保温时间对铝/铜钎焊接头界面化合物和力学性能的影响

保温时间对铝/铜钎焊接头界面化合物和力学性能的影响

叶 政1， 羊 浩1， 黄继华1， 陈树海1

(1. 北京科技大学 材料先进焊接与连接技术研究室，北京 100083)

摘 要：采用Zn-22Al钎料配合KAlF4-CsAlF4无腐蚀钎剂，在不同保温时间下对铝/铜进行炉中钎焊，研究了保温时间对钎焊接头、微观组织形貌，铜侧界面元素分布以及接头力学性能的影响. 结果表明，随着保温时间的延长，Al/Cu接头Cu/钎缝界面CuAl2化合物由层片状逐渐转变为树枝状并向钎缝内部生长；钎缝中的CuAl2相由粗大块状转变为长条状或薄片状；Cu/钎缝界面处Zn元素含量峰值在保温时间为2 min时出现在铜母材与AlCu化合物之间，随着保温时间延长，Zn元素峰值逐渐向钎缝内部迁移. 同时，铝/铜钎焊接头的抗剪强度随保温时间延长先提高后降低.

关键词：铝/铜钎焊；保温时间；显微组织；抗剪强度

0 序 言

铜具有优异的导电、导热性能，良好的力学性能以及抗腐蚀性能，在电气设备、电力传输、制冷工业等有广泛的应用. 近年来铜资源日益稀缺，价格居高不下. 而铝在地壳中储量极其丰富，价格相对铜便宜很多，导电导热性能良好，使其在某些部件中作为铜的替代金属成为可能. 工业生产中若能实现以铝代铜，可较大幅度地降低产品的生产成本. 因此，“铝代铜”技术具有广泛的应用前景和研究意义[1].

由于铜具备某些方面的优良特性(如高电导率、高热导率等)，在一些关键的部件上并不能完全用铝代替铜. 可行的办法是在部件或设备一些非关键的部位采用铝代替铜，而特定的部位仍然采用铜来制造. 铝/铜异种金属之间的连接方式较多，其中钎焊具有加热温度低，对母材的组织和性能影响较小，母材焊接变形较小以及设备简单，操作方便[2]，适合在线组装生产等优点，较其它连接手段更为有利，是目前铜铝连接的主要方法[3].

铝/铜钎焊用钎料主要有：Al-Si系[4,5]，Al-Zn系[6,7]和Sn-Zn系[8,9]钎料等. 其中Zn-Al钎料的熔点根据铝含量不同可以控制在380～500 ℃之间，远低于母材铝的熔点(660 ℃). 钎焊过程容易控制，母材强度烧损小. 对于不同铝含量Zn-Al钎料钎焊接头的性能变化国内已经有较多的研究[10]. 但是对于该种钎料钎焊铝铜的工艺参数的控制却鲜有报道. 在钎焊过程中，工艺的控制与钎料钎剂一样，是影响焊接质量的重要因素，所以有必要对Zn-Al钎料钎焊铝铜保温时间的影响进行探讨和研究.

1 试验方法

试验所用钎料为Zn-22Al(采用99.99%锌锭与99.7%工业纯铝盐浴熔炼制备)，钎剂为KAlF4-CsAlF4无腐蚀钎剂(广州有色金属研究院). 钎焊试验母材为1060纯铝和T2紫铜，铜板尺寸60 mm×20 mm×2 mm，铝板尺寸60 mm×20 mm×3 mm，铝板和铜板分别用15% NaOH和15% H2SO4溶液进行碱洗和酸洗，清水冲净后再用无水酒精清洗，自然晾干备用.

