朱 艷, 黨振乾, 王永東

(黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

鋁銅連接的感應(yīng)釬焊工藝

朱 艷, 黨振乾, 王永東

(黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

為使釬焊技術(shù)進一步提高,采用 Zn-Al釬料對 Al與 Cu進行了感應(yīng)釬焊連接研究,利用掃描電鏡、X射線衍射和室溫壓剪試驗等分析手段對接頭的微觀組織和室溫剪切強度進行實驗。結(jié)果表明,利用 Zn-Al釬料可以實現(xiàn)Al與 Cu的連接;接頭的界面結(jié)構(gòu)為Al/Al基固溶體 + Al-Zn共晶組織 +CuAl2金屬間化合物/(Cu,Zn)固溶體層/Cu;在電流為 340 A、時間為9 s的釬焊條件下,接頭的剪切強度在室溫下達(dá)到 128.5 MPa。

Al;Cu;Zn-Al釬料;感應(yīng)釬焊;界面結(jié)構(gòu);連接強度

0 引 言

銅和鋁及其合金都是導(dǎo)電性能優(yōu)良的金屬材料,在制冷、電力、化工和航空航天工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用價值。但是銅的密度大,價格高,在零部件僅有一部分結(jié)構(gòu)經(jīng)受特定的負(fù)荷、溫度和介質(zhì)的情況下,將銅、鋁及其合金連接形成復(fù)合結(jié)構(gòu),不但能減輕構(gòu)件的重量、節(jié)約材料,降低構(gòu)件的成本,而且能發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢。例如冰箱的制冷系統(tǒng)中就使用了銅與鋁的連接管[1]。焊接是實現(xiàn)鋁銅連接并滿足鋁銅接頭導(dǎo)電性能的可靠方法。

鋁銅連接的方法很多,從工藝和材料等不同方面入手,可以采用壓焊、熔焊、釬焊[2-3]和擴散焊[4-5]等形式。其中釬焊和摩擦焊[6-8]發(fā)展較快,特別是與熔焊相比較,釬焊有加熱溫度低,對母材的組織和性能的影響較小,母材的焊接變形較小以及設(shè)備簡單,操作方便,可以在總裝現(xiàn)場進行等優(yōu)點,成為銅與鋁連接的主要方法。

目前,銅鋁釬焊方法主要有火焰釬焊[9-10]、接觸反應(yīng)釬焊[11]和真空釬焊[12]等?；鹧驸F焊操作技術(shù)很難掌握,難以保證接頭質(zhì)量,且焊后需要清理。接觸反應(yīng)釬焊和真空釬焊雖能達(dá)到足夠的焊接強度,但焊接設(shè)備投資大,運行維護費用高,工藝過程復(fù)雜,增加了生產(chǎn)成本。筆者試圖采用在空氣中利用高頻感應(yīng)加熱方式進行釬焊,以期達(dá)到工藝操作簡便,生產(chǎn)效率高,加工成本低的效果。

1 材料與實驗方法

實驗?zāi)覆姆謩e為純鋁和紫銅,其物理性能如表1所示。釬料為內(nèi)置釬劑的鋅鋁釬焊絲 (Zn-Al8),焊絲內(nèi)的釬劑成分是氟鋁銣銫復(fù)合鹽,呈白色粉末狀,其活性溫度低。實驗前用電火花線切割的方法分別將鋁切成5 mm×4 mm×2 mm試片,將紫銅切成7 mm×4 mm×3 mm和 20 mm×10 mm×3 mm兩種試片。焊前用砂紙打磨試件和釬料表面,然后用丙酮擦洗去除油污,最后用酒精沖洗并吹干。裝配順序如圖 1所示,放入高頻加熱設(shè)備(GPH-40A型水冷式高頻感應(yīng)器)中。釬焊電流為 325～375 A,釬焊時間 5～15 s。

