PDF《Al/Cu 异种有色金属的真空钎焊工艺》

焊接技术 第36 卷第

1 期2007 年2月・工艺与新技术・

1 引言 铝铜异种有色金属接头广泛应用于电力、化工、制冷和航 空航天工业中, 具有广泛的实际应用价值.

铝和铜都是导电性 能优良的材料, 但铜的密度大、价格高, 因而在很多应用场合 用铝代替铜可以降低生产成本.焊接是实现铝铜连接并满足铝 铜接头导电性能的可靠方法. 铝铜焊接的方法很多, 从工艺和材料等不同方面入手, 可 以采用压焊、熔焊、钎焊和真空扩散焊等方法[1~3] .铝铜焊接 的主要问题是接头的腐蚀, 腐蚀由铝和铜之间的电极电位差引 起.此外, 铝铜焊接过程中焊缝易出现铝铜脆性化合物, 当接 头长期工作于高温环境时, 还会导致铝铜原子扩散形成金属间 化合物层并不断加厚, 使接头的冲击韧性下降, 电阻增大. 铝铜钎焊主要存在2个问题: 一是需使用腐蚀性强的钎剂 去除铝表面的氧化膜, 但钎剂残渣吸潮后形成电解液, 构成强 烈的腐蚀剂腐蚀接头;

二是铝、铜原子扩散较快, 容易在接头 区形成易熔的脆性Al- CuAl2共晶, 导致接头强度降低[4, 5] .真空钎 焊不需要使用钎剂, 不存在残余钎剂腐蚀铝铜接头的问题, 再 采用合理的钎焊工艺减少铝铜接头中的脆性相, 就能获得性能 稳定的铝铜接头.但Al/Cu真空钎焊仍存在铝表面氧化膜的去除 及工艺不当造成的接头溶蚀问题.为此, 笔者从钎料选择和界 面结合特点等方面对Al/Cu真空钎焊工艺进行了研究, 分析了Mg 作为活化剂去除铝表面氧化膜的机理及造成接头溶蚀的原因.

2 试验方法及分析 2.1 试验材料 铝采用工业纯铝1035, 1200及防锈铝合金3A21, 铜采用 纯铜C11000, 钎料为铝硅镁 ( Al- Si- Mg) 钎料, 制成厚0.6 mm 的片状.试验采用的铝板和铜板的规格分别为100 mm*

50 mm*

6 mm和100 mm*

50 mm*

1 mm, 母材的力学性能见表1. 工业纯铝具有高的可塑性、耐蚀性、导电性和导热性, 但 强度低、热处理不能强化, 易承受压力加工和拉伸、弯曲, 适 用于各种焊接方法, 钎焊性优良.防锈铝3A21属铝锰系防锈 铝合金, 是应用最广的一种防锈铝合金, 其强度稍高于工业纯 铝, 不能热处理强化, 故采用冷加工方法来提高其力学性能, 在退火状态下有高的塑性, 耐蚀性好, 可切削性不良, 钎焊性 良好.纯铜C11000是w( Cu) ≥99.5%的工业纯铜.在纯铜表面 可能形成2种氧化物: Cu2O和CuO.这2种氧化物容易被还原性 气体还原, 因此钎焊性良好. 2.2 真空钎焊工艺 2.2.1 焊前清理及装配 铝及铝合金暴露在空气中会很快形成一种黏着力强且耐热 的Al2O3氧化膜.该氧化物薄膜很容易吸收水分, 不仅妨碍钎 缝的良好结合, 而且还是生成气孔和夹渣的根源.为了保证钎 焊质量, 焊前应采取严格的清理措施, 彻底清除母材和钎料表 面的氧化膜和油污.化学清洗工艺为: 首先, 用w( NaOH) 10% 的溶液浸蚀铝材15 min、钎料10 min, 溶液温度应为40~60 ℃;

其次, 在硝酸+氢氟酸溶液中浸蚀铝材10 min、钎料5 min;

溶液配比为w( HNO3) 58%~62%的溶液15 L, w( HF) 48%的溶液0.6 L.在进行化学清洗过程中, 加热温度与溶液浓度不能过 名称牌号 熔化温度 /℃ 抗拉强度 /MPa 屈服强度 /MPa 伸长率 ( %) 耐蚀性 纯铝

1035 646~657 80~110 50~80 32~40 优良

1200 646~657 80~110 50~80 32~40 优良 防锈铝 3A21 643~654 98~147 40~70 30~36 优良 纯铜 C11000

1 065~1

083 209~344 33~90 14~60 优良 表1 母材的力学性能 文章编号: 1002- 025X( 2007) 01- 0036-

03 Al/Cu 异种有色金属的真空钎焊工艺马海军, 李亚江, 王娟(山东大学 材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室, 山东 济南 250061) 摘要: 针对铝和铜异种有色金属钎焊工艺, 从钎料选择、焊前清理、接头装配和钎焊工艺要点等方面对Al/Cu真空钎焊的去膜机理和界 面结合特点等进行了研究, 分析了真空钎焊加热温度、升温速度、保温时间和真空度等工艺参数对钎焊接头性能的影响.结果表明, Al- Si钎料中加入1%~1.5%的Mg作为活化剂, 有利于铝母材表面氧化膜的去除;

加热温度、保温时间及钎料用量对母材溶蚀的产生具有 重要影响. 关键词: Al/Cu真空钎焊;

去膜机理;

Al- Si钎料;

溶蚀 中图分类号: TG454 文献标识码: B 收稿日期: 2006- 09- 04;

修回日期: 2006- 12-

09 36 Welding Technology Vol.36 No.1 Feb.

