5A06铝合金/T2紫铜镶嵌结构件超声波复合钎焊

于汉臣，张汇文，闫久春

（1.哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨150001；2.哈尔滨焊接研究所，哈尔滨150080）

0 引 言

铜及其合金导电、导热性能优异，且易于加工成型，但是密度较大且价格较高。铝合金成本较低，密度约为铜的1/3，且热电性能与铜合金差距不大。以铝铜复合结构替代全铜结构，可减少铜合金的使用，减轻构件的质量，且性能可满足多数指标要求[1]。

铜铝之间的连接是“以铝代铜”最突出的问题。铜与铝均属于易氧化金属，熔点、热胀系数差异很大，过度的化学冶金反应容易生成粗大的脆性化合物，故难以采用传统熔化焊方法实现连接[2]；压焊和爆炸焊工艺的焊接变形量很大；摩擦焊、扩散焊等工艺只适用于形状规则的简单构件。钎焊具有变形量小、易操作的优点，可以满足复杂构件的连接需求[3]。

铜-铝钎剂的主要成分为氯化物和氟化物熔盐。氯化物钎剂因吸潮的缺点，易造成铜-铝接头的电化学腐蚀[4]。氟化物钎剂的主要成分是氟铝盐，具有无腐蚀不潮解的优点。氟铝盐主要分为KF-AlF3和CsF-AlF3两类，KF-AlF3的共晶温度高达558 °C，只能应用于部分高熔点铝合金与铜之间的钎焊。CsF-AlF3熔盐的熔点较低，对镁含量高的合金活性较好，近年来逐渐成为了研究的热点。但是CsF-AlF3化合物的价格远高于KF-AlF3，使其不能像传统Nocolok钎剂一样广泛应用[5]。而且利用钎剂进行大面积焊缝或镶嵌结构的钎焊时，易造成钎剂残留物夹杂。

超声波钎焊方法由于其独特的焊接方式和操作的灵活性，能够完成特殊及复杂结构等构件的精密焊接，已被广泛应用于异种金属材料的连接中。崔炜等[3]研究了Sn-Zn钎料钎焊铜/铝的界面结构，指出铜侧界面化合物的厚度会显著影响接头强度。肖勇等[6]研究了Zn-Al钎料钎焊铜/铝的工艺，通过调整钎料成分，控制钎焊温度和超声处理，实现了对铜侧界面的Cu-Zn-Al化合物厚度和结构的调控。

本文采用超声波复合钎焊工艺，实现了5A06铝合金和工业纯铜的镶嵌结构的连接，重点研究了结构不同位置结合界面的微观结构特征和强度。本文旨在提供一种低温无钎剂钎焊铜铝结构的技术，该技术具有后续处理简单、无残留物夹杂和腐蚀的优点，对构件结构形式无苛刻要求，特别适用于较大尺寸焊接面积构件的连接。

1 试验材料及工艺

母材选择5A06铝镁合金和工业纯铜。工业纯铜尺寸分别为直径40 mm、高5 mm的柱体和30 mm×30 mm×5 mm的块体。铝合金尺寸为70 mm×70 mm×10 mm，根据工业纯铜的尺寸，在中心制备有相应尺寸的凹槽，用于纯铜的镶嵌连接。钎料为自行炼制的Zn-5Al-3Cu合金（按质量百分比）。钎料的熔点约380 °C，故设定钎焊温度为400～450 ℃。

焊接设备为精密超声波复合钎焊系统，该钎焊系统可在无钎剂应用的大气条件下实现钎焊连接，超声波振幅范围为5～18 μm。图1是利用超声波复合钎焊工艺连接铜-铝镶嵌结构的工艺示意图。首先利用加热台将铝合金加热至钎焊温度，在凹槽中放置钎料合金，待钎料熔化后，在钎料熔体内施加超声，利用超声空化效应去除铝合金的氧化膜，使钎料润湿凹槽表面，如图1 (a)所示。随后将铜试样镶嵌入凹槽，挤出多余的钎料，施加超声波使钎料润湿纯铜，超声波作用时间为10～30 s，如图1 (b) 所示。停止超声振动后，将镶嵌结构试样从加热台取下空冷。

图1 超声波复合钎焊工件装配示意图

通过线切割切取接头的截面，按照标准方法制作金相试样。经打磨抛光腐蚀后利用金相显微镜（OLYMPUSPMG3）和扫描电子显微镜（Quanta200F）观测其组织；利用扫描电子显微镜配置的能谱分析仪（EDAX）对钎缝成分进行分析。

