铜铝异质金属火焰钎焊试验研究

闫 飞，孙钦德，徐道荣，吴圣川

(合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009)

铜铝异质金属火焰钎焊试验研究

闫 飞，孙钦德，徐道荣，吴圣川

(合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009)

选用AlSiLaSr、锌铝8213、8515三种钎料研究LF6/Cu火焰钎焊。并通过金相显微镜，扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对焊后接头进行金相分析，形貌和物相分析。结果表明：8515钎料的钎焊工艺效果较好，焊缝中的Cu5Zn8相、α－Al相和β－Cu相较多，Cu9Al4相和CuAl相次之，AlCu5较少。钎料中加入少量的稀土元素不仅可以细化焊缝中的晶粒，而且可以使焊缝的组织更加致密。焊缝中大量的脆性相的产生，导致过渡区和焊缝中心区的硬度明显升高，同时也导致接头的强度降低。要获得较好的接头，必须调整焊接的工艺参数，保证钎缝中的脆性相呈不连续分布或弥散状态存在。

LF6/Cu；火焰钎焊；脆性相

0 前言

由于铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀、热导和电导率高以及加工性能好等优点而发展迅速，已广泛应用于各领域和国防建设中，用量仅次于钢铁材料，成为第二大金属材料。铜及其合金具有优良的导电、导热性能、耐腐蚀和良好的加工成形性已获得了广泛的应用[1－2]。铝的密度是铜的三分之一，因此将铜、铝及其合金连接形成复合结构，不但能减轻构件的质量、节约材料，而且能发挥各自的优势[3]。铝铜异种有色金属接头广泛应用于电力、化工、制冷和航空航天工业中，具有广泛的实际应用价值，而焊接是实现铜、铝及其铝合金连接并满足铝铜接头力学性能和使用性能的可靠方法。

铜铝的焊接方法有闪光对焊、摩擦焊、冷压焊、电容储能焊、真空扩散焊等。铜铝焊接时的主要问题是铜铝金属之间的化学势存在很大的差异，导致接头的腐蚀。此外，焊缝中还会有脆性化合物的生成，导致焊接接头强度降低。

铝铜钎焊主要存在两个问题：一是需使用腐蚀性强的钎剂去除铝表面的氧化膜，但钎剂残渣吸潮后形成电解液，构成强烈的腐蚀剂腐蚀接头；二是铝铜原子扩散较快，容易在接头区形成易熔的脆性共晶相，导致接头强度降低[4－5]。在此选用三种不同的钎料火焰钎焊铜铝异质金属，探讨不同的钎料选择对钎缝组织形貌以及性能的影响。

1 试验材料和工艺参数

试验母材选用防锈铝LF6，铜采用工业纯铜，将其加工成标准的钎焊试样，钎料选用丝状锌铝8515钎料、锌铝 8213、AlSiLaSr钎料(配合 Noclok 钎剂使用)，锌铝钎料的直径 φ 2.0 mm，主要成分 Zn、Al、Cu，心部为无腐蚀性氟化物。母材的化学成分如表1所示。

表1 母材化学成分%

焊前经过一系列机械和化学方法去除母材和钎料表面的氧化物和油垢，确保焊前母材表面平整、干净。选用搭接形式，搭接量约10 mm。焊前预热铜板，确保铜板受热均匀，在使用Noclok钎剂时，可先将钎剂涂在板材表面。

2 试验结果与讨论

2.1 接头的金相分析

Cu/LF6钎焊的接头界面区包括靠近Cu基体的过渡区，焊缝中心区和靠近Al基体的过渡区，如图1所示。从图1a可知，垂直于Al基板表面的方向形成粗大的柱状晶，Al晶粒的长大可能是钎料中Cu和铝基体共晶反应的产物，在这个反应中铝被加热到熔点以下熔化。钎缝中心区形成了错综复杂的树枝状晶，这是因为焊缝中心区液相的温度最高，而靠近母材的扩散区温度相对较低，在这种负的温度梯度下有利于树枝晶生长。在靠近母材Cu一侧扩散区中形成一些纤细的棒状结构，这主要是α－Al＋CuAl2的共晶体。从图1b可知，选用8515钎料钎焊Cu/LF6时，焊缝的界面比较平直，组织比较均匀，以纤细的棒状结构为主，这可能是钎缝中的Al、Cu、Zn形成二元或者三元共晶组织。从图1c可知，焊缝中主要以细小的等轴晶体为主，这是因为铝硅钎料中含有少量的稀土元素La，在钎焊Cu/LF6时，可以增强钎料的润湿性，细化铝合金晶粒，降低脆性，促进合金与钎料中的Si等元素的均匀扩散，从而提高钎焊接头的强度和韧性。靠近母材LF6一侧的界面呈波纹状，这说明钎料中的组元与母材LF6发生了剧烈的冶金化合反应，钎料中的Si元素等通过扩散作用渗透到母材LF6基体中，起到弥散强化作用。靠近母材LF6一侧还出现了溶蚀现象，这主要是由于铝硅钎料熔点与铝合金的熔点接近，在使用火焰加热时温度偏高导致母材向钎料过度溶解。

