中间层厚度对H62黄铜精密构件瞬时液相连接的影响*

冯展鹰，曹慧丽，刘洪斌

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

中间层厚度对H62黄铜精密构件瞬时液相连接的影响*

冯展鹰，曹慧丽，刘洪斌

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

瞬时液相(Transient Liquid Phase，TLP)连接是利用中间层材料与母材的冶金反应产生液相实现的，它可以弥补常规毛细钎焊的某些缺陷。文中采用Ag作为中间层进行了H62的瞬时液相连接，得到了性能优良的接头。试验结果表明：中间层厚度对瞬时液相连接质量影响很大。当Ag中间层厚度为6 μm时，液相量合适，形成的少量液相在压力作用下填满钎缝，获得了良好的接头瞬时液相连接组织，同时实现了圆角尺寸的控制，减小了接头变形。

H62黄铜；瞬时液相连接；Ag中间层

引 言

随着雷达分辨率要求的不断提高，波导器件的结构日趋复杂且精度要求越来越高，要求在加工和组焊时具有更高的精度，其制造难度增大。要满足雷达系统的探测精度和电性能，就必须充分保证波导器件的连接质量。某些精密波导部件要求工件的焊后尺寸变形小于0.02 mm，钎缝内腔圆角半径小于0.2 mm, 且焊缝表面光滑、连续。采用通常的钎焊已无法完全满足技术指标，但瞬时液相(Transient Liquid Phase，TLP)焊接能有效控制焊缝圆角及器件变形。

TLP 焊接是一种应用于许多合金系统的连接方法，其原理是在母材与中间层之间形成低熔点液相，然后通过溶质原子的扩散发生等温凝固，形成组织均匀的焊缝接头。TLP焊接的一般过程是：将中间层放置在待连接材料连接表面之间；在加热过程中，由于达到中间层的熔点或由于中间层和母材相互扩散生成共晶反应产物而形成一种低熔点的液相合金，从而形成一层薄的液相中间层；液体填充了待连接材料表面之间的空间，随着溶质原子继续向母材中扩散，液相中间层发生等温凝固；等温凝固结束后，没有残留液相存在的痕迹，形成了和母材成分基本相似的连接接头[1-3]。

TLP方法能够产生高强度、无界面、无中间层残留的接头。它和传统固相扩散连接的不同之处在于连接过程中形成的很薄的液相中间层使焊接过程只需较低的扩散焊压力。它与钎焊方法的相同之处在于都使用

中间层材料作为连接介质，不同之处在于TLP方法中间层的熔化和凝固过程都是和母材相互扩散的结果，并且都是在等温过程中完成的，连接后接头区域的组织成分和母材成分基本相似[4-5]。

1 试验设备与材料

试验选择H62黄铜作为基体材料，样件的结构形式如图1所示。Ag可与黄铜形成共晶过渡层，其流动性良好且具有优良的综合力学性能，因此在各待焊零件上选择镀Ag作为中间层介质。焊接采用的扩散焊接设备如图2所示。

图1 试验样件

图2 试验扩散焊接设备

2 试验工艺

钎焊在真空环境下进行，为了保证在真空状态下能够有效去除工件的氧化膜，热态时真空度不低于8 × 10-3Pa。根据银铜相图，考虑到圆角尺寸控制的要求，为了避免大量液相的形成，确定峰值温度为778 ℃，温度控制精度范围为±1 ℃。钎焊中通过工装对试件施加较小的压力，以保证焊件界面间紧密可靠的物理接触。镀银层的厚度参数见表1。

表1 镀银层厚度参数

3 试验结果及分析

3.1 组织分析及中间层的溶解

接头微观组织从本质上决定着接头的连接质量，为此首先研究了接头的微观组织。图3给出了接头的背散射电子像，钎焊温度为778 ℃，Ag中间层厚度为10 μm，此时实现了H62黄铜的TLP焊接。金相分析表明，接头处缺陷很少，接头焊合率高于90%。对接头进行局部放大，并进行了能谱分析，分析结果见表2。接头区域主要由部分等温凝固区(银基固溶体区)及接近母材成分的完全等温凝固区域(共晶区)构成。接头主要呈白亮相(位置A)和共晶相(位置B和C)，能谱分析中位置A为含Cu和Zn量较多的银基固溶体Ag (Cu, Zn)，位置B和位置C含银量较少，其主要成分构成和母材相似，可以推断此处为等温凝固区域。

