 3 2 2 1 4 9 4 1 _ 1 8 4 7 9 3 4 4 4 6 46 7 a 1 微观结构特征b 、i 区放大 国4 7 新型锌基复合钎料钎焊接头微观组织 ( 钎焊温度：5 5 0 ，保温时间：1 0 r a i n ) 表42 新型锌基复合钎料钎焊接头不同区域的电子探针分析结果 从图4 6 可队看出，普通钎料钎焊接头钎缝区主要由大块灰色区域，黑色区 域和枝晶状区域组成。电子探针对不同区域点扫描结果见表4 1 。根据表4 1 的特 征点电子探针测试结果和x r d 图谱，并结合图4 5 的a 1 z n c u 三元相图，可知图 4 6 中的钎缝中大块灰色区域为a i 和c u 构成的金属间化合物a i c u ；黑色区域为元 素z n 部分溶解于a l 形成a - a i 固溶体，在铝母材一侧分布；枝晶状区域为金属间化 合物a 1 2 c u ：从总体上看，组织偏聚的区域性特征比较明显。 从图4 7 可以看出，新型锌基复合钎料钎焊接头钎缝区主要由大块灰色区域、 黑色区域、亮色区域和枝晶状区域组成。电子探针对不同区域点扫描结果见表 铝铜异质材料钎焊用新型锌皋复合钎料的研制 4 2 。根据表4 2 的特征点电子探针测试结果和x r d 图谱并结合图4 5 的a 1 z n c u 及a i z n n i 、a i c u n i 三元相图可知，钎缝中大块灰色区域为a l 和c u 构成的 二元金属间化合物a i c u ；黑色区域为钎料中合金元素z n 部分溶解于a l 形成a a i 固溶体；亮色区域为n i 3 a l 化合物，多分布于晶界处；枝晶状区域为a 1 2 c u 金属 问化合物。与图4 6 相比较，a 1 2 c u 脆性化合物数量减少，同时a i c u 在c u 侧的 偏聚和a a i 固溶体在a l 侧的偏聚现象消失，组织分布更加均匀。 4 2 钎焊接头中元素的分布 钎焊过程中，液态钎料在毛细填缝的同时也与母材发生相互作用，这种相互 作用的推动力来源于钎料与母材间的浓度梯度所引起的扩散。可以将这种相互作 用分两种：一种是母材向液态钎料中的溶解：另一种是钎料组分向母材的扩散 【5 引。这些相互作用的结果会对钎焊接头的性能产生很大影响，因此有必要分析 其作用的规律。 在钎焊接头形成过程中，如果钎料和母材在液态下能够相互溶解，则在钎焊 时就会发生母材向液态钎料的溶解过程，溶解现象是普遍存在的。溶解作用对钎 焊接头的影响有利也有弊。一般来说，如果母材向钎料中发生适量的溶解，表层 溶于钎料，使母材以纯净的表面与钎料直接接触，这样不仅有利于改善润湿性， 而且也有利于母材有些元素溶于钎料中，可以改变钎缝的组织成分，对钎料成分 起合金化作用，可以提高钎焊接头的强度。 当钎焊温度超过液相铺展和流动结束温度后，多余的液相被排出焊缝，焊缝 宽度不再发生变化，液态钎料在表面张力作用下被固定在焊缝中，由于液态钎料 铺展流动所用时间远小于钎焊保温时间，焊缝中的液态钎料将长时间保持在焊缝 中，随着时间的延长液态钎料扩散进入基材，钎焊过程是钎料原子的固相扩散过 程，且随着钎焊温度的升高和保温时间的延长，扩散层的厚度增加1 5 6 - 5 7 l 。 钎焊过程中，在母材溶解于液态钎料的同时，也出现钎料向母材扩散的现象， 即在钎料润湿母材的同时也伴随着扩散现象的发生。扩散的结果，使靠近基体金 属的钎缝附近形成固溶体，这是钎焊时希望得到的钎焊接头组织，并且在此后的 过程中扩散过程将继续进行。扩散一般均由高浓度向低浓度方向进行，当钎料中 某组元的含量比母材中高时，由于存在浓度梯度差，就会发生该组元向母材金属 中扩散。扩散浓度梯度差越大，扩散量就越多。另外，扩散系数越大，扩散量也 越多。 图4 8 为普通钎料在钎焊温度5 5 0 ，钎焊时间1 0 m i n 时钎焊接头元