简介概要

复合层对Al接触反应钎焊过程及接头性能的影响

来源期刊：中国有色金属学报2002年第2期

论文作者：殷世强邱小明孙大谦

文章页码：323 - 326

关键词：Al钎焊；共晶反应；复合层

Key words：aluminium brazing; eutectic reaction; compound layer

摘要：研究了Cu, Zn复合层对Al接触反应钎焊过程和接头质量的影响规律。Cu和Al形成共晶液相破坏了Al表面氧化膜，促使Cu-Zn包晶液相和Al-Zn-Cu共晶液相在Al表面润湿。结果表明，采用复合层进行Al接触共晶反应钎焊时，Cu和Zn厚度比例合适，可提高钎焊接头的抗电化学腐蚀性能和接头强度。

Abstract: The effects of Cu-Zn compound layer on the process and joint properties of the Al contacting eutectic reaction brazing were studied. Cu-Al eutectic liquid phase can effectively destroy the Al oxide film on the parent metal, and Cu-Zn liquid phase and Al-Zn-Cu eutectic liquid phase can wet in the surface of the Al parent metal. The results show that, in Al cont acting eutectic reaction brazing with Cu-Zn as compound layer, when the thickness proportion of Zn to Cu is appropriate, the electrochemical corrosion resistance and strength of the joint can be improved.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.02.025

复合层对Al接触反应钎焊过程及接头性能的影响

殷世强邱小明孙大谦

吉林大学材料科学与工程学院

吉林大学材料科学与工程学院长春130025

摘要：

研究了Cu , Zn复合层对Al接触反应钎焊过程和接头质量的影响规律。Cu和Al形成共晶液相破坏了Al表面氧化膜 , 促使Cu Zn包晶液相和Al Zn Cu共晶液相在Al表面润湿。结果表明 , 采用复合层进行Al接触共晶反应钎焊时 , Cu和Zn厚度比例合适 , 可提高钎焊接头的抗电化学腐蚀性能和接头强度

关键词：

Al钎焊;共晶反应, 复合层;

中图分类号： TG454

收稿日期：2001-06-04

基金：吉林省科技发展基金资助项目 (960 90 9);

Effect of compound layer on process and joint properties of Al contact eutectic reaction brazing

Abstract：

The effects of Cu Zn compound layer on the process and joint properties of the Al contacting eutectic reaction brazing were studied.Cu Al eutectic liquid phase can effectively destroy the Al oxide film on the parent metal, and Cu Zn liquid phase and Al Zn Cu eutectic liquid phase can wet in the surface of the Al parent metal. The results show that, in Al contacting eutectic reaction brazing with Cu Zn as compound layer, when the thickness proportion of Zn to Cu is appropriate, the electrochemical corrosion resistance and strength of the joint can be improved.

Keyword：

aluminium brazing; eutectic reaction; compound layer;

Received： 2001-06-04

铝及铝合金由于具有导热性好、密度小、抗腐蚀性强、价低等优点, 近年来在生产中的应用日趋广泛 ^[1,2,3] 。因此, 研究开发铝及铝合金钎焊新方法、新材料、新技术将会带来相当大的经济和社会效益。

接触共晶反应钎焊是利用某些异种金属能形成共晶的特点, 在界面接触良好且加热至高于共晶温度的条件下, 依靠金属原子间的互扩散在界面处形成共晶反应层作为钎料把金属钎焊起来的方法。此种钎焊方法的焊接温度低, 但钎缝再熔化温度高, 且不用钎剂, 近年来引起了广泛重视 ^[4,5,6] 。铝和许多金属可以形成共晶, 目前已经开展了Cu, Ni, Ag, Zn等单层的Al接触共晶反应钎焊过程和机理研究。 Cu和Zn作共晶反应层进行Al接触共晶反应钎焊是较合适的。 Cu作为共晶反应层有破除氧化膜, 促进共晶液相润湿铺展的作用, 但接头的抗电化学腐蚀性能较差, 且共晶反应层较脆; Zn作为共晶反应层可明显提高接头的抗电化学腐蚀性能, 且Al中可以溶解大量Zn, Al和Zn形成有限固溶体对钎焊接头的性能有利, 但其无破除氧化膜, 促进共晶液相润湿铺展的作用 ^[7,8,9] 。作者利用Cu, Zn的优点, 用Cu和Zn作为复合反应层, 探讨复合层对Al接触共晶反应钎焊过程及接头质量的影响规律。

1 实验

实验用母材为工业纯Al, 规格是25 mm×10 mm×3 mm。实验中选取以纯Cu和纯Zn复合作为共晶反应层和Al进行接触共晶反应钎焊。根据实验要求, 将Zn制成0.20 mm, Cu分别制成0.20 mm, 0.15 mm, 0.10 mm, 0.05 mm和0.03 mm的箔片。钎焊前所有材料都进行化学处理去除氧化膜。

将处理过的Zn箔和Cu箔夹于两个Al试件间, 如图1所示, 放入特制的气体保护钎焊加热炉中, 并对钎焊接头施加一定的压力, 在纯度为99.99%氩气保护条件下, 将试件加热至560 ℃, 保温5 min。钎焊后, 试件放在0.1% H₂SO₄水溶液中保持150 h, 然后制成金相样品。通过焊态和腐蚀后的接头强度变化来评定接头的抗电化学腐蚀性能。接头强度实验是按GB89-11363方法进行的。

图1 复合层示意图

Fig.1 Schematic of compound layer

2 结果与讨论

2.1 Al复合层接触共晶反应钎焊过程

采用复合层进行Al接触共晶反应钎焊, 其共晶反应层的形成较单层时要复杂得多。 Zn在419 ℃熔化, 在424 ℃与Cu发生包晶反应, Cu和Al在548 ℃发生共晶反应 ^[10] , 反应层的形成是上述反应的复合过程, 和单层Al接触共晶反应钎焊比较, 也可分为3个阶段 ^[11,12] 。