图3 采用Ag中间层进行H62TLP焊接接头形貌

位置元素的原子百分比/%CuZnAgA10．8917．9171．20B57．0930．1812．73C54．9728．8416．19

试验发现，Ag中间层的厚度对TLP焊接质量至关重要，本文着重研究了不同中间层厚度对接头组织及力学性能的影响。

3.2 中间层厚度对接头成形的影响

当镀银层为5 μm时，液相量不足以填充间隙，无法实现可靠连接，如图4所示。结果发现结合面存在大量的未焊合缺陷。局部区域放大后发现，未焊合尺寸较大，焊合率为20%左右。

图4 5 μm Ag中间层TLP焊接接头微观组织

为了提高接头质量，在实验中增加了中间层的厚度。当Ag中间层厚6 μm时，液相量合适，形成的少量液相在压力作用下填满钎缝，经适当时间的保温，获得的接头综合了接触反应钎焊和TLP焊接的典型组织。这一方面完善了接头组织，另一方面有效缩短了保温时间，在一定程度上控制了接头变形。图5 为6 μm Ag中间层TLP焊接接头微观组织。从结果可以看出，接头组织良好，圆角尺寸几乎为0，且接头结合面连续，不存在未焊合缺陷。从放大的照片可以看出，接头界面大部分为扩散焊组织，两侧铜晶粒长在一起，其他区域被共晶组织所填充，使整个接头形成可靠连接。当Ag中间层厚超过7 μm时，腔体接触面的一些局部区域会产生圆角；当Ag中间层厚超过10 μm时，整个腔体接触面都会产生圆角，且尺寸较大，溶蚀严重。

图5 6 μm Ag中间层TLP焊接的接头微观组织

3.3 中间层厚度对接头抗剪强度的影响

连接温度为778 ℃时，中间层厚度对接头抗剪强度的影响如图6所示。接头强度随着中间层厚度增大而提高，当中间层厚度为7 μm时接头抗剪强度最高，为68 MPa，这是由于接头焊合率随中间层增厚而不断提高的缘故。但考虑到接头的成形质量， 6 μm才是最合适的中间层厚度。

图6 不同厚度Ag中间层构件瞬时液相连接接头强度

4 结束语

采用Ag作为中间层可以实现H62黄铜精密构件的瞬时液相连接，试验结果满足使用要求。Ag层的厚度对瞬时液相连接过程影响明显, 当Ag中间层为6 μm时，液相量合适，形成的少量液相在压力作用下填满钎缝，获得接头TLP焊接的典型组织，同时控制了圆角尺寸，减小了接头变形，且具有较高的接头强度。该研究可以有效解决高精密波导部件的液相扩散焊接圆角控制、钎合率达标以及波导变形控制等难题，为高精密波导部件的制造提供了一种可靠的连接方法。

[1] GALE W F, BUTTS D A. Transient liquid phase bonding[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2004, 9(4): 283-300.

[2] 曲文卿, 张彦华. TLP焊接技术研究进展[J]. 焊接技术, 2002, 31(3): 4-7.

[3] DUVALL D S, OWCZARSKI W A, PAULONIS D F. TLP bonding: a new method for joining heat resistant alloy[J]. Welding Journal, 1974, 53(4): 203-214.

[4] 陈定华, 钱乙余, 黄继华. Al/Cu接触反应钎焊中反应铺展现象和氧化膜行为[J]. 金属学报, 1989(2): 42-47.

[5] 方洪渊, 冯吉才. 材料连接中的界面行为[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2005.

冯展鹰(1981-)，男，硕士，高级工程师，主要从事焊接工艺技术研究工作。

Effect of Interlayer Thickness on Transient Liquid PhaseJoining of H62 Brass Precise Components

FENG Zhan-ying，CAO Hui-li，LIU Hong-bin

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Transient liquid phase (TLP) joining, which is realized through the liquid generated by the reaction between interlayer materials and the substrate, can overcome the shortage of the traditional capillary brazing. In this paper the Ag interlayer is used in TLP joining of H62 brass and the perfect joint is achieved. The experimental results show that the interlayer thickness has a great effect on the quality of TLP joining. When the thickness of Ag interlayer is 6 μm, the amount of the liquid phase is proper. The small amount of liquid phase fills the brazing seam under the pressure and the good microstructure is obtained. At the same time the dimension of the fillet is successfully controlled and the joint deformation is decreased.

H62 brass; transient liquid phase joining; Ag interlayer

2015-11-11

TG44

A

1008-5300(2016)03-0046-03