试验采用铜铝搭接的形式，接头搭接长度为2 mm，焊缝间隙通过焊接工装控制为300 μm，搭接采用铝板在上，铜板在下的形式.由于传统火焰钎焊的方法无法对焊接过程及其焊接参数进行精确的监测和调控，因此试验中钎焊过程在氩气气氛保护的马弗炉中实现，钎焊温度和保温时间均可被准确地记录，具体的钎焊过程升温步骤为：从室温20 ℃开始以40 ℃/min的升温速率升至380 ℃，在380 ℃保温10 min，再以40 ℃/min升温速率升至520 ℃，保温至试验设定的时间后迅速拿出试样进行空冷. 具体升温保温曲线如图1所示.

图1 钎焊升温曲线

Fig.1 Brazing temperature curve

钎焊后利用扫描电子显微镜(FEIQuanta 250)对钎焊接头显微组织进行观察分析. 利用MTS810型万能材料拉伸试验机测试接头抗剪强度， 力学性能试验按国家标准GB/T11363—2008《钎焊接头试验方法》进行.

2 试验结果分析

2.1 保温时间对Al/Cu接头界面显微组织的影响

不同保温时间下Al/Cu钎焊接头界面显微组织如图2所示. 图2a为520 ℃，2 min条件下，铜母材/钎缝界面显微组织. 可以看出在铜/钎缝界面处形成30～40 μm的界面层. 对该界面层进行能谱测试，分析得其成分为66.82Al-30.66Cu-2.52Zn(表1). 根据相关文献的研究结果[1]，该界面层主要由CuAl2化合物组成. 随着保温时间的延长至3 min,4 min(图2b, 2c)，Cu/钎缝界面处的CuAl2相开始呈现树枝状，并逐渐向钎缝中生长；与此同时，钎缝内部的CuAl2相也由粗大的块状转变为长条状或薄片状，并且钎缝内部出现大量的鱼骨状组织.

表1 能谱分析结果(原子分数，%)

Table 1 EDS analysis results

位置AlCuZnA66．8230．662．52B37．7446．3715．89C31．4958．989．53D67．8029．412．78E54．7636．968．28F43．3244．9211．76G28．9165．565．53

在520 ℃,2 min的工艺参数下，Cu/钎缝界面化合物在10 000倍扫描电镜下分为3层. 图2a为520 ℃，2 min工艺参数下铜/钎缝界面的局部放大图，通过对图示各个点的能谱分析得出，浅灰色两个相层分别为Cu2Al，AlCu，深灰色相成分接近CuAl2；保温时间增加至3 min，4 min(如图2b,2c所示)，浅灰色相层开始逐渐分为明显的3层，但是厚度上没有明显的增加. 能谱分析显示，化合物种类从铜母材一侧开始依次为Cu2Al，CuAl，Cu2Al+CuAl，CuAl2.

图2 不同保温时间Al/Cu钎焊接头显微组织扫描形貌

Fig.2 SEM morphology of Al/Cu Brazing joints with different dwelling time

2.2 保温时间界面处Zn元素分布的影响

对比图3的线扫结果，Zn元素在钎缝Cu/钎缝界面的分布也呈现出一定规律的变化，在保温时间2 min的工艺参数下(如图3d所示)，Zn元素含量在界面处出现富集，其峰值出现在铜母材与AlCu化合物层之间；随着保温时间的增加，Zn元素的峰值逐渐向钎缝内部方向移动，逐步靠近CuAl2相所在的位置. 钎焊初期钎料刚出现熔化的时候，与铜母材接触的液态钎料中Zn元素的成分接近钎料的原始成分为22%，此时由于Al和Cu元素之间有十分强烈的化合物生成倾向，在很短的时间内便在铜/钎缝界面处形成Al/Cu金属间化合物，并且化合物快速向钎缝内部生长转变，形成多个化合物层，期间Zn原子来不及扩散，因此在铝,铜化合物层中形成峰值. 保温时间较短时，Zn元素峰值处于铜母材与AlCu化合物之间，随着保温时间的延长，Zn元素峰值逐渐跨越AlCu化合物并向AlCu化合物与钎缝内部之间偏移，保温时间达到4 min时(如图3f所示)，Zn元素的峰值已经处于AlCu化合物与CuAl2化合物层之间，更加靠近钎缝内部. Zn原子扩散跨越不同的化合物层时，由于Al/Cu各种化合物的晶格常数差异较大，需要克服很大的阻力，较其在某一化合物层中扩散时的阻力大很多，因此Zn元素的扩散速率大大降低，导致在化合物层之间产生Zn原子的堆积富集. 随着AlCu2化合物层减薄，积聚在其中的锌逐渐向铜母体扩散，Zn元素峰值向焊缝偏移.

