曾 鵬，易 杰，2

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082; 2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

鋁和銅由于具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，在電的傳輸、熱量交換和生活日用品等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1-3]。二者相比，鋁的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性均不如銅的，而鋁市場(chǎng)價(jià)為銅的1/3，鋁的密度也只有銅的1/3。在不考慮力學(xué)性能和電熱性能的條件下，相同構(gòu)件鋁制材料的成本是銅制材料的1/9 。因此，人們?cè)诤芏嘈袠I(yè)采用“以鋁代銅”的技術(shù)來降低生產(chǎn)成本，如制備微電子器件、能源設(shè)備、混合動(dòng)力車的電池和能源電池等[1]。鋁銅連接的方法很多，從工藝和材料等不同方面入手，可以采用熔化焊和釬焊等形式。其中，熔化焊焊接鋁/銅接頭生產(chǎn)效率高，成型美觀，但是接頭脆性大、強(qiáng)度低、易產(chǎn)生裂紋；釬焊方法在嚴(yán)格控制釬料成分和釬焊工藝的前提下，可獲得性能優(yōu)良的銅/鋁接頭。因而釬焊是很有發(fā)展前景的銅鋁連接技術(shù)[4-8]。但傳統(tǒng)的釬焊方法生產(chǎn)效率低是阻礙其推廣的一大難題。

本試驗(yàn)采用新型釬焊工藝，即采用藥芯釬焊絲作為焊接材料，利用火焰作為熱源，以鎢極氬弧焊的操作手法，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)6063鋁合金/紫銅接頭的高效連接。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)用試板材料為6063鋁合金和紫銅。 釬料分別為Zn75Al25，Zn92Al8兩種鋅鋁藥芯釬焊絲，以及相應(yīng)成分的鋅鋁實(shí)芯釬料，釬劑均為CsF-AlF3中溫?zé)o腐蝕釬劑。釬焊工藝如表1所示。

表1 釬焊工藝Table 1 The brazing process

釬料鋪展性試驗(yàn)參照GB11364-89《釬料鋪展性及填縫性試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)溫度取540 ℃。試件達(dá)到試驗(yàn)溫度后，需保溫5 min。試樣經(jīng)過表面清洗后用1 mm2的坐標(biāo)紙計(jì)算釬料在銅板上的鋪展面積。

釬焊接頭力學(xué)性能試驗(yàn)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11363—2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試件尺寸為80 mm×20 mm×2 mm。釬焊接頭為搭接接頭，取搭接長(zhǎng)度為2 mm，搭接間隙則取自然間隙。 利用電子拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量出釬焊接頭的最大抗剪載荷。并利用金相顯微鏡和SEM掃描電鏡對(duì)接頭組織形貌進(jìn)行了分析。

采用的釬焊工藝方法分別為傳統(tǒng)爐中釬焊和經(jīng)改進(jìn)后的藥芯釬焊絲火焰釬焊方法(以下簡(jiǎn)稱新型釬焊工藝)。傳統(tǒng)爐中釬焊，先將實(shí)心釬料和CsF-AlF3中溫?zé)o腐蝕釬劑鋪放在搭接接頭邊，再放置在電阻爐中進(jìn)行加熱[9]；新型釬焊工藝采用藥芯釬焊絲為焊接材料，科學(xué)配比釬劑和釬料用量，利用液化石油氣火焰作為熱源，以鎢極氬弧焊的操作手法，因?yàn)镃sF-AlF3中溫?zé)o腐蝕釬劑裹在焊絲的芯部，故填絲和添加釬劑同步進(jìn)行，操作方便，生產(chǎn)效率高。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鋪展試驗(yàn)結(jié)果和分析

在保溫時(shí)間5 min，保溫溫度540 ℃下，分別將藥芯釬焊絲放置在6063鋁合金和紫銅上進(jìn)行鋪展性試驗(yàn)，將實(shí)芯釬料放置在6063鋁合金和紫銅上進(jìn)行鋪展性試驗(yàn)。其中藥芯釬焊絲不需要外覆蓋釬劑，實(shí)芯釬料需要覆蓋CsF-AlF3釬劑。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。計(jì)算鋪展面積如表2所示。

圖1 釬料鋪展試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Test results of brazing material spreading

