鋅鋁藥芯釬焊絲釬焊鋁/銅接頭性能及組織

鄒家生, 楊 芬, 許祥平

(江蘇科技大學 先進焊接技術省級重點實驗室,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

由于鋁/鋁和鋁/銅的釬焊比較困難,近年來國內(nèi)外對鋅鋁藥芯釬焊絲的研發(fā)成為了鋁釬焊領域的一個新熱點[1].鋅鋁藥芯釬焊絲產(chǎn)生的歷史不長,但發(fā)展速度極快且應用日趨廣泛,隨著以鋁代銅的逐步深入以及鋁/鋁釬焊自動化的發(fā)展,對鋅鋁藥芯釬焊絲的需求成百倍的增長.鋅鋁藥芯焊絲特別適宜于鋁/銅的釬焊連接,采用鋅鋁藥芯釬焊絲釬焊鋁銅器件不僅可以大大提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定焊接質(zhì)量[2]，而且在鋅鋁中加入銀、錳、硅等元素可以提高接頭強度和耐腐蝕性[3].

鋅鋁藥芯釬焊絲中鋁的含量范圍大致為2%～40%,在此基礎上添加銀、銅、硅、錳、鎳等元素可以得到更多的性能各異的鋅鋁藥芯釬焊絲.目前市場上較多的是8213,8612,8812等鋅鋁藥芯釬焊絲.但這些鋅鋁藥芯釬焊絲均存在接頭強度偏低,耐腐蝕性能不佳等問題[4].本文通過設計制備不同成分的鋅鋁藥芯釬焊絲并進行鋁/銅接頭的釬焊連接,對接頭的剪切強度和耐蝕性進行深入的分析研究.

1 試驗材料與方法

制備鋅鋁藥芯釬焊絲的鋅鋁合金釬料設計成分如表1所示.按鋁元素含量由高到低分別編號為1～4,5號釬料為在2號釬料基礎上添加少量銀元素,5種鋅鋁藥芯釬焊絲的熔化溫度范圍如表2.文中旨在通過調(diào)整鋅鋁合金中鋁元素含量及添加少量銀元素,考察鋁元素含量及銀元素對鋅鋁合金釬料性能的影響.

表1 鋅鋁釬料合金設計成分Table 1 Compositions of Zn/Al solders

表2 鋅鋁合金釬料的熔化溫度范圍Table 2 Solidus and liquidus curves of solders

制備鋅鋁藥芯釬焊絲的藥芯成分為CsF-AlF3共晶釬劑,該釬劑熔點較低,是近年來新研發(fā)的匹配鋁合金中溫釬焊的無腐蝕性釬劑.

釬焊接頭的剪切強度試驗參照GB11363-2008《釬焊接頭強度試驗方法》進行,三個試樣為一組,取平均值.強度試驗試板材料為6063鋁合金和紫銅,試板尺寸為80 mm×20 mm×2 mm.

將爐中釬焊、火焰釬焊的接頭試樣置于20℃左右的人造海水(2.7%NaCI+0.1%KCl+0.6%CaCl2+0.6%MgCl2+H2O)中浸泡10天,洗凈,吹干后按前述接頭剪切強度試驗方法測試腐蝕后接頭的剪切強度,以分析接頭腐蝕后的失強率.

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 鋅鋁藥芯釬焊絲釬焊鋁/銅接頭剪切強度

采用5種鋅鋁藥芯釬焊絲在540℃×5 min的釬焊工藝下爐中釬焊鋁/銅接頭,接頭剪切強度試驗結(jié)果如圖1.

圖1 鋅鋁藥芯釬焊絲爐中釬焊鋁/銅接頭剪切強度Fig.1 Shear strengths of Al/Cu joints brazed by furnace brazing

試驗結(jié)果表明:釬料中Al元素的含量對接頭剪切強度有明顯影響.隨鋅鋁釬料中Al元素的增加,接頭剪切強度先增大后減小.Al元素含量為20%的Zn80Al20釬料釬焊的接頭強度達到最大值,為62 MPa.另外,含銀的Zn80Al15Ag5釬料接頭剪切強度接近50 MPa,處于較好水平.