2007 高, 否则化学反应过分剧烈会在试样表面形成一层白色薄膜, 影响焊接质量.化学清洗后, 试样上残留的溶液必须用水冲洗 干净, 否则会造成局部点状腐蚀, 降低焊件的使用寿命.母材 和钎料经过清理后最好能及时钎焊, 否则在存放过程中又会重 新生成氧化膜, 所以应尽量缩短清理完毕到焊前的时间间隔, 最多不要超过12 h, 否则需要重新清理. 钎焊接头的合理装配对于保证良好的钎焊工艺性及铝铜钎 焊接头的使用性能具有重要影响.试验中采用铝铜板对接接头 形式, 母材及钎料从下到上的放置顺序为铝板!片状钎料!铜板, 铝铜真空钎焊接头的装配示意图如图1所示. 通过采用垫片 ( 垫片厚度为7.3~7.4 mm) 来控制铝铜钎缝 的间隙, 使钎缝间隙保持在0.2~0.3 mm之间, 在此间隙值范围 内, 铝铜钎焊接头具有最大的结合强度.这是由于0.2~0.3 mm 的间隙值范围保证了钎料充分而致密地填缝、母材对钎料良好 的合金化作用以及母材对钎缝合金层足够支撑作用.间隙过大 或过小都将影响钎缝的致密性及接头强度.间隙过小时钎料填 缝变得困难, 间隙内的气体较难排出, 容易造成未钎透、气孔 等缺陷.间隙过大时毛细作用减弱, 也使钎料不能填满间隙, 母材对钎料中心区的合金化作用消失, 钎缝结晶生成柱状组织 和枝晶偏析以及母材对钎缝合金层的支撑作用减弱[6] . 2.2.2 钎焊工艺要点 铝铜真空钎焊的主要工艺参数包括钎焊加热温度、升温速 度、保温时间和真空度.钎焊加热温度应适当高于钎料熔点而 低于母材熔点, 以减小液态钎料的表面张力, 改善润湿和填缝 能力, 并使钎料与母材能充分相互作用, 有利于提高铝铜接头 强度.由于真空炉采用辐射方式加热, 导致炉温和工件的温度 并不完全一致, 因此控制升温速度对铝铜钎焊接头的质量很重 要.保温时间决定了铝铜钎焊接头的结合强度, 保温时间过 短, 钎料未完全熔化, 与母材的结合不充分, 导致接头强度下 降;

保温时间过长, 钎料过度熔化, 造成母材与钎料的过度反 应(甚至是母材之间直接发生反应) 而产生溶蚀.合理的保温 时间应使钎料表面层微熔, 能与母材结合即可.真空度是铝铜 真空钎焊工艺中最重要也是最难控制的工艺参数, 要得到高质 量的铝铜钎焊接头, 很大程度上取决于真空度的大小.实际生 产中, 若真空钎焊设备较长时间没有使用过, 应让真空炉运行 数小时后再使用;

批量生产时, 2次使用的时间间隔应该尽量 短, 这样可以保证真空炉内的真空度较快地达到要求. 采用铝硅镁 ( Al- Si- Mg) 钎料真空钎焊铝铜异种有色金属 的工艺要点为: 钎焊加热温度590~615 ℃;

升温速度要快些, 约15~20 ℃/min;

保温时间不超过5 min;

真空度应维持在1* 10-3 Pa以上. 2.3 Al- Si- Mg钎料的去膜机理及溶蚀 为获得良好的钎焊接头, 要求钎料具有适宜的熔点、 良 好的润湿性和流动性及较强的抗腐蚀性.由于纯铜C11000的 钎焊性较好, 因此对铝铜钎焊钎料的选择主要考虑铝的钎焊 性.铝硅镁 ( Al- Si- Mg) 钎料的熔化温度范围为540~582 ℃, 是一种高温钎料, 属于Al- Si系钎料.Al- Si系钎料主要以Al- Si 共晶成分为基体, 也包括亚共晶、过共晶以及添加元素不高于 5%的Al- Si合金.表2为Al- Si系钎料的基本数据. Al- Si系钎料为共晶合金系, 其共晶温度577 ℃.共晶组织 中的Si相在铸态呈现卷曲的片状, 金相截面呈线状, 力学性能 不佳.但接受Na, Sr, La等微量元素的变质处理后, Si相变为 树枝状, 金相截面呈蠕虫状, 再经过一定的保温处理Si相能进 一步变成粒状, 使钎缝的强度大大提高[7] . 铝铜真空钎焊时, 由于铝表面的氧化膜十分稳定, 单纯靠 真空条件难以达到去膜的目的, 必须同时借助于某些金属活化 剂的作用.Mg的蒸汽压较高, 在真空中容易挥发, 有利于去 除氧化膜, 因此向Al- Si钎料中加入少量Mg作为去膜活性金属. Mg与真空中残留的O2和H2O反应, 消除了它们对铝钎焊时的有 害作用;

此外, Mg 蒸汽与铝母材表面的氧化膜发生还原反应 ........