表2 釬料鋪展面積Table 2 Spreading area of brazing materials

從試驗(yàn)結(jié)果分析，采用藥芯釬焊絲方式的釬料在6063鋁合金和紫銅上的潤(rùn)濕性與釬料覆蓋釬劑的方式相差不大，這是由于鋅鋁合金的熔點(diǎn)較低，在高溫下很快熔化后，釬劑及時(shí)液化后有效去除母材表面氧化物，保障了釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕能力。Zn75Al25相比于Zn92Al8，不論是在6063鋁合金板上還是紫銅板上，均具有更好的潤(rùn)濕性。二者在6063鋁合金上均能較好的鋪展。但在紫銅上的潤(rùn)濕性一般，其中Zn75Al25的鋪展面積為50 mm2左右，可以接受，而Zn92Al8僅為30 mm2左右，在釬焊中容易造成缺陷。由此可見，隨著鋅含量的增加，釬料在銅上的潤(rùn)濕性變差。這是因?yàn)閷?duì)液態(tài)釬料與母材之間的潤(rùn)濕性的影響因素除表面張力之外，更重要的是釬料與母材之間的相互關(guān)系，釬料中的鋁和鋅元素會(huì)與銅母材反應(yīng)生成金屬間化合物。鋅鋁釬料在銅上的鋪展性與其產(chǎn)生的金屬間化合物的形態(tài)和數(shù)量有關(guān)[6-7]。當(dāng)鋁含量較低時(shí)，會(huì)生成銅鋅金屬間化合物，其熔點(diǎn)高，當(dāng)其生成后，將以樹枝狀和筍狀大量生長(zhǎng)，這將阻礙液態(tài)釬料的鋪展。

2.2 6063鋁合金/紫銅接頭抗剪強(qiáng)度分析

采用傳統(tǒng)爐中釬焊工藝和新型釬焊工藝方法，焊接6063鋁合金/紫銅搭接接頭。將焊好的搭接接頭試樣放在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上，每種試樣測(cè)試三次，取其平均值，結(jié)果如表3所示。

表3 接頭抗剪強(qiáng)度τTable 3 Shear strength of joints

從試驗(yàn)結(jié)果可知，不同釬料在釬焊6063鋁合金/紫銅接頭時(shí)，采用新型釬焊工藝方法得到的接頭抗剪強(qiáng)度均大于利用傳統(tǒng)火焰釬焊方法得到的接頭抗剪強(qiáng)度。采用藥芯釬焊絲Zn75Al25得到的接頭抗剪強(qiáng)度最大，為70.20 N/mm2。

從工藝上分析，利用傳統(tǒng)釬焊工藝進(jìn)行爐中釬焊時(shí)，釬料和釬劑是事先鋪好在試板上的，釬料在高溫下熔化后依靠其對(duì)母材的潤(rùn)濕性，自發(fā)流入釬縫中，完成釬焊連接。在此過程中，母材表面質(zhì)量，試板放置水平，釬縫間隙等因素，均會(huì)影響焊接質(zhì)量。而由于Zn92Al8在紫銅上的潤(rùn)濕性不佳，接頭抗剪強(qiáng)度僅為26.96 N/mm2，且易產(chǎn)生接頭局部未熔合等缺陷。新型釬焊工藝，采用手動(dòng)填絲的方法，操作簡(jiǎn)便，類似于熔焊方法中氬弧焊的操作，故可有效規(guī)避釬縫間隙等影響，形成飽滿美觀的焊縫。而由于填絲和添加釬劑同步進(jìn)行，釬料和釬劑科學(xué)固定配比，也減少了因操作不當(dāng)而出現(xiàn)的焊接缺陷。因此，在工藝方法上，新型釬焊工藝較之傳統(tǒng)爐中釬焊，靈活性、穩(wěn)定性和可靠性更優(yōu)。

從釬焊材料分析，采用Zn75Al25釬料的接頭抗剪強(qiáng)度要高于Zn92Al8釬料的，一方面是因?yàn)閆n75Al25在6063鋁合金和紫銅上的潤(rùn)濕性能要好于Zn92Al8的，在焊接時(shí)，釬料更容易在釬縫中流動(dòng)潤(rùn)濕；另一方面，接頭抗剪強(qiáng)度是釬縫微觀組織的宏觀體現(xiàn)，需進(jìn)一步觀察分析接頭微觀組織。

