淺談熱處理過程中AA5083鋁合金的釬焊

摘 要：文章初步研究了鋁合金在熱處理過程中（無保護氣氛或真空條件）釬焊的可能性，分析了釬焊接頭的顯微組織。同時通過對釬焊接頭組織的觀察初步分析了試樣表面粗糙度，載荷以及冷卻速度對釬焊的影響。

關鍵詞：鋁合金；熱處理；釬焊；表面粗糙度；冷卻速度

中圖分類號：TG146.21 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）33-0075-03

1 背景概述

鋁合金釬焊是一種不熔化母材而靠釬料熔化后與基體形成金屬鍵結合的一種焊接方法[1]。由于鋁合金在空氣中易氧化，形成一層厚而均勻的氧化膜。

同時，填充金屬與母體的熔點差小，在加熱過程中顏色不變。因此鋁合金的釬焊一般是在保護氣氛下或真空條件下進行。

現在鋁合金釬焊的工藝因素有了深入研究，包括釬料和釬劑[2-3]。于文花等發現在Al-Si低溫鋁基釬料中加入Cu和其他微量元素能大大提高釬料的潤濕性以及釬焊接頭的強度[4]。

丁寶珠等研究了Cu和Ag等合金元素對Zn-Al釬料的熔化溫度，潤濕性等的影響。他們發現釬料在添加3% Cu，1% Ni和0.5% Ag后能大幅降低釬料的熔化溫度而且提高釬料與母材的潤濕性能，從而可以得到力學性能較高的釬焊接頭[5]。

同時，很多人對釬劑的應用也做了深入研究。蔣金龍發現無腐蝕性的NOCOLOK釬劑可以解決釬劑殘渣的腐蝕困擾，從而取代氯化物基釬劑[6]。

何鵬等研究開發了鋁釬料膏，實驗結果發現用Al-Si共晶合金粉，氟化物釬劑和粘結劑按適當比例配制的膏狀釬劑具有較好的焊接性能和焊縫成型性[7]。

但是，現代工業對于大尺寸鋁合金的應用越來越多。因此，在這種條件下，在保護氣或真空條件下的釬焊比較難實現。同時，鋁合金在應用前會根據合金類型的不同進行不同溫度下的熱處理。

因此，能否在升溫過程或是熱處理過程中完成大尺寸鋁合金件的釬焊成為了工業亟需解決的問題。本文在熱處理過程中首先在小尺寸的鋁合金試樣上進行了釬焊處理，研究了試樣表面粗糙度，壓力以及冷卻速度對熱處理過程中釬焊的影響，初步評估了熱處理過程中釬焊的可操作性。

2 試驗材料

本實驗采用AA5083鋁合金，合金成分為Al-4.5% Mg- 0.8% Mn-0.4% Si-0.4% Fe（均為質量分數）。試驗尺寸為10 cm（長）x10 cm（寬）x2 cm（高）。熱處理溫度采用425 ？觷C。釬料為市場上購買的鋅基釬料，其熔化溫度為380～400 ？觷C。

首先將釬料放于兩塊母體金屬之間，然后加載一定的力。然后將試樣置于有空氣循環風的電加熱爐中。升溫速度為 150 ？觷C/h。在達到設定溫度425？觷C后，保溫2 h。

最后對試樣進行冷卻。本實驗研究了3種參數對釬焊的影響：試樣表面粗糙度（鋸切面和拋光鏡面），載荷（0.047和0.094 MPa）和冷卻速度（爐冷和空冷）。

在完全冷卻后，試樣被切割，然后拋光進行斷面觀察。拋光過程是在Struers Tegrapol-35進行的。同時，利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡對釬焊接頭組織進行了觀察和相分析。

3 試驗結果及分析

3.1 釬料組織和釬焊接頭組織

釬焊接頭組織的掃描電鏡結果，如圖1所示。可以看出，在釬焊接頭內，有各種不同的相分布。

從成分分析結果可以得出，在釬焊接頭內，主要有四種組織：黑色的為Al-Zn-Cu（圖1b）。亮白色的為Zn-Mg-Al-Cu組織（圖1b），但是鎂的含量相對于灰色塊狀相（圖1d）較少。

最后一種是灰色的共晶網狀組織（圖1e），其成分為Al-Cu-Zn，但是Zn含量高于圖3b中的Al-Zn-Cu組織。除此之外，兩條明顯的裂紋可以從圖1a中清晰的觀察到。裂紋形成的主要原因可能是在冷卻過程中，液體收縮但是不能得到及時的補縮，從而導致了釬料和母材的分離，形成了裂紋[8]。在本實驗中，裂紋的寬度作為判斷各種參數對釬焊影響的主要依據。

