金毛細(xì)釬焊的研究

[摘 要] 文章以LY12鋁合金板為研究對(duì)象，采用搭接接頭的形式，采用自行配制的氯化物釬劑（NH4Cl含量為8%、NaF含量為2%和ZnCl2含量為90%）來(lái)去除合金表面的氧化膜，在大氣環(huán)境中填加Zn-Al共晶釬料進(jìn)行毛細(xì)填縫釬焊實(shí)驗(yàn)。研究工藝參數(shù)對(duì)毛細(xì)填縫過(guò)程及擴(kuò)散的影響，并利用光學(xué)顯微鏡、SEM對(duì)接頭的微觀組織進(jìn)行分析。

[關(guān)鍵詞] LY12鋁合金；毛細(xì)填縫；氧化膜 Zn-Al共晶組織；鋁基固溶體

[作者簡(jiǎn)介] 王鵬，南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司技術(shù)中心助理設(shè)計(jì)師，山東 青島，266111

[中圖分類(lèi)號(hào)] TG454 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2013）02-0028-0008

鋁及其合金以其良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，以及密度小、抗腐蝕性較強(qiáng)的物理化學(xué)性質(zhì)和較低的價(jià)格，廣泛于軌道交通、航空、航天、船舶、汽車(chē)制造業(yè)等領(lǐng)域。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，鋁合金焊接的方法也逐漸增多，鋁及合金的釬焊問(wèn)題，是近年來(lái)研究最多、發(fā)展較快的領(lǐng)域之一。它具有加熱溫度低、釬焊件變形小、尺寸精度高、填充金屬選擇多等優(yōu)點(diǎn)。鋁合金的中溫釬焊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)其可靠連接。由于鋁合金塊表面有一層化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的氧化薄膜，它的熔