采用5種鋅鋁藥芯釬焊絲火焰釬焊鋁/銅接頭的剪切強度試驗結(jié)果如圖2.

圖2 鋅鋁藥芯釬焊絲火焰釬焊鋁/銅接頭剪切強度Fig.2 Shear strengths of Al/Cu joints brazed by flame brazing

試驗結(jié)果和前述爐中釬焊的結(jié)果類似.隨鋅鋁釬料中Al元素含量的增加,接頭強度也先增大后減小.Zn80Al20藥芯釬焊絲的接頭剪切強度最大,為81 MPa,含銀的Zn80Al15Ag5藥芯釬焊絲鋁/銅接頭強度較高,達到65 MPa.

爐中釬焊和火焰釬焊的試驗結(jié)果均說明:釬料中的Al元素的含量對接頭性能有明顯影響,隨鋅鋁釬料中Al元素的增加,接頭剪切強度均呈先增大后減小的規(guī)律,這主要由于不同的成分導致釬縫組織不同所致.另外,根據(jù)前期試驗結(jié)果[5]:5種鋅鋁藥芯釬焊絲在鋁上的潤濕性均很好,而Zn72Al28,Zn80Al20在紫銅上的潤濕性最好,Zn80Al15Ag5次之,Zn92Al8和 Zn95Al5藥芯釬焊絲最差.顯然,鋅鋁藥芯釬焊絲在紫銅上的潤濕性的好壞對鋁/銅接頭的性能亦有明顯地影響.

采用鋅鋁藥芯釬焊絲對鋁/銅接頭進行火焰釬

焊時也發(fā)現(xiàn):Zn92Al8和 Zn95Al5藥芯釬焊絲的流動性和填縫性相比于其他焊絲明顯要差,但含Ag的Zn80Al15Ag5藥芯釬焊絲有良好的填縫性和流動性,釬縫圓角成型良好,多余焊根少,非常適合于火焰釬焊.

2.2 鋅鋁藥芯釬焊絲釬焊鋁/銅接頭耐蝕性

采用5種鋅鋁藥芯釬焊絲釬焊鋁/銅接頭經(jīng)人工海水腐蝕后的接頭失強率如圖3.

圖3 鋅鋁藥芯釬焊絲釬焊鋁/銅接頭腐蝕后的失強率Fig.3 Strong loss rates of the corroded Al/Cu joints

試驗結(jié)果表明:鋅鋁藥芯釬焊絲釬焊鋁/銅接頭的耐蝕性主要取決于鋅鋁釬料中的鋁含量.隨鋅鋁釬料中鋁元素含量降低,接頭的耐蝕性能迅速變差.4號鋅鋁藥芯釬焊絲為鋅鋁共晶釬料,含鋁量僅為5%,接頭被嚴重腐蝕,強度相比于腐蝕前下降了40%左右;5號釬料和2號釬料相比,雖然鋅的含量相同,但用5%的銀取代5%的鋁并不能改善釬料的耐蝕性,反而有所降低,這也說明了只有提高鋁的含量才能有效改善鋅鋁釬料的耐蝕性.分析其原因:可能是隨鋅鋁釬料中鋁元素含量提高,釬縫表面氧化鋁膜增多并趨向致密.另外,鋁含量的提高,可能有利于降低釬縫和母材的電極電位差,從而提高接頭的耐蝕性.

釬焊方法不同,鋁銅接頭的耐蝕性也有較大差別.從圖3發(fā)現(xiàn),鋅鋁藥芯釬焊絲火焰釬焊鋁銅接頭的耐蝕性相比于爐中釬焊接頭要好很多.鋅鋁藥芯釬焊絲火焰釬焊方法加熱速度快,高溫停留時間短,冷卻速度快,使得釬縫組織晶粒細小,有利于提高釬縫的耐蝕性.另外,這種快速加熱快速冷卻的工藝也在一定程度上減小了鋅鋁釬料對母材的溶蝕作用,也有利于提高接頭的耐蝕性.