图3 钎焊接头Cu/钎缝界面化合物扫描电镜照片及线扫描结果

Fig.3 Picture of IMCs besides Cu substrate in brazing joints and results of elements distruction

2.3 保温时间对Al/Cu接头力学性能的影响

不同保温时间Al/Cu钎焊接头的抗剪强度如图4所示，随着保温时间延长，Al/Cu钎焊接头的抗剪强度呈现先上升后下降的规律. 保温时间在3 min时，接头的平均抗剪强度达到最高值55.47 MPa，继续延长保温时间，接头抗剪强度逐步下降. Al/Cu接头的断裂破坏往往发生在CuAl2相的根部，也就是AlCu化合物与CuAl2化合物的结合处，如图5所示，Cu/钎缝界面裂纹沿着CuAl2相的根部延伸，是接头断裂破坏的根本原因. 结合前述，钎焊保温时间在3 min时，Zn元素富集的区域在AlCu化合物和CuAl2化合物之间. 界面处Zn元素成分的提高，接头抗剪强度增加. Zn元素在AlCu化合物之间富集，以间隙或置换原子的形式处在CuAl2化合物和AlCu化合物中，使CuAl2和AlCu化合物发生晶格畸变，这种畸变成为了影响CuAl2和AlCu化合物脆性的重要因素.

图4 不同保温时间Al/Cu钎焊接头抗剪强度

Fig.4 Shear strength of Al/Cu joints brazed in different dwell time

图5 铜/钎缝界面裂纹

Fig.5 Cracks besides Cu substrate

3 结 论

(1) 随着保温时间的延长，Al/Cu接头Cu/钎缝界面CuAl2化合物从层片状结构逐渐转变为树枝状结构并向钎缝内部生长；钎缝中的CuAl2相由粗大块状转变为长条状或薄片状，钎缝内部出现鱼骨状组织.

(2) 随着保温时间增加，Al/Cu接头铜/钎缝界面化合物逐渐分为4层，化合物种类从铜母材一侧开始依次为Cu2Al，CuAl，Cu2Al+CuAl，CuAl2. 化合物层的厚度随保温时间变化无明显变化，其中只有CuAl2相的形态随着保温时间增加发生改变，由层状变为树枝状.

(3) 随着保温时间延长，Zn元素峰值逐渐向钎缝内部移动，保温时间为2 min时，界面处Zn元素含量峰值出现在铜母材与AlCu化合物之间，4 min时已经处于AlCu化合物与CuAl2化合物层之间.

(4) 随着保温时间延长，Al/Cu钎焊接头的抗剪强度呈现先上升后下降的规律，保温时间为3 min时接头抗剪强度达到最高值，此时Zn元素在AlCu化合物层和CuAl2化合物层之间富集，降低两个脆性相的脆性，并且导致两相晶格畸变，使两个化合物层之间的不匹配程度降低，减小其之间的应力，最终体现为接头抗剪强度的提高. 保温时间再延长，Zn元素逐渐向钎缝内部扩散，接头强度逐渐降低.

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收稿日期：2014-11-25

基金项目：国家国际科技合作专项资助项目(2014DFR50820)

中图分类号：TG 454

文献标识码：： A

文章编号：： 0253-360X(2016)12-0009-04

作者简介：叶 政，男，1990年出生，博士研究生. 主要从事异种金属材料连接方面的科研工作. Email: [email protected]

通讯作者：黄继华，男，教授. Email: [email protected]