閆 飛，孫欽德，徐道榮，吳圣川

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

銅鋁異質(zhì)金屬火焰釬焊試驗(yàn)研究

閆 飛，孫欽德，徐道榮，吳圣川

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

選用AlSiLaSr、鋅鋁8213、8515三種釬料研究LF6/Cu火焰釬焊。并通過金相顯微鏡，掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對(duì)焊后接頭進(jìn)行金相分析，形貌和物相分析。結(jié)果表明：8515釬料的釬焊工藝效果較好，焊縫中的Cu5Zn8相、α－Al相和β－Cu相較多，Cu9Al4相和CuAl相次之，AlCu5較少。釬料中加入少量的稀土元素不僅可以細(xì)化焊縫中的晶粒，而且可以使焊縫的組織更加致密。焊縫中大量的脆性相的產(chǎn)生，導(dǎo)致過渡區(qū)和焊縫中心區(qū)的硬度明顯升高，同時(shí)也導(dǎo)致接頭的強(qiáng)度降低。要獲得較好的接頭，必須調(diào)整焊接的工藝參數(shù)，保證釬縫中的脆性相呈不連續(xù)分布或彌散狀態(tài)存在。

LF6/Cu；火焰釬焊；脆性相

0 前言

由于鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱導(dǎo)和電導(dǎo)率高以及加工性能好等優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域和國防建設(shè)中，用量僅次于鋼鐵材料，成為第二大金屬材料。銅及其合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、耐腐蝕和良好的加工成形性已獲得了廣泛的應(yīng)用[1－2]。鋁的密度是銅的三分之一，因此將銅、鋁及其合金連接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，不但能減輕構(gòu)件的質(zhì)量、節(jié)約材料，而且能發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)[3]。鋁銅異種有色金屬接頭廣泛應(yīng)用于電力、化工、制冷和航空航天工業(yè)中，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，而焊接是實(shí)現(xiàn)銅、鋁及其鋁合金連接并滿足鋁銅接頭力學(xué)性能和使用性能的可靠方法。

銅鋁的焊接方法有閃光對(duì)焊、摩擦焊、冷壓焊、電容儲(chǔ)能焊、真空擴(kuò)散焊等。銅鋁焊接時(shí)的主要問題是銅鋁金屬之間的化學(xué)勢(shì)存在很大的差異，導(dǎo)致接頭的腐蝕。此外，焊縫中還會(huì)有脆性化合物的生成，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度降低。

鋁銅釬焊主要存在兩個(gè)問題：一是需使用腐蝕性強(qiáng)的釬劑去除鋁表面的氧化膜，但釬劑殘?jiān)焙笮纬呻娊庖海瑯?gòu)成強(qiáng)烈的腐蝕劑腐蝕接頭；二是鋁銅原子擴(kuò)散較快，容易在接頭區(qū)形成易熔的脆性共晶相，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低[4－5]。在此選用三種不同的釬料火焰釬焊銅鋁異質(zhì)金屬，探討不同的釬料選擇對(duì)釬縫組織形貌以及性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和工藝參數(shù)

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用防銹鋁LF6，銅采用工業(yè)純銅，將其加工成標(biāo)準(zhǔn)的釬焊試樣，釬料選用絲狀鋅鋁8515釬料、鋅鋁 8213、AlSiLaSr釬料(配合 Noclok 釬劑使用)，鋅鋁釬料的直徑 φ 2.0 mm，主要成分 Zn、Al、Cu，心部為無腐蝕性氟化物。母材的化學(xué)成分如表1所示。

表1 母材化學(xué)成分%

焊前經(jīng)過一系列機(jī)械和化學(xué)方法去除母材和釬料表面的氧化物和油垢，確保焊前母材表面平整、干凈。選用搭接形式，搭接量約10 mm。焊前預(yù)熱銅板，確保銅板受熱均勻，在使用Noclok釬劑時(shí)，可先將釬劑涂在板材表面。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭的金相分析