通过电子万能材料试验机（Instron-5569），采用剪切强度评价接头的力学性能；利用Bareiss硬度计测量母材、钎缝中各相的维氏硬度。

2 试验结果及讨论

2.1 铝/铜超声波钎焊接头组织结构分析

图2 是铜-铝钎焊件的整体宏观图像。从整体宏观图像可以看出，侧焊缝及底部焊缝内部均不存在宏观缺陷，填缝率可达100%，无夹杂或夹气，焊接质量良好。

图2 焊接样件宏观形貌

采用金相显微镜对铜-铝镶嵌接头的侧焊缝和底部焊缝进行观察，结果如图3所示。图3 (a) 是底部焊缝的界面照片。铜侧和铝侧的氧化膜基本完全去除，并形成了良好的结合。焊缝中几乎不存在任何缺陷，只有个别区域分布着微小气孔。铜侧界面的区域出现了不均匀溶蚀，溶蚀深度可达200 μm。该不均匀溶蚀行为与超声波空蚀效应有关[7]。图3 (b)是侧焊缝的截面照片，结果表明，镶嵌结构的侧焊缝和底部焊缝的组织结构差异不明显。钎料域的组织主要有4种结构，分别为灰色不规则树枝晶(富铝相)、深黑色富锌相、浅灰色块状组织和浅灰色长条状化合物。

图3 界面的金相组织结构

图4是扫描电子显微镜下铜-铝焊缝组织的微观结构。表1是焊缝区域各相的EDS能谱分析结果。焊缝区域中α-Al以树枝晶形式析出长大；基体B为Zn-Al-Cu-Mg四元共晶组织，呈现出典型的共晶组织花样；C和D的主要元素为Cu和Al，以不同的截面呈现出不同的形状特征。据文献[8]、[9]的研究推断，该相为CuAl2化合物，在钎缝中析出的主要原因为钎缝内Al元素的浓度较高。在个别α-Al树枝晶的晶间或Zn-Al-Cu-Mg四元共晶的边缘区域存在灰色的相(E)，这些相为不均衡凝固过程中析出的η-Zn相。

图4 界面的金相组织结构

表1 图4中铜-铝焊缝区域各相EDS能谱分析结果(质量分数)%

图5是铜-铝钎缝铝合金侧界面放大图像。铝合金通过过渡层与钎料层形成了良好的界面结合，图5中各相的EDS能谱分析结果如表2所示。界面组织成分与焊缝内部相似，其中深颜色的颗粒E为单质Si，其在整个焊缝中数量较少。界面的线扫描分析结果(图5 (b))表明，界面过渡层为Zn元素向铝合金内部扩散所造成，同样为固溶了Zn元素的α-Al，但是其Zn含量要比焊缝中的α-Al相要少，且局部界面处还存在CuAl2化合物。

图5 接头铝侧界面组织结构

表2 图5中铜-铝焊缝区域各相EDS能谱分析结果(质量分数)%

图6是铜-铝钎缝铜侧界面的微观组织。铜侧界面同样形成了良好的冶金结合，并存在着反应层。反应层呈现两种特征，如图6 (a) 所示的反应层由一种化合物构成；图6 (b) 所示的反应层则呈现出多层的结构，可能由2～3种不同的化合物构成。图6 (a)和(b)的界面反应层中，靠近铜侧的化合物是相同的。如图7 所示，对多层结构的反应层进行放大观察，化合物层厚度分布较均匀，约为2～3 μm。图7中各相的EDS能谱结果如表3所示。近铜界面侧的化合物为CuZn5化合物相，这与文献[10]的结果一致。利用线扫描对铜侧母材到钎缝中元素分布进行了分析，结果如图8所示，在界面处随着Cu元素含量的陡降，Zn、Al元素的含量上升。其中Zn元素的高峰更靠近基体，而Al元素的高峰则更靠近钎料。这说明界面处化合物应该为Cu-Zn化合物，而反应层中的其它化合物主要是CuAl2化合物和Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物，后一种化合物与文献[11]描述的相一致。