采用電子掃描顯微鏡 (SEM,S-4700)對接頭界面形貌進行觀察,并對局部區(qū)域進行能譜分析,判定是否有金屬間化合物和固溶體生成。使用 X射線衍射儀 (XRD,試驗設(shè)備 JDX-3530M)判定接頭的反應(yīng)產(chǎn)物,確定接頭的界面組織和結(jié)構(gòu)。利用電子萬能試驗機( INSTRON MODEL 1186)進行剪切實驗,評價釬焊接頭強度。

表1 母材的物理性能Table 1 Physical property of base metal

圖1 釬焊試件的接頭形式Fig.1 Joint of brazing spec imens

2 結(jié)果與分析

2.1 連接強度

連接工藝參數(shù)直接影響著接頭的界面組織結(jié)構(gòu),因此對接頭的連接強度也產(chǎn)生影響。圖 2為室溫下 Al/Zn-Al釬料/Cu釬焊接頭的抗剪強度隨釬焊電流的變化曲線。由圖 2可知,當(dāng)連接時間保持在 7 s時抗剪強度隨著釬焊電流的升高而增大;當(dāng)釬焊電流為 340 A時,剪切強度達(dá)到最大值,此時剪切強度值為 120.8 MPa;當(dāng)釬焊溫度繼續(xù)升高時,接頭的剪切強度則下降。

圖 2 釬焊電流對室溫抗剪強度的影響Fig.2 Effect of braz ing current on shear strength at room temperature

圖 3為室溫下Al/Zn-Al釬料/Cu釬焊接頭的剪切強度隨連接時間的變化曲線。由圖 3可知,當(dāng)連接釬焊電流保持 340 A時,隨著連接時間的延長接頭的剪切強度升高,當(dāng)連接時間為 9 s時,達(dá)到最大的剪切強度 128.5 MPa,連接時間繼續(xù)延長則剪切強度逐漸下降。

圖 3 釬焊時間對室溫抗剪強度的影響Fig.3 Effect of brazing t ime on shear strength at room temperature

通過壓剪實驗觀察發(fā)現(xiàn),斷裂位置基本上都發(fā)生在 Zn-Al釬料與 Cu的連接界面處,這主要是因為在 Zn-Al釬料與 Cu的連接界面處存在著金屬間化合物 CuAl2,金屬間化合物是硬脆相,當(dāng)金屬間化合物層較薄時,金屬間化合物呈筍狀生長深入到釬料合金中,對接頭的連接強度影響不大。但當(dāng)金屬間化合物層增厚時,所占釬縫的比例增大,相應(yīng)釬縫中的 Zn-Al釬料合金就會減少。相對金屬間化合物層來講,Zn-Al釬料合金較軟,它可以起到緩解應(yīng)力的作用,所以釬料合金的減少會使焊接熱應(yīng)力增加,從而使接頭的抗剪強度下降。釬焊時間和釬焊電流增加到一定程度后,接頭抗剪強度隨著釬焊時間和釬焊電流的增加而下降的原因就是金屬間化合物層的厚度增加而導(dǎo)致接頭強度下降。

2.2 界面組織結(jié)構(gòu)

圖 4a所示是在 340 A、7 s的工藝條件下,采用Zn-Al釬料對銅與鋁進行釬焊的鋁/Zn-Al/銅接頭界面,其中左側(cè)為Al,右側(cè)為Cu,中間是釬料層組織。由圖 4a可以看出:在釬料層中存在三個反應(yīng)層,靠近Al層的反應(yīng)層呈峰巒狀,靠近Cu層的反應(yīng)層呈筍狀,而釬料層的中間區(qū)域呈黑白相間的花紋狀,為了分析方便將靠近Al層的反應(yīng)層稱為A層,將中間區(qū)域稱為B層,將靠近Cu層的反應(yīng)層稱為C層。為了進一步確定釬料層與 Cu層的反應(yīng)生成物,將釬料與 Cu側(cè)的界面進行局部放大,見圖 4b。由圖 4b可見,C層可分兩層,分別稱為 C1層、C2層。為了定量的確定各區(qū)成分,從左至右依次進行能譜分析,分析結(jié)果見表 2。

