銅鋁異質金屬火焰釬焊試驗研究

閆 飛，孫欽德，徐道榮，吳圣川

(合肥工業大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009)

銅鋁異質金屬火焰釬焊試驗研究

閆 飛，孫欽德，徐道榮，吳圣川

(合肥工業大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009)

選用AlSiLaSr、鋅鋁8213、8515三種釬料研究LF6/Cu火焰釬焊。并通過金相顯微鏡，掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對焊后接頭進行金相分析，形貌和物相分析。結果表明：8515釬料的釬焊工藝效果較好，焊縫中的Cu5Zn8相、α－Al相和β－Cu相較多，Cu9Al4相和CuAl相次之，AlCu5較少。釬料中加入少量的稀土元素不僅可以細化焊縫中的晶粒，而且可以使焊縫的組織更加致密。焊縫中大量的脆性相的產生，導致過渡區和焊縫中心區的硬度明顯升高，同時也導致接頭的強度降低。要獲得較好的接頭，必須調整焊接的工藝參數，保證釬縫中的脆性相呈不連續分布或彌散狀態存在。

LF6/Cu；火焰釬焊；脆性相

0 前言

由于鋁合金具有密度低、強度高、耐腐蝕、熱導和電導率高以及加工性能好等優點而發展迅速，已廣泛應用于各領域和國防建設中，用量僅次于鋼鐵材料，成為第二大金屬材料。銅及其合金具有優良的導電、導熱性能、耐腐蝕和良好的加工成形性已獲得了廣泛的應用[1－2]。鋁的密度是銅的三分之一，因此將銅、鋁及其合金連接形成復合結構，不但能減輕構件的質量、節約材料，而且能發揮各自的優勢[3]。鋁銅異種有色金屬接頭廣泛應用于電力、化工、制冷和航空航天工業中，具有廣泛的實際應用價值，而焊接是實現銅、鋁及其鋁合金連接并滿足鋁銅接頭力學性能和使用性能的可靠方法。

銅鋁的焊接方法有閃光對焊、摩擦焊、冷壓焊、電容儲能焊、真空擴散焊等。銅鋁焊接時的主要問題是銅鋁金屬之間的化學勢存在很大的差異，導致接頭的腐蝕。此外，焊縫中還會有脆性化合物的生成，導致焊接接頭強度降低。

鋁銅釬焊主要存在兩個問題：一是需使用腐蝕性強的釬劑去除鋁表面的氧化膜，但釬劑殘渣吸潮后形成電解液，構成強烈的腐蝕劑腐蝕接頭；二是鋁銅原子擴散較快，容易在接頭區形成易熔的脆性共晶相，導致接頭強度降低[4－5]。在此選用三種不同的釬料火焰釬焊銅鋁異質金屬，探討不同的釬料選擇對釬縫組織形貌以及性能的影響。

1 試驗材料和工藝參數

試驗母材選用防銹鋁LF6，銅采用工業純銅，將其加工成標準的釬焊試樣，釬料選用絲狀鋅鋁8515釬料、鋅鋁 8213、AlSiLaSr釬料(配合 Noclok 釬劑使用)，鋅鋁釬料的直徑 φ 2.0 mm，主要成分 Zn、Al、Cu，心部為無腐蝕性氟化物。母材的化學成分如表1所示。

表1 母材化學成分%

焊前經過一系列機械和化學方法去除母材和釬料表面的氧化物和油垢，確保焊前母材表面平整、干凈。選用搭接形式，搭接量約10 mm。焊前預熱銅板，確保銅板受熱均勻，在使用Noclok釬劑時，可先將釬劑涂在板材表面。