Cu/LF6釬焊的接頭界面區(qū)包括靠近Cu基體的過渡區(qū)，焊縫中心區(qū)和靠近Al基體的過渡區(qū)，如圖1所示。從圖1a可知，垂直于Al基板表面的方向形成粗大的柱狀晶，Al晶粒的長大可能是釬料中Cu和鋁基體共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，在這個(gè)反應(yīng)中鋁被加熱到熔點(diǎn)以下熔化。釬縫中心區(qū)形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的樹枝狀晶，這是因?yàn)楹缚p中心區(qū)液相的溫度最高，而靠近母材的擴(kuò)散區(qū)溫度相對(duì)較低，在這種負(fù)的溫度梯度下有利于樹枝晶生長。在靠近母材Cu一側(cè)擴(kuò)散區(qū)中形成一些纖細(xì)的棒狀結(jié)構(gòu)，這主要是α－Al＋CuAl2的共晶體。從圖1b可知，選用8515釬料釬焊Cu/LF6時(shí)，焊縫的界面比較平直，組織比較均勻，以纖細(xì)的棒狀結(jié)構(gòu)為主，這可能是釬縫中的Al、Cu、Zn形成二元或者三元共晶組織。從圖1c可知，焊縫中主要以細(xì)小的等軸晶體為主，這是因?yàn)殇X硅釬料中含有少量的稀土元素La，在釬焊Cu/LF6時(shí)，可以增強(qiáng)釬料的潤濕性，細(xì)化鋁合金晶粒，降低脆性，促進(jìn)合金與釬料中的Si等元素的均勻擴(kuò)散，從而提高釬焊接頭的強(qiáng)度和韌性?？拷覆腖F6一側(cè)的界面呈波紋狀，這說明釬料中的組元與母材LF6發(fā)生了劇烈的冶金化合反應(yīng)，釬料中的Si元素等通過擴(kuò)散作用滲透到母材LF6基體中，起到彌散強(qiáng)化作用。靠近母材LF6一側(cè)還出現(xiàn)了溶蝕現(xiàn)象，這主要是由于鋁硅釬料熔點(diǎn)與鋁合金的熔點(diǎn)接近，在使用火焰加熱時(shí)溫度偏高導(dǎo)致母材向釬料過度溶解。

圖1 LF6/Cu接頭區(qū)金相照片

2.2 接頭區(qū)硬度分布

試驗(yàn)中使用MH－3電子顯微硬度計(jì)，在試驗(yàn)載荷25 g，保載時(shí)間10 s的條件下分別測(cè)定試驗(yàn)擴(kuò)散區(qū)、界面區(qū)和焊縫中心區(qū)的維氏硬度，得到焊接接頭的維氏硬度分布規(guī)律，如圖2所示。母材LF6的硬度約67 HV，而靠近Al基體的過渡區(qū)的硬度值比母材LF6的硬度高76 HV，這主要是因?yàn)镾i擴(kuò)散到Al基體中形成的固溶體有相當(dāng)高的硬度。柱狀晶中的固溶體越多，柱狀晶的硬度就越高。焊縫中心區(qū)的硬度較高，達(dá)178.9 HV，這主要是焊縫中心區(qū)生成很多 Cu－Al間化合物，如 Al4Cu9、AlCu 等，這些脆性相的生成導(dǎo)致接頭的硬度升高，強(qiáng)度變差，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致接頭在使用過程中耐腐蝕性能變差?？拷麮u基體一側(cè)的過渡區(qū)硬度值也比母材Cu的硬度高，這可能是部分金屬間化合物滲透到Cu基體的晶界中，起到了強(qiáng)化基體的作用。

圖2 LF6/Cu接頭區(qū)應(yīng)力分布

2.3 接頭區(qū)的能譜分析

為了進(jìn)一步了解焊縫中的各種元素的分布以及相對(duì)含量，試驗(yàn)中對(duì)8515釬料釬焊的Cu/LF6接頭試樣進(jìn)行了線掃描和能譜檢測(cè)，如圖3所示。線掃描方向由母材垂直經(jīng)過釬縫。

