孫欽德,閆 飛

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 合肥 290003)

LD31/Cu火焰釬焊試驗(yàn)研究

孫欽德,閆 飛

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 合肥 290003)

選用8213釬料、8515釬料和A lSiCsLa釬料進(jìn)行火焰釬焊銅鋁,結(jié)果表明:用這三種釬料焊接銅鋁,接頭都可以達(dá)到較高的強(qiáng)度,能滿足一定的載荷要求.含有適量稀土元素的A lSiCsLa釬料,由于可細(xì)化晶粒、彌散分布脆性相、改善晶間組織,其焊接接頭強(qiáng)度較高.

稀土元素;火焰釬焊;微觀組織

焊接是實(shí)現(xiàn)鋁銅連接并滿足鋁銅接頭導(dǎo)電性能的可靠方法[1].焊接鋁和銅的方法有很多,從工藝和材料等方面考慮,可以采用壓焊、熔焊、釬焊和真空擴(kuò)散焊等方法[2-5].銅鋁焊接的主要問(wèn)題是焊接時(shí)焊縫區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的金屬間化合物,嚴(yán)重削弱接頭的強(qiáng)度,影響接頭的使用壽命[6].筆者采用火焰釬焊的方法將銅鋁進(jìn)行焊接,通過(guò)對(duì)銅鋁脆性相產(chǎn)生機(jī)理的研究,探索出避免產(chǎn)生脆性相的方法.

1 試驗(yàn)材料及工藝條件

試驗(yàn)?zāi)覆姆謩e選用LD31鍛鋁和C11000工業(yè)純銅,焊前將其加工成以下尺寸:鍛鋁10mm×10mm×3mm,純銅10mm×10mm ×2mm,釬料選用鋁硅釬料(A l-Si-Cs-La)、鋅鋁釬料8515和8213.鋅鋁釬料的直徑為2.0 mm,芯部為無(wú)腐蝕性氟化物釬劑,焊接時(shí)不需要再添加釬劑.用鋁硅焊絲釬焊銅鋁時(shí),需預(yù)先在母材表面涂上Noclok釬劑.母材的化學(xué)成分列于表1,釬料的主要成分列于表2.

焊前應(yīng)采用機(jī)械和化學(xué)方法去除母材和釬料表面的氧化物和油垢,確保母材表面平整、干凈,并對(duì)銅板進(jìn)行預(yù)熱,確保銅板受熱均勻.釬焊時(shí),銅板在下面,鋁板在上面,采用搭接的方式進(jìn)行焊接.在使用Noclok釬劑時(shí),應(yīng)先將釬劑涂在板材的釬焊表面上.

表1 母材的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of base metal

表2 釬料的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of solder

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭區(qū)金相分析

圖1為用三種釬料分別火焰釬焊銅鋁的金相照片.由圖1可見(jiàn),采用這三種釬料釬焊銅鋁均可以獲得較好的焊接效果.由圖1(a)可見(jiàn),AlSiCsLa釬料焊接的釬縫區(qū)晶粒細(xì)小且比較均勻,主要是等軸晶,組織比較致密,沒(méi)有明顯縮孔、縮松等缺陷,這可能是因釬料中的稀土元素細(xì)化了釬縫組織并改變了組織的分布所致.由圖1(b)可以看出,8515釬料釬焊的焊縫中有多種組織,靠近母材LD31一側(cè)主要是細(xì)小的等軸晶,其界面區(qū)的輪廓成“鋸齒”狀,而靠近母材Cu一側(cè)主要是錯(cuò)綜復(fù)雜的樹(shù)枝晶,界面區(qū)的輪廓線相對(duì)比較平整,釬縫中心區(qū)有縮孔,這可能與兩側(cè)液相凝固時(shí)的溫度梯度有關(guān).由于Cu比Al的傳熱系數(shù)大,處在固液界面前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流作用下,以枝晶狀單向延伸生長(zhǎng),由于各枝晶主干方向各不相同,那些主干取向與熱流方向平行的枝晶,比取向不利的相鄰枝晶生長(zhǎng)得更為迅速,它們優(yōu)先向內(nèi)生長(zhǎng)并抑制相鄰枝晶的生長(zhǎng),并逐漸發(fā)展成近乎平行的柱狀晶組織.隨著冷卻的進(jìn)行,過(guò)冷度變大,促使晶核的形成,從而產(chǎn)生了大量細(xì)小的核心,最終發(fā)展成等柱晶.由圖1(c)可見(jiàn),采用8213釬料釬焊時(shí),釬料和母材LD31一側(cè)沒(méi)有明顯的分界面,這可能是由于釬料與LD31之間的冶金結(jié)合比較劇烈,LD31一側(cè)的反應(yīng)區(qū)范圍比較大.釬縫區(qū)中有柱狀晶、等軸晶和樹(shù)枝晶,晶粒粗大,且分布不均勻.