圖4 背散射照片F(xiàn)ig.4 BSE images

表 2 Al/Zn-Al/Cu界面處各區(qū)化學(xué)成分Table 2 Chem ical composition of each zone in Al/Zn-Al/Cu interface

由圖 4和表 2的結(jié)果分析可知:靠近Al層的A區(qū)的Al、Zn的原子數(shù)分?jǐn)?shù)較多,根據(jù)Al-Zn二元相圖可知它們可以形成(Al,Zn)固溶體,因此 A層為(Al,Zn)固溶體層;中間的 B層是黑白相間的條紋組織,黑區(qū)為富Al區(qū),白區(qū)為富 Zn區(qū),根據(jù)形態(tài)分析為 Zn-Al共晶區(qū);靠近 Cu側(cè)的反應(yīng)層 C層的C1層為(Cu,Zn)固溶體層,而 C2層呈筍狀深入到釬料層中,在這一層中Al和 Cu的原子比接近 2∶1,根據(jù)原子比和Al-Cu二元相圖分析該層為金屬間化合物 CuAl2。為了進一步確定釬焊反應(yīng)產(chǎn)物,對 Zn-Al釬料/Cu的界面處進行了 X射線衍射分析,分析結(jié)果見圖5。

圖5 Al/Zn-Al釬料/Cu接頭在Cu側(cè)斷口X射線衍射結(jié)果Fig.5 XRD result of Al/Zn-Al/Cu joint fractured at Cu side

圖 5的衍射結(jié)果可以證實,在 Zn-Al釬料/Cu的界面處存在金屬間化合物 CuAl2。綜上所述整個接頭的界面結(jié)構(gòu)為釬焊接頭組織結(jié)構(gòu)為Al/Al基固溶體/Al-Zn共晶組織/CuAl2金屬間化合物/(Cu, Zn)固溶體層/Cu。

3 結(jié) 論

(1)采用 Zn-Al釬料可以實現(xiàn) Al與 Cu的高頻感應(yīng)釬焊連接,整個接頭的界面結(jié)構(gòu)為 Al/Al基固溶體 +Al-Zn共晶組織 +少量 Zn基固溶體/ CuAl2金屬間化合物 /(Cu,Zn)固溶體層 /Cu。

(2)在所選擇的工藝參數(shù)范圍內(nèi),室溫剪切強度隨釬焊電流的升高和連接時間的延長都是先升高后降低,在釬焊電流為 340 A、釬焊時間為 9 s時得到最大值,為 128.5 MPa。

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Technical study on induction brazing ofAl to copper

ZHU Yan,DANG Zhenqian,WANG Yongdong
(College ofMaterials Science and Engineering,Heilongjiang Institute of Science and Technology,Harbin 150027,China)

A imed at improving the technology of brazing,this paper presents a study of the induction brazing ofAl to copper carried out by Zn-Al brazing filler metal,and the investigation into the microstructures and strength of the joints by means of SEM,XRD and shearing test.The experimental results show that the bonding ofAl to copper can be perfo rmed by Zn-Al fillermetal.The joint gives the interfacialmicrostructure ofAl/Al(s,s)/Al-Zn entectic/CuAl2/(Cu,Zn)/Cu.The shear strength of the joint brazed at 340 A for 9 s is up to 128.5 MPa at room temperature.

Al;Cu;Zn-Al fillermetal;induction braze;interfacialmicrostructure;bonding strength

TG454

A

1671-0118(2010)02-0127-04

2010-01-30

朱 艷(1970-),女,黑龍江省哈爾濱人,高級工程師,碩士,研究方向:異種材料焊接,E-mail:zhuyanmh2008@163.com。

(編輯徐 巖)