圖3 Cu/LF6頭掃描圖譜(8515釬料)

從圖3可知，LF6一側(cè)的擴(kuò)散區(qū)發(fā)現(xiàn)有少量的Ag，這是8515釬料中擴(kuò)散來的，這說明Ag在釬焊過程中優(yōu)先沿LF6界擴(kuò)散。從表2中可知，釬縫中心區(qū)不含Ag，而在LF6側(cè)富集，形成一個(gè)富Ag區(qū)，以Ag基為主，Ag在母材擴(kuò)散區(qū)里與Al形成共晶，有利于增強(qiáng)接頭的強(qiáng)度。此外，還形成一個(gè)富Zn區(qū)，可能會(huì)形成ZnAl化合物。釬縫中心區(qū)含有少量的Si，這主要在釬料與母材LF6冶金反應(yīng)過程中擴(kuò)散過來的，適量的Si可在Al基體中形成二元或三元共晶組織，可降低鋁合金的收縮量和熱裂傾向，減少疏松、縮孔、熱裂和變形等缺陷。在Cu側(cè)擴(kuò)散區(qū)含有較多的Cu和Al，可能會(huì)形成強(qiáng)化相Al2Cu，提高基體的強(qiáng)度，也可能形成AlCu等脆性相，導(dǎo)致接頭性能變差。在三區(qū)中還可以看到含有不少的C和O，可能是在釬焊時(shí)高溫條件下接頭區(qū)部分氧化，也可能是在硝酸酒精腐蝕接頭時(shí)引入的。在LF6側(cè)擴(kuò)散區(qū)含有較多Cu元素，而在Cu側(cè)擴(kuò)散區(qū)含有較多的Al，這說明在使用8515釬料釬焊Cu/LF6，釬料中的組元和母材中組元可以充分?jǐn)U散，達(dá)到比較理想的釬焊接頭效果。

表2 Cu/LF6頭元素分布(8515釬料)

2.4 接頭區(qū)的XRD分析

利用X射線對(duì)8515釬料釬焊的LF6/Cu接頭的焊縫進(jìn)行相組成判定，結(jié)果如圖4所示。從衍射圖譜中可以看出，釬縫組織中除了含有α－Al固溶體、Cu9Al4、CuAl和 AlCu5還有 Cu5Zn8和 β －Cu 相，其中 Cu5Zn8相、α －Al相和 β －Cu 相較多，Cu9Al4相和CuAl相次之，AlCu5較少。焊縫中心區(qū)生成較多的脆性相會(huì)嚴(yán)重削弱接頭的強(qiáng)度，因此焊后需采取必要的措施來彌散這些脆性相。α－Al相和β－Cu相這些固溶體雖然強(qiáng)度比較大，但是如果工藝參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致焊縫中的晶粒粗大化，使接頭的強(qiáng)度降低，性能變差。因此，要獲得較好的焊接接頭，就要調(diào)整工藝參數(shù)，消除焊縫中出現(xiàn)的脆性相，或者采取一定的措施保證焊縫中的脆性相呈不連續(xù)分布或彌散狀態(tài)存在。

2.5 接頭區(qū)形貌分析

采用8515釬料火焰釬焊LF6/Cu接頭焊縫中心區(qū)的SEM形貌如圖5所示。從圖5中可以看到，釬縫中主要由團(tuán)塊狀的深灰色相、較大顆粒的灰白色相、小顆粒的淺灰色相組成。釬縫中深灰色相，可能是α－Al相，晶粒粗大，呈鑲嵌式存在于釬縫組織中；灰白色的相可能是Cu－Zn化合物，呈零星狀分布；淺灰色的相可能是α－Al＋CuAl2共晶組織，晶粒細(xì)小，呈網(wǎng)狀分布，有利于改善釬縫的性能。由于在同一環(huán)境中，電位越負(fù)的金屬越易成為電偶的陰極而被腐蝕，電位越正的金屬越易成為電偶的陽極而不被腐蝕，因此冷卻時(shí)焊縫中大量脆性相Cu9Al4，而Cu9Al4的電位要比鋁的電位高，這樣就很容易產(chǎn)生晶間腐蝕。