2.3 鋅鋁藥芯釬焊絲釬焊鋁/銅接頭組織

鋅鋁藥芯釬焊絲爐中釬焊鋁/銅接頭中鋁母材側(cè)界面結(jié)構(gòu)如圖4.釬料和鋁母材連接致密,形成良好的冶金結(jié)合.

a) 1號釬料

b) 2號釬料

c) 3號釬料

d) 4號釬料

e) 5號釬料圖4 爐中釬焊鋁/銅接頭中鋁側(cè)界面結(jié)構(gòu)Fig.4 Interface structures of Cu side in the Al/Cu joints brazed by furnace brazing

鋅鋁藥芯釬焊絲爐中釬焊鋁/銅接頭中銅母材側(cè)界面結(jié)構(gòu)如圖5.釬料和銅母材連接致密,形成良好的冶金結(jié)合.釬縫組織和銅母材可以看到明顯的聯(lián)生結(jié)晶現(xiàn)象.

a) 1號釬料

b) 2號釬料

c) 3號釬料

d) 4號釬料

e) 5號釬料圖5 爐中釬焊鋁/銅接頭中銅側(cè)界面結(jié)構(gòu)Fig.5 Interface structures of Cu side in the Al/Cu joints brazed by furnace brazing

根據(jù)Zn-Al相圖,Zn-Al釬料釬焊鋁/銅接頭的組織應是初生相加(αAl+βZn)共晶,在共晶點Zn78Al22以左,為αAl+(αAl+βZn)共晶;在共晶點Zn78Al22以右,為βZn+(αAl+βZn)共晶.由于鋁與鋅之間互溶度很大,在鋁母材側(cè),由于鋁向液態(tài)釬料的快速溶解,使鋁側(cè)附近界面中Al含量急劇提高,冷凝時就會出現(xiàn)αAl作為初晶沿母材的某些晶粒為晶核聯(lián)生長大.但向釬縫中心,則隨鋅含量的急劇升高,其組織為βZn+(αAl+βZn)共晶.圖4中大塊的亮白色塊狀物體主要成分是鋅,即為βZn初晶.觀察圖4中的連接界面,隨鋅含量提高鋁含量降低,連接界面呈鋸齒狀,說明高鋅鋅鋁釬料對鋁母材有強烈的溶蝕作用.

在圖5中可以發(fā)現(xiàn)釬料中的Zn，Al向銅母材擴散,形成一明顯的界面化合物層,當Zn，Al濃度達到一定值時,在界面上與Cu生成Cu-Zn和Cu-Al化合物[4,6],3，4號釬料中含Al較少,因而主要是生成銅鋅化合物;1，2號釬料含Al較多,Al在銅中擴散較快,主要是生成銅鋁化合物.

根據(jù)前面強度試驗結(jié)果:采用2號釬料釬焊的鋁/銅接頭強度最高.由圖5釬縫微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),2號釬料釬縫組織中亮白色的βZn呈塊狀,而1,3,4號釬料的釬縫組織中βZn呈片狀或筍狀,塊狀的組織更有利于得到高強度.另外,試驗發(fā)現(xiàn):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)對接頭強度有重要的影響.根據(jù)Cu-Zn和Cu-Al相圖,室溫下Zn在Cu中的固溶度大致為39%,Al在Cu中的固溶度大致為8%;而Cu在Zn,Al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Zn,Al向母材Cu的擴散,而釬料中過高的Zn含量或Al含量均會導致界面中出現(xiàn)脆性的Cu-Zn或Cu-Al脆性化合物,從而降低接頭強度.2號鋅鋁藥芯釬焊絲成分為Zn80Al20,Zn,Al含量適中,銅側(cè)釬縫界面結(jié)構(gòu)主要以固溶體為主,這可能是2號釬料具有最高接頭強度的主要原因之一.