2 試驗結果與討論

2.1 接頭的金相分析

Cu/LF6釬焊的接頭界面區包括靠近Cu基體的過渡區，焊縫中心區和靠近Al基體的過渡區，如圖1所示。從圖1a可知，垂直于Al基板表面的方向形成粗大的柱狀晶，Al晶粒的長大可能是釬料中Cu和鋁基體共晶反應的產物，在這個反應中鋁被加熱到熔點以下熔化。釬縫中心區形成了錯綜復雜的樹枝狀晶，這是因為焊縫中心區液相的溫度最高，而靠近母材的擴散區溫度相對較低，在這種負的溫度梯度下有利于樹枝晶生長。在靠近母材Cu一側擴散區中形成一些纖細的棒狀結構，這主要是α－Al＋CuAl2的共晶體。從圖1b可知，選用8515釬料釬焊Cu/LF6時，焊縫的界面比較平直，組織比較均勻，以纖細的棒狀結構為主，這可能是釬縫中的Al、Cu、Zn形成二元或者三元共晶組織。從圖1c可知，焊縫中主要以細小的等軸晶體為主，這是因為鋁硅釬料中含有少量的稀土元素La，在釬焊Cu/LF6時，可以增強釬料的潤濕性，細化鋁合金晶粒，降低脆性，促進合金與釬料中的Si等元素的均勻擴散，從而提高釬焊接頭的強度和韌性。靠近母材LF6一側的界面呈波紋狀，這說明釬料中的組元與母材LF6發生了劇烈的冶金化合反應，釬料中的Si元素等通過擴散作用滲透到母材LF6基體中，起到彌散強化作用。靠近母材LF6一側還出現了溶蝕現象，這主要是由于鋁硅釬料熔點與鋁合金的熔點接近，在使用火焰加熱時溫度偏高導致母材向釬料過度溶解。

圖1 LF6/Cu接頭區金相照片

2.2 接頭區硬度分布

試驗中使用MH－3電子顯微硬度計，在試驗載荷25 g，保載時間10 s的條件下分別測定試驗擴散區、界面區和焊縫中心區的維氏硬度，得到焊接接頭的維氏硬度分布規律，如圖2所示。母材LF6的硬度約67 HV，而靠近Al基體的過渡區的硬度值比母材LF6的硬度高76 HV，這主要是因為Si擴散到Al基體中形成的固溶體有相當高的硬度。柱狀晶中的固溶體越多，柱狀晶的硬度就越高。焊縫中心區的硬度較高，達178.9 HV，這主要是焊縫中心區生成很多 Cu－Al間化合物，如 Al4Cu9、AlCu 等，這些脆性相的生成導致接頭的硬度升高，強度變差，同時還會導致接頭在使用過程中耐腐蝕性能變差。靠近Cu基體一側的過渡區硬度值也比母材Cu的硬度高，這可能是部分金屬間化合物滲透到Cu基體的晶界中，起到了強化基體的作用。

圖2 LF6/Cu接頭區應力分布

2.3 接頭區的能譜分析

為了進一步了解焊縫中的各種元素的分布以及相對含量，試驗中對8515釬料釬焊的Cu/LF6接頭試樣進行了線掃描和能譜檢測，如圖3所示。線掃描方向由母材垂直經過釬縫。

圖3 Cu/LF6頭掃描圖譜(8515釬料)

從圖3可知，LF6一側的擴散區發現有少量的Ag，這是8515釬料中擴散來的，這說明Ag在釬焊過程中優先沿LF6界擴散。從表2中可知，釬縫中心區不含Ag，而在LF6側富集，形成一個富Ag區，以Ag基為主，Ag在母材擴散區里與Al形成共晶，有利于增強接頭的強度。此外，還形成一個富Zn區，可能會形成ZnAl化合物。釬縫中心區含有少量的Si，這主要在釬料與母材LF6冶金反應過程中擴散過來的，適量的Si可在Al基體中形成二元或三元共晶組織，可降低鋁合金的收縮量和熱裂傾向，減少疏松、縮孔、熱裂和變形等缺陷。在Cu側擴散區含有較多的Cu和Al，可能會形成強化相Al2Cu，提高基體的強度，也可能形成AlCu等脆性相，導致接頭性能變差。在三區中還可以看到含有不少的C和O，可能是在釬焊時高溫條件下接頭區部分氧化，也可能是在硝酸酒精腐蝕接頭時引入的。在LF6側擴散區含有較多Cu元素，而在Cu側擴散區含有較多的Al，這說明在使用8515釬料釬焊Cu/LF6，釬料中的組元和母材中組元可以充分擴散，達到比較理想的釬焊接頭效果。