2.3 接頭微觀組織分析

新型釬焊工藝下6063鋁合金/紫銅接頭鋁側(cè)界面微觀組織如圖2a，2c所示。釬縫組織和鋁母材連接致密，界面邊緣無孔洞等缺陷，說明整個(gè)新型釬焊過程在鋁側(cè)形成了良好的冶金結(jié)合。

根據(jù)Zn-Al共晶相圖，共晶點(diǎn)為Zn78Al22。在釬縫中偏鋁側(cè)，主要進(jìn)行的是鋅和鋁之間的冶金反應(yīng)，Zn75Al25釬料在共晶點(diǎn)以左，接頭的組織應(yīng)是初生相αAl和(αAl+βZn)共晶。觀察圖2a，先析出的αAl呈白色網(wǎng)狀分布，里面包裹的是黑色的(αAl+βZn)共晶，界面邊緣與釬縫組織無明顯變化，說明釬縫對(duì)母材的侵蝕小。Zn92Al8釬料在共晶點(diǎn)以右，接頭的組織應(yīng)為βZn和(αAl+βZn)共晶。由于鋁與鋅之間互溶度很大，在鋁母材側(cè)，隨著溫度的上升，鋁會(huì)向液態(tài)釬料中快速溶解，從而使得鋁側(cè)附近界面中鋁含量急劇提高，冷凝時(shí)就會(huì)出現(xiàn)αAl作為初晶沿母材的某些晶粒為晶核連續(xù)長(zhǎng)大。但向釬縫中心，則隨鋅含量的急劇升高，其組織仍為βZn和(αAl+βZn)共晶。觀察圖2c連接界面，隨鋅含量提高鋁含量降低，連接界面呈黑色筍狀突起，說明高鋅鋅鋁釬料對(duì)鋁母材有一定的溶蝕作用。

圖2 新型釬焊工藝下接頭微觀組織Fig.2 Microstructure of joints under new brazing process

新型釬焊工藝下鋁/銅接頭銅側(cè)界面微觀組織如圖2b，2d所示。釬縫組織和銅母材形成致密連接，在界面連接處可看到清晰的擴(kuò)散區(qū)，說明整個(gè)新型釬焊過程在銅側(cè)產(chǎn)生了良好的連生結(jié)晶現(xiàn)象。釬料中的鋅元素和鋁元素向銅母材擴(kuò)散，形成一明顯的界面化合物層。研究表明，當(dāng)鋅、鋁濃度達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)在界面上與銅生成Cu-Zn和Cu-Al化合物[10-11]。Zn75Al25釬料中鋁含量較多，鋁在銅中擴(kuò)散較快，主要是生成銅鋁化合物和銅鋅化合物；而Zn92Al8釬料中鋁含量較少，因而主要是生成銅鋅化合物。

觀察圖2b，可以發(fā)現(xiàn)銅母材與焊縫界面處為白色筍狀βZn組織，遠(yuǎn)離界面處為白色塊狀鋅組織和樹枝狀組織，其余為大量黑色的(αAl+βZn)共晶。圖2d中，由于Zn92A18釬料鋁含量較少，且在銅側(cè)無鋁母材的擴(kuò)散，釬縫組織中，主要是白色的βZn，少量的黑色(αAl+βZn)共晶成長(zhǎng)條形分布，貫穿釬縫。從表3接頭抗剪強(qiáng)度可知，鋅鋁藥芯釬焊絲釬焊鋁/銅接頭一般斷裂于銅母材側(cè)的釬縫，說明銅母材側(cè)的釬縫界面結(jié)構(gòu)對(duì)接頭強(qiáng)度有重要的影響。根據(jù)Cu-Zn和Cu-Al相圖，室溫下鋅在銅中的固溶度大致為39%，鋁在銅中的固溶度大致為8%，而銅在鋅、鋁中的固溶度均很小。因此在鋅鋁藥芯釬焊絲的釬焊溫度下，在銅側(cè)界面主要發(fā)生的是液態(tài)釬料中鋅、鋁向母材銅的擴(kuò)散，而釬料中過高的鋅含量或鋁含量均會(huì)導(dǎo)致界面中出現(xiàn)脆性的Cu-Zn或Cu-Al脆性化合物，從而降低接頭強(qiáng)度[12]。Zn75Al25鋅鋁藥芯釬焊絲鋅鋁含量適中，接近共晶成分，銅側(cè)釬縫界面結(jié)構(gòu)主要以固溶體為主，這可能是Zn75Al25釬料接頭具有高強(qiáng)度的主要原因之一。