含銀元素的5號鋅鋁藥芯釬焊絲釬焊鋁/銅接頭的強度僅次于2號釬料.這是因為Ag可提高鋅鋁釬料的潤濕性,并使釬料組織變質(zhì)及晶粒細化,從而提高鋁/銅接頭的強度,但5號釬料銅母材側(cè)的釬縫組織為片狀,導致其強度不如2號釬料釬焊的鋁/銅接頭.

采用鋅鋁藥芯釬焊絲火焰釬焊鋁/銅接頭中鋁側(cè)界面結(jié)構(gòu)如圖6.

a) 1號釬料

b) 2號釬料

c) 5號釬料圖6 火焰釬焊鋁/銅接頭中鋁側(cè)界面結(jié)構(gòu)Fig.6 Interface structures of Al side in the Al/Cu joints brazed by flame brazing

對比圖4、圖6發(fā)現(xiàn):火焰釬焊焊縫組織要細小致密很多,這是由于火焰釬焊和爐中釬焊的不同特點所造成的.火焰釬焊加熱冷卻速度快,高溫停留時間短,因此焊縫組織細小.另外,爐中釬焊由于高溫停留時間長,鋁/銅接頭鋁側(cè)由于鋁向液態(tài)釬料的過度溶解導致熔蝕,鋁/銅接頭銅側(cè)由于液態(tài)釬料中的Zn，Al向母材Cu的過度擴散出現(xiàn)脆性的Cu-Zn或Cu-Al化合物,均會使接頭強度降低.

3 結(jié)論

1)對于同成分的鋅鋁藥芯釬焊絲,采用火焰釬焊的鋁/銅接頭抗剪強度要比爐中釬焊高,Zn80Al20藥芯釬焊絲釬焊的鋁/銅接頭強度最高.

2)隨釬料中Al含量降低,鋁/銅接頭的耐腐蝕性變差,Zn72Al28藥芯釬焊絲釬焊的鋁/銅接頭耐腐蝕性最好.相同條件下,火焰釬焊的鋁/銅接頭的耐腐性明顯好于爐中釬焊的接頭.

3)Zn80Al20藥芯釬焊絲釬焊的鋁/銅接頭釬縫組織呈塊狀.鋅鋁藥芯釬焊絲中適中的Zn,Al含量有利于使鋁/銅接頭銅側(cè)界面得到固溶體組織,并避免鋁側(cè)母材的過度熔蝕.

參考文獻(References)

[1] 龍偉民,于新泉,張雷,等.鋅鋁藥芯釬焊絲的發(fā)展及應用展望[C]∥第十六屆全國釬焊及特種連接技術交流會論文集.2008:146-149.

[2] 龍偉民,張雷程, 亞芳. 鋁與銅連接技術的研究[J]. 金屬加工,2008,58(12):47-49.

Long Wiming, Zhang Leicheng, Ya Fang. The research of Al and Cu connect technology[J].MetalWorking,2008,58(12):47-49. (in Chinese)

[3] 倪艷敏,章文英.Al-Cu釬焊接頭性能的改善[J].熱加工工藝,2002,31(3):56-58.

Ni Yanmin, Zhang Wenying. The performance improvement of Al-Cu brazing joint[J].HotWorkingTechnology,2002,31(3):56-58. (in Chinese)

[4] 劉鳳美,陳平,鋅基中溫釬料的研究[J].材料研究與應用,2008,2(2):126-128.

Liu Meifeng,Chen Ping. The research of zinc-based intermediate temperature solder[J].MaterialsResearchandApplication,2008,2(2):126-128. (in Chinese)

[5] 顏鑫鑫,許祥平,鄒家生.鋅鋁藥芯釬焊絲制備及潤濕性研究[J]. 焊接,2013(1):32-35.

Yan Xinxin, Xu Xiangping, Zou Jiasheng. Preparation and wettability rlayer connecting model[J].Welding,2013(1):32-35.(in Chinese)

[6] 薛松柏,董健.Al/Cu管異種材料火焰釬焊連接[J].焊接,2003(12):23-25.

Xue Songbai, Dong Jian.The flame brazing′s connection of Al/Cu pipe dissimilar materials[J].Welding,2003(12):23-25.(in Chinese)