圖4 LF6/Cu釬焊接頭區(qū)X衍射圖譜

3 結(jié)論

(1)采用8215、8515鋅鋁釬料以及AlSiLaSr鋁基釬料來火焰釬焊LF6/Cu是可行的，其中8515釬料的釬焊工藝效果最好。

(2)接頭部位釬縫中心區(qū)的硬度最高，178.9 HV；Cu側(cè)界面區(qū)和Al側(cè)界面區(qū)的硬度明顯高于相應(yīng)的母材，其硬度值與到母材的距離近似呈線性變化。

(3)XRD衍射結(jié)果表明，焊縫中的物相主要含有 Cu5Zn8相、α －Al相、β －Cu相和 Cu9Al4相，大量脆性Cu9Al4相存在，導(dǎo)致接頭的硬度升高，強(qiáng)度降低。因此必須優(yōu)化工藝條件，保證釬縫中的脆性相呈不連續(xù)分布或彌散狀態(tài)存在。

圖5 LF6/Cu火焰釬焊接頭的SEM形貌照片(8515釬料)

[1]Mai T A，Spowage A C.Characterisation of dissimilar joints in laser welding of steel-kovar，copper-steel and copperluminium[J].Materials Science and Engineering A，2004，374(1－2)：224－233.

[2]Lacaze J，Tierce S，Lafont M C，et al.Study of the microstructure resulting from brazed aluminium materials used in heat exchangers[J].Materials Science and Engineering A，2005(413－414)：317－321.

[3]何康生，曹雄夫.異種金屬焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.20－30.

[4]陳學(xué)定，宋 強(qiáng)，俞偉元，等.鋁基釬料真空釬焊接頭的腐蝕性[J].焊接學(xué)報(bào),2003,24(1):40－43.

[5]楊瑞鵬，蔡殉王，李培祖，等.鋁銅直接釬焊的研究[J].焊接技術(shù)，1999，28(5)：4－5.

Experimental study on the dissimilar metals of copper and aluminum by means of torch brazing

YAN Fei，SUN Qin-de，XU Dao-rong，WU Sheng-chuan
(School of Materirls Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

It was chosen that three solders of AlSiLaSr，Zn－Al solder 8213 and 8515 to braze Cu/LF6 by means of the flame.And through optical microscope，scanning electron microscopy(SEM)and X－ray diffraction(XRD)the joints after welding were carried out the metallographic analysis，morphology and phase analysis.The results showed that：the brazing effect of Zn－Al solder 8515 was best in three solders.There were more Cu5Zn8phase，α －Al phase and β －Cu phase，Cu9Al4phase and CuAl phase followed，and less AlCu5phase in the brazing seam region.A small amount of rare earth elements in the filter metal can not only refine the grain in the weld，and the microstructure in the welding can be more compact.The arising of a large number of brittle phases in the brazing seam region resulted in that the hardness of the central area and the transition zones was significantly higher than that of the base metal，while the strength of the joint decreased.To get a better joint，welding process parameters should be adjusted to ensure that the brittle phases in the brazing seam brazing region are a discontiguous distribution or an existence in the form of the dispersion state.

LF6 aluminum alloy/Cu；torch brazing；brittle phese

TG457.19

A

1001－2303(2011)03－0065－05

2009－10－09；

2010－11－16

汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(30915005)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51005068)

閆 飛(1984—)，男，河南洛陽人，碩士，主要從事先進(jìn)材料的焊接研究工作。