图6 接头铜侧界面组织结构

根据微观组织的特征，可以推测钎缝的形成过程。超声波作用下，液态钎料合金中的空化效应破碎母材表面氧化膜，并发生母材向钎料内部的适量溶解[12]；超声波的声流效应使得溶解元素迅速扩散，在液态钎料中均匀分布；冷却过程中，CuAl2化合物和α-Al相固溶体随机地生成于焊缝中，因此形成了一种较为均匀且类似于复合材料结构特征的焊缝组织；继而在两侧界面处并未发生由于元素偏析而形成的单一粗大组织，特别是铜侧界面，并不存在连续的粗大的CuAl2和Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物。

图7 接头铜侧界面组织结构高倍图片

表3 铜侧界面组织成分表(质量分数) %

2.2 铝/铜 超声波钎焊接头力学性能分析

图8 铜侧界面线扫描能谱分析结果（图6 中cd 线）

在超声波复合钎焊的铜-铝镶嵌结构中不同部位切取试样进行剪切测试，得到接头的剪切强度范围为89～100 MPa。姬峰等[13]研究了铜侧界面化合物厚度对铜-铝钎焊接头强度的影响，当化合物厚度约6～7 μm时，剪切强度最高达77 MPa。张满等[14]采用Zn-5Al钎料和钎剂钎焊铜-铝接头，最高剪切强度约44 MPa。对比可知，采用超声波钎焊连接铜/铝接头所获得强度比较高，且工艺稳定性好，这对于提高铜铝复合结构的稳定性显得尤为重要。图9为经过剪切测试的接头试样的宏观图片，断裂主要发生于接头中的铜侧界面附近，而个别断裂区域位于铝侧界面附近。

图9 铜铝接头剪切性能测试的断裂试样

图10 为铜侧界面附近的断裂路径，其中主裂纹位于界面化合物CuZn5与铜基体的界面处，这与文献[11]的结果相类似。少量次裂纹主要分布于近主裂纹的Zn-Al-Cu三元共晶组织及块状的CuAl2化合物中，如图9 (b)所示，且次裂纹之间并未相连。结果表明，接头在变形开裂的过程中，三元Zn-Al-Cu共晶组织发生开裂，裂纹向钎缝内部扩展。在主裂纹扩展过程中，部分CuAl2化合物内部也发生了开裂，说明CuAl2化合物本身变形能力较差。

图10 铜铝接头剪切性能测试的断裂位置

图11 铜铝接头剪切性能测试的断裂位置

如图12所示，对铜侧界面的附近组织的硬度进行了测量。硬度数据如表4所示。近界面化合物难以获取硬度数值，但是可以通过大块化合物硬度数值了解到Cu-Al化合物属于脆硬组织。硬脆化合物属于对裂纹较为敏感的组织，所以界面硬脆化合物的存在肯定对接头的性能产生影响。对于Cu-Al元素之间，界面化合物的产生很难避免，合理控制其厚度和种类将有助于提高界面结合强度。

力学测试结果表明，采用超声波复合钎焊方法能够实现铜/铝的连接，铜侧界面的结合情况仍是整个接头的薄弱环节，但是与文献报道的铜-铝接头强度相比，本方法的接头强度较高（95 MPa）。之所以能够获得高强度接头的原因是：将超声波引入钎焊过程，不仅空化效应有助于实现母材表面氧化膜的去除，而且声流效应有助于液态焊缝中的成分均匀化，进而使得最终焊缝获得均匀分布组织结构及适宜的界面反应产物。

表4 铜侧界面附近组织的硬度分布

图12 铜铝接头中铜侧界面附近组织硬度结果

3 结论

1）采用超声波复合钎焊的工艺实现了5A06铝合金和工业纯铜镶嵌结构的连接。利用超声的空化效应去除了铜、铝的氧化膜，通过加速铜、铝元素的溶解，使钎缝中铜、铝元素比例远高于钎料成分；利用声流效应促进了钎缝组织的均匀化，使得接头不同部位具有相似的微观结构。

2）钎缝由α-Al枝晶、CuAl2化合物、η-Zn相及Zn-Al-Cu-Mg共晶构成。铝合金侧界面过渡层为Zn-Al扩散层，铜 侧 界 面 形 成 了 连 续 的 由CuZn5或CuZn5、CuAl2及Al4.2Cu3.2Zn0.7构成的单层或多层金属间化合物层。

3）接头剪切强度为89～100 MPa，主要断裂在CuZn5和铜基体的界面处。界面附近的CuAl2和Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物具有较高的硬度。