傳統(tǒng)爐中釬焊以Zn75Al25為釬料的6063鋁合金/紫銅接頭釬縫組織如圖3所示。與圖2新型釬焊工藝比較，爐中釬焊的組織較粗大，組織形貌多成塊狀，且向邊界集聚。這是由于爐中釬焊時(shí)，高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，使得組織容易產(chǎn)生粗化，且釬料與母材之間有足夠的時(shí)間進(jìn)行元素的擴(kuò)散，使得其焊縫中的組織較一致。用鋅鋁釬料爐中釬焊釬焊6063鋁合金/紫銅的接頭容易導(dǎo)致釬料對(duì)母材的溶蝕作用，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度低。而新型釬焊工藝，采用火焰加熱，熱量集中，高溫停留時(shí)間短，升溫快，降溫也快，晶粒來不及充分長(zhǎng)大。所以火焰釬焊的組織比爐中釬焊的組織要細(xì)小致密一些。

圖3 傳統(tǒng)爐中釬焊下接頭微觀組織Fig.3 Microstructure of lower joint brazed in traditional furnace

以Zn92Al8為釬料，采用傳統(tǒng)爐中釬焊6063鋁合金/紫銅接頭時(shí)，由于該釬料在銅上的潤(rùn)濕性較差，容易產(chǎn)生未熔合缺陷，如圖4所示。

圖4 以Zn92Al8為釬料傳統(tǒng)爐中釬焊下接頭銅側(cè)未熔合缺陷Fig.4 Lack of fusion defect on copper side of lower joint brazed in traditional furnace with Zn92Al8 as brazing material

2.4 斷口分析

拉伸試驗(yàn)時(shí)，接頭總是在銅母材與釬料層的接合處斷裂。這說明銅鋁接頭中，銅側(cè)界面是接頭的最脆弱處，這與銅側(cè)界面生成的各種脆性化合物有關(guān)。為研究銅鋁接頭的斷裂機(jī)制，對(duì)Zn75Al25釬焊接頭剪切斷口進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察，斷面形貌如圖5所示。

圖5 Zn75Al25釬焊接頭拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fracture morphologies of Zn75Al25 brazed joint

由圖5可知，相同放大倍數(shù)下，新型釬焊工藝銅側(cè)斷面形貌要比傳統(tǒng)爐中釬焊時(shí)的粗糙，照片中縱向波紋的數(shù)量是爐中釬焊的兩倍左右，也出現(xiàn)了一些小坑和凸起，這說明在接頭被剪切的過程中，新型釬焊工藝的接頭銅側(cè)界面抵抗得更強(qiáng)烈。相同放大倍數(shù)下的鋁側(cè)斷面比較中，可看出新型釬焊工藝的斷面也比爐中釬焊的小坑更密集更細(xì)小。斷面形貌分析反映出新型釬焊工藝接頭的強(qiáng)度高。

3 結(jié) 論

1)對(duì)于同成分的釬料，采用新型釬焊工藝得到的6063鋁合金/紫銅接頭相比于傳統(tǒng)爐中釬焊的接頭，組織更細(xì)小致密，抗剪強(qiáng)度更高；Zn78Al22釬料在銅和鋁上的潤(rùn)濕性、接頭的抗剪強(qiáng)度都要高于Zn92Al8釬料接頭的。

2)采用Zn75Al25新型釬焊工藝的6063鋁合金/紫銅接頭釬縫偏鋁側(cè)的組織為白色網(wǎng)狀分布的先析出的αAl包裹著黑色的(αAl+βZn)共晶；偏銅側(cè)的組織為銅鋅鋁固溶體界面化合物，白色塊狀βZn組織和樹枝狀組織，其余為大量黑色的(αAl+βZn)共晶。

3)采用新型釬焊工藝，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)6063鋁合金/紫銅接頭的焊接，操作方便，焊接效率高，并且得到較高的接頭抗剪強(qiáng)度，最高為70.2 N/mm2。