图1 LF6/Cu接头区金相照片

2.2 接头区硬度分布

试验中使用MH－3电子显微硬度计，在试验载荷25 g，保载时间10 s的条件下分别测定试验扩散区、界面区和焊缝中心区的维氏硬度，得到焊接接头的维氏硬度分布规律，如图2所示。母材LF6的硬度约67 HV，而靠近Al基体的过渡区的硬度值比母材LF6的硬度高76 HV，这主要是因为Si扩散到Al基体中形成的固溶体有相当高的硬度。柱状晶中的固溶体越多，柱状晶的硬度就越高。焊缝中心区的硬度较高，达178.9 HV，这主要是焊缝中心区生成很多 Cu－Al间化合物，如 Al4Cu9、AlCu 等，这些脆性相的生成导致接头的硬度升高，强度变差，同时还会导致接头在使用过程中耐腐蚀性能变差。靠近Cu基体一侧的过渡区硬度值也比母材Cu的硬度高，这可能是部分金属间化合物渗透到Cu基体的晶界中，起到了强化基体的作用。

图2 LF6/Cu接头区应力分布

2.3 接头区的能谱分析

为了进一步了解焊缝中的各种元素的分布以及相对含量，试验中对8515钎料钎焊的Cu/LF6接头试样进行了线扫描和能谱检测，如图3所示。线扫描方向由母材垂直经过钎缝。

图3 Cu/LF6头扫描图谱(8515钎料)

从图3可知，LF6一侧的扩散区发现有少量的Ag，这是8515钎料中扩散来的，这说明Ag在钎焊过程中优先沿LF6界扩散。从表2中可知，钎缝中心区不含Ag，而在LF6侧富集，形成一个富Ag区，以Ag基为主，Ag在母材扩散区里与Al形成共晶，有利于增强接头的强度。此外，还形成一个富Zn区，可能会形成ZnAl化合物。钎缝中心区含有少量的Si，这主要在钎料与母材LF6冶金反应过程中扩散过来的，适量的Si可在Al基体中形成二元或三元共晶组织，可降低铝合金的收缩量和热裂倾向，减少疏松、缩孔、热裂和变形等缺陷。在Cu侧扩散区含有较多的Cu和Al，可能会形成强化相Al2Cu，提高基体的强度，也可能形成AlCu等脆性相，导致接头性能变差。在三区中还可以看到含有不少的C和O，可能是在钎焊时高温条件下接头区部分氧化，也可能是在硝酸酒精腐蚀接头时引入的。在LF6侧扩散区含有较多Cu元素，而在Cu侧扩散区含有较多的Al，这说明在使用8515钎料钎焊Cu/LF6，钎料中的组元和母材中组元可以充分扩散，达到比较理想的钎焊接头效果。

表2 Cu/LF6头元素分布(8515钎料)

2.4 接头区的XRD分析

利用X射线对8515钎料钎焊的LF6/Cu接头的焊缝进行相组成判定，结果如图4所示。从衍射图谱中可以看出，钎缝组织中除了含有α－Al固溶体、Cu9Al4、CuAl和 AlCu5还有 Cu5Zn8和 β －Cu 相，其中 Cu5Zn8相、α －Al相和 β －Cu 相较多，Cu9Al4相和CuAl相次之，AlCu5较少。焊缝中心区生成较多的脆性相会严重削弱接头的强度，因此焊后需采取必要的措施来弥散这些脆性相。α－Al相和β－Cu相这些固溶体虽然强度比较大，但是如果工艺参数选择不当会导致焊缝中的晶粒粗大化，使接头的强度降低，性能变差。因此，要获得较好的焊接接头，就要调整工艺参数，消除焊缝中出现的脆性相，或者采取一定的措施保证焊缝中的脆性相呈不连续分布或弥散状态存在。

2.5 接头区形貌分析

采用8515钎料火焰钎焊LF6/Cu接头焊缝中心区的SEM形貌如图5所示。从图5中可以看到，钎缝中主要由团块状的深灰色相、较大颗粒的灰白色相、小颗粒的浅灰色相组成。钎缝中深灰色相，可能是α－Al相，晶粒粗大，呈镶嵌式存在于钎缝组织中；灰白色的相可能是Cu－Zn化合物，呈零星状分布；浅灰色的相可能是α－Al＋CuAl2共晶组织，晶粒细小，呈网状分布，有利于改善钎缝的性能。由于在同一环境中，电位越负的金属越易成为电偶的阴极而被腐蚀，电位越正的金属越易成为电偶的阳极而不被腐蚀，因此冷却时焊缝中大量脆性相Cu9Al4，而Cu9Al4的电位要比铝的电位高，这样就很容易产生晶间腐蚀。

图4 LF6/Cu钎焊接头区X衍射图谱

3 结论

(1)采用8215、8515锌铝钎料以及AlSiLaSr铝基钎料来火焰钎焊LF6/Cu是可行的，其中8515钎料的钎焊工艺效果最好。

(2)接头部位钎缝中心区的硬度最高，178.9 HV；Cu侧界面区和Al侧界面区的硬度明显高于相应的母材，其硬度值与到母材的距离近似呈线性变化。

(3)XRD衍射结果表明，焊缝中的物相主要含有 Cu5Zn8相、α －Al相、β －Cu相和 Cu9Al4相，大量脆性Cu9Al4相存在，导致接头的硬度升高，强度降低。因此必须优化工艺条件，保证钎缝中的脆性相呈不连续分布或弥散状态存在。

图5 LF6/Cu火焰钎焊接头的SEM形貌照片(8515钎料)

[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.异种金属焊接[M].北京：机械工业出版社，1986.20－30.

[4]陈学定，宋 强，俞伟元，等.铝基钎料真空钎焊接头的腐蚀性[J].焊接学报,2003,24(1):40－43.

[5]杨瑞鹏，蔡殉王，李培祖，等.铝铜直接钎焊的研究[J].焊接技术，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

汽车车身先进设计制造国家重点实验室基金资助项目(30915005)；国家自然科学基金资助项目(51005068)

闫 飞(1984—)，男，河南洛阳人，硕士，主要从事先进材料的焊接研究工作。