圖1 三種釬料釬焊銅鋁的金相照片(a)A lSiCsLa釬料;(b)8515釬料;(c)8213釬料Fig.1 M icrostructure of three kindsof copper and aluminum brazing alloy

2.2 顯微硬度

選用M H-3電子顯微硬度計(jì),在試驗(yàn)載荷為25 g、加載時(shí)間為10 s的條件下,分別測(cè)定試件焊縫擴(kuò)散區(qū)、界面區(qū)和中心區(qū)的維氏硬度,得出焊接接頭維氏硬度的分布規(guī)律(圖2).由圖2可知,焊縫中心區(qū)的硬度較高,中心區(qū)的硬度最高可達(dá)424.5HV,而母材兩側(cè)的硬度相對(duì)偏低.這主要是由于釬料與母材反應(yīng)后生成較多的液相,液相凝固后在焊縫中心區(qū)產(chǎn)生了較多的脆性相,而脆性相的連續(xù)分布,往往會(huì)影響接頭的壽命,因此,在焊接時(shí)最好避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象.由圖2還可見(jiàn),靠近LD31一側(cè)的硬度有一個(gè)峰值,這可能是在該處有較多的固溶體相產(chǎn)生,而固溶體的硬度相對(duì)較高;釬縫靠近Cu一側(cè)的硬度相對(duì)較低,其硬度幾乎與Cu相同.

圖2 母材—焊縫中心—母材硬度分布曲線Fig.2 Show ing hardness change from the base metal to the center of the weld

2.3 接頭強(qiáng)度

將不同釬料焊接的接頭放在自動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上,以慢拉伸方式進(jìn)行抗剪切強(qiáng)度測(cè)試.每個(gè)試樣測(cè)試兩次,取其平均值列于表3.

表3 接頭強(qiáng)度

Table 3 Joint strength

釬料 8213釬料 8515釬料 A lSiCsLa釬料強(qiáng)度/M Pa 82.421 ≥164.912 ≥161.614

由表3可知,三種釬料焊接的銅鋁都可以達(dá)到較高的強(qiáng)度,能滿足一定的載荷要求,說(shuō)明這些釬料有較好的潤(rùn)濕性,能夠與母材較好地發(fā)生冶金結(jié)合.A lSiCsLa和8515釬料釬焊的銅鋁接頭強(qiáng)度相對(duì)較高,可能是由于釬料中含有少量的稀土元素,而稀土元素可以細(xì)化晶間組織,彌散分布脆性相,起到強(qiáng)化基體的作用,從而提高了接頭的強(qiáng)度.而8213釬料的接頭強(qiáng)度相對(duì)較低,可能是由于釬料與母材反應(yīng)強(qiáng)烈,反應(yīng)層相對(duì)較厚,形成的晶粒較粗大且不規(guī)則,因而接頭的強(qiáng)度較低.

3 結(jié) 論

(1)采用8213釬料、8515釬料和 A lSiCsLa三種釬料釬焊銅鋁均可達(dá)到比較理想的效果.

(2)銅鋁接頭區(qū)的金相組織分析顯示,A lSiCsLa釬料釬焊銅鋁的焊接效果比較好,焊縫區(qū)組織細(xì)小、致密.

(3)銅鋁接頭的硬度分析表明:釬縫區(qū)的硬度較高,說(shuō)明釬縫區(qū)生成較多的金屬間化合物,這在一定程度上會(huì)影響接頭的壽命.

(4)接頭強(qiáng)度試驗(yàn)表明:釬料中加入少量的稀土元素不僅可以細(xì)化晶粒,改善晶間組織,而且可在一定程度上提高接頭的強(qiáng)度.

[1]馬海軍,李亞江,王娟.Cu/A l異種有色金屬的真空釬焊工藝[J].焊接技術(shù),2007,36(1):36-38.

[2]李亞江,吳會(huì)強(qiáng),陳茂愛(ài),等.Cu/A l真空擴(kuò)散焊接頭顯微組織分析[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2001,11(3):424-427.

[3]孫立權(quán).銅鋁過(guò)渡伸縮節(jié)的焊接工藝[J].焊接,1997,41(12):14-16.

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[5]KOYAMA K,SH INOZA KI K J,LKEDA K J,et al.E-valuation of brazing p roperties using A l-Si-Mg-Bibrazing alloy-developmentof brazing technique fo r A l-Cu dissimilar joint[J].Journal of Light Metal Welding and Construction,2002,40(9):13-20.

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Research on the flame brazing of LD31/Cu

SUN Qin-de,YAN Fei
(College of M aterials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Flame brazing copper and aluminum w ith 8213,8515,A lSiCsLa filler metal was investigated in this paper.The results show ed that all w elding joints w ith a high strength and endurance of a certain load w ere obtained.The joint w elded by A lSiCsLa alloy could get a higher strength due to the brazing alloy containing a amount of rare earth elements w hich can refine grains,diffuse distribution of brittle phases and imp rove interface structure of crystals.

rare earth elements;flame brazing;the microstructure

TG454

A

1673-9981(2010)03-0199-03

2010-05-04

孫欽德(1984—),男,山東臨沂人,碩士研究生.