3.2 試驗參數對釬焊的影響

在不同粗糙度和載荷下的釬焊接頭組織，如圖2所示。圖2a和2b分別代表工業鋸切面和拋光鏡面，從而研究表面粗糙度對釬焊的影響。可以看出在兩種不同的表面粗糙度下，釬焊效果有很大的區別。

在2a-工業鋸切面試驗中，裂紋的寬度大約在2～3 um。但是在2b-拋光鏡面試驗中，裂紋的寬度大大增加（大約是 15 um）。因此，釬焊效果在拋光鏡面試驗中較差。

究其原因，表面粗燥度是一個重要的因素。在拋光鏡面試驗中，釬料熔化后，液體不容附著在母體金屬，在冷卻過程中更難補縮，從而導致大裂紋的產生。

但是當試樣具有一定的粗糙度后（鋸切面），熔化的釬料比較容易停留在母體金屬上，為以后液體冷卻過程中的補縮提供了一定的條件，因此釬焊后裂紋較小[9]。因此，適度的表面粗糙度會對取得較好的釬焊效果有幫助。

圖2c為高載荷下的釬焊接頭組織。對比低載荷的試樣（2a），裂紋寬度略有增加，從3a中的2～3 um增加至4～5 um。造成這種結果的原因可能是在，釬料在熔化后在高載荷下流動較快，因此凝固時剩余液體較少，從而造成了稍大的裂紋，但是這兩者的差距不明顯。

在不同冷速下的釬焊組織如圖3所示。在對比爐冷情況下（圖3a），可以看出在空冷條件下，裂紋的寬度大大減小（圖3b），釬料和母材結合較好。此外，在空冷試樣中，無縫釬焊接頭也能清楚觀察到（圖3c），顯示了釬料和母材的充分反應和結合，側面證明了在熱處理過程中鋁合金釬焊的可操作性。在相對較高冷速下，小裂紋或是無裂紋的可能原因是液液體能夠快速冷卻，從而較少或是消除了裂紋的產生[10]。

從圖2和圖3中可以看出，裂紋在釬焊過程會隨著條件的變化而變化。

在3c（鋸切面-0.047 MPa-爐冷）條件，裂紋寬度最小甚至消失，從而使釬料和母材在釬焊過程中充分反應，側面反映了對于AA5083合金，在熱處理過程中進行開放氣氛釬焊 （在空氣爐中進行釬焊，無保護氣氛或是真空氛圍）的可行性和可操作性。

以后的工作將會進一步對各種參數進行優化，同時會測試焊件的力學性能，從而更加全面的評估以及拓展開放氣氛釬焊的應用前景。

4 結 論

本文初步研究利用鋅基釬料在熱處理過程中對AA5083鋁合金釬焊的可操作性。根據研究結果可得出以下結論：

①在釬焊過程中，不同成分的反應物可以在釬焊接頭中形成，包括：AlZn2，Al2Zn以及Mg-Al-Zn等。

②適當的表面粗糙度會降低釬焊接頭的裂紋寬度，提高釬焊效果。在一定載荷下，提高載荷對釬焊效果影響較小。冷卻速度對釬焊裂紋影響較大。在空冷條件下，釬焊裂紋最小或是消失，顯示了釬料和母材良好的結合性。

③實驗結果表明在適合條件下，如合適的表面粗糙度 和冷卻速度，AA5083鋁合金在熱處理過程中進行無保護氣氛釬焊是具有可行性和可操作性的。

參考文獻

[1] 徐道榮，何前進.鋁合金空氣爐中釬焊的試驗研究[J].輕合金加工技術，2005，（9）.

[2] 胡剛，康慧.鋁合金真空釬焊的發展[J].焊接技術，2001，（2）.

[3] 陸洋，王澤華.鋁合金釬焊用釬料的發展動態[J].機車車輛工藝，2007，（1）.

[4] 于文花，肖愛群，莊鴻壽. 鋁合金真空釬焊用低溫鋁基釬料的研究[J].航天制造技術，2005，（6）.

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[8] 樂啟熾，李浩宇，柏媛媛，等.鋁合金凝固收縮行為研究[J].東北大學學學 報，2015，（5）.

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[10] 武永紅，李永堂，賈璐，等.冷卻速度對42CrMo環壞鑄造二次枝晶間距 及裂紋缺陷的影響[J].機械工程學報，2014，（16）.