第1阶段: 复合层 (Zn/Cu) 之间及与Al母材间的扩散溶解。从微观角度考虑, Zn/Cu和Cu/Al界面的接触是点接触。加热过程中, 在力和热扰动的作用下接触点处发生塑性流动, 原子互扩散优先在该处进行。随着温度的升高, 原子的互扩散能力增强, 其驱动力为成分浓度差, 扩散速度取决于原子在固相中的扩散系数 (D_S) 。当温度达到约420 ℃时, Zn熔化, 在424 ℃发生包晶反应产生液相, 两种液相混合润湿Cu表面并促进Cu向液相的溶解。同时, 在Cu/Al界面处, 存在着固相原子的互扩散, Cu优先沿着Al表面晶界扩散, 并随着温度的升高, 扩散速度及扩散量增加 (如图2所示) 。当温度高于548 ℃时, 在Cu/Al界面处发生共晶反应, 首先在晶界处形成液相, 所形成的微薄共晶液相沿氧化膜下Al表面扩散, 将Al表面氧化膜浮起, 有效地破坏了Al表面氧化膜。此时, 形成的Cu-Al共晶液相与原有的液相相互溶解扩散, 将氧化膜浮起、破碎, 液相混合在一起, 在Al表面润湿铺展。

图2 Cu-Al接触共晶反应钎焊中Cu沿Al晶界扩散形貌 (a) 和Cu的面扫描图 (b)

Fig.2 Morphology of Cu diffusion along Al grain boundary (a) and surface scanning image of Cu (b) in Cu-Al eutectic reaction brazing

第2阶段: 液态反应层的均匀化。由于第1阶段反应生成的液相与固相母材Al之间的成分是不均匀的, 液相中的Cu和Zn原子向母材Al中扩散, 固相母材Al原子向液相溶解扩散, 使液相层的宽度增加, 该过程主要受控于原子在固相中的扩散系数 (D_S) 。与此同时, 液相成分通过扩散也经历着均匀化过程, 其均匀化速度主要受控于原子在液相中的扩散系数 (D_L) 。

第3阶段: 液态反应层的等温凝固。随着固/液界面附近固相Al中Cu, Zn原子向深处进一步扩散, 使液相中Cu, Zn原子浓度降低, 熔点升高, 在液/固界面处结晶, 直至反应层完全结晶成固相, 最后形成钎缝 (如图3所示) 。

由此可见, 采用Cu和Zn复合层进行Al接触共晶反应钎焊, Cu的主要作用是破除氧化膜, 促进液相在Al表面润湿。因此, 采用适当的Cu和Zn含量比对提高接头质量十分重要。

2.2 复合层对接头电化学腐蚀和强度的影响

Al接触共晶反应钎焊时, 由于共晶反应层与母材的成分和性能截然不同, 其电极电位也就不同, 在共晶反应层—母材Al界面处 (钎缝区) 将形成微电池, 使接头发生电化学腐蚀, 电极电位低的合金作为阳极将被腐蚀掉。很显然, 共晶反应层成分、性能和含量对接头的抗电化学腐蚀有着重要的影响。表1所列是测得的几种金属及铝共晶反应层的电极电位。由表1可见, Cu箔厚度对接头的抗电化学腐蚀起决定性作用。

图3 接触共晶反应钎焊接头形貌

Fig.3 Morphology of eutectic reaction brazing joint

表1 几种金属及铝共晶反应层的电极电位

Table 1 Electrode potential of some metals and Al eutectic reaction layers

Metals and eutectic system	Electrode potential/V
Al	-0.83
Zn	-1.10
Cu	-0.20
Al-Zn	-0.78
Al-Cu	-0.49
Al-Zn-Cu	-0.70

随着Cu箔厚度增加, Cu含量增加, 共晶反应层与母材Al电极电位差增大, 从而降低接头抗电化学腐蚀性能, 母材Al被腐蚀掉。因此, 采用复合层进行Al接触共晶反应钎焊时, Cu和Zn厚度比例合适时, 可获得较高抗电化学腐蚀的Al接触共晶反应钎焊接头 (强度见表2) 。当δ (Cu) =0.05 mm, δ (Zn) =0.20 mm (即共晶反应层合金成分为67%～82% Al, 13%～26% Zn, 4%～6% Zn) 时, 焊态下接头的抗剪切强度可达55～61 MPa, 接头在腐蚀性介质中放置150 h后, 其剪切强度仍可达48～55 MPa。

表2 Al接触共晶反应钎焊接头强度

Table 2 Joint strength of Al eutecticreaction brazing

Thickness of Cu foil, δ/mm	Shearing strength in welding, τ/MPa	Shearing strength in corrosion, τ/MPa
0.03	47～53	36～40
0.05	50～61	48～55
0.10	44～53	34～43
0.15	44～52	27～31
0.20	38～47	12～20

复合层Cu和Zn厚度比除影响接头的抗电化学腐蚀性能外, 还影响焊态下的接头抗剪切强度。由表2可见, Cu片厚度在0.03～0.10 mm范围内, 接头具有较高的抗剪切强度, 断口具有明显的韧性断裂特征 (如图4所示) , 经180 ℃弯曲实验, 接头处无裂纹出现。 Cu片厚度的影响实质上是共晶反应层中Cu含量的影响。 Cu箔较厚 (δ>0.15 mm) 时, 共晶反应层中Cu含量较高, 更多的CuAl₂化合物沉淀于晶界, 提高了反应层的脆性和硬度 (如图5所示) , 降低接头的抗剪切强度。