表2 Cu/LF6頭元素分布(8515釬料)

2.4 接頭區的XRD分析

利用X射線對8515釬料釬焊的LF6/Cu接頭的焊縫進行相組成判定，結果如圖4所示。從衍射圖譜中可以看出，釬縫組織中除了含有α－Al固溶體、Cu9Al4、CuAl和 AlCu5還有 Cu5Zn8和 β －Cu 相，其中 Cu5Zn8相、α －Al相和 β －Cu 相較多，Cu9Al4相和CuAl相次之，AlCu5較少。焊縫中心區生成較多的脆性相會嚴重削弱接頭的強度，因此焊后需采取必要的措施來彌散這些脆性相。α－Al相和β－Cu相這些固溶體雖然強度比較大，但是如果工藝參數選擇不當會導致焊縫中的晶粒粗大化，使接頭的強度降低，性能變差。因此，要獲得較好的焊接接頭，就要調整工藝參數，消除焊縫中出現的脆性相，或者采取一定的措施保證焊縫中的脆性相呈不連續分布或彌散狀態存在。

2.5 接頭區形貌分析

采用8515釬料火焰釬焊LF6/Cu接頭焊縫中心區的SEM形貌如圖5所示。從圖5中可以看到，釬縫中主要由團塊狀的深灰色相、較大顆粒的灰白色相、小顆粒的淺灰色相組成。釬縫中深灰色相，可能是α－Al相，晶粒粗大，呈鑲嵌式存在于釬縫組織中；灰白色的相可能是Cu－Zn化合物，呈零星狀分布；淺灰色的相可能是α－Al＋CuAl2共晶組織，晶粒細小，呈網狀分布，有利于改善釬縫的性能。由于在同一環境中，電位越負的金屬越易成為電偶的陰極而被腐蝕，電位越正的金屬越易成為電偶的陽極而不被腐蝕，因此冷卻時焊縫中大量脆性相Cu9Al4，而Cu9Al4的電位要比鋁的電位高，這樣就很容易產生晶間腐蝕。

圖4 LF6/Cu釬焊接頭區X衍射圖譜

3 結論

(1)采用8215、8515鋅鋁釬料以及AlSiLaSr鋁基釬料來火焰釬焊LF6/Cu是可行的，其中8515釬料的釬焊工藝效果最好。

(2)接頭部位釬縫中心區的硬度最高，178.9 HV；Cu側界面區和Al側界面區的硬度明顯高于相應的母材，其硬度值與到母材的距離近似呈線性變化。

(3)XRD衍射結果表明，焊縫中的物相主要含有 Cu5Zn8相、α －Al相、β －Cu相和 Cu9Al4相，大量脆性Cu9Al4相存在，導致接頭的硬度升高，強度降低。因此必須優化工藝條件，保證釬縫中的脆性相呈不連續分布或彌散狀態存在。

圖5 LF6/Cu火焰釬焊接頭的SEM形貌照片(8515釬料)

[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.異種金屬焊接[M].北京：機械工業出版社，1986.20－30.

[4]陳學定，宋 強，俞偉元，等.鋁基釬料真空釬焊接頭的腐蝕性[J].焊接學報,2003,24(1):40－43.

[5]楊瑞鵬，蔡殉王，李培祖，等.鋁銅直接釬焊的研究[J].焊接技術，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

汽車車身先進設計制造國家重點實驗室基金資助項目(30915005)；國家自然科學基金資助項目(51005068)

閆 飛(1984—)，男，河南洛陽人，碩士，主要從事先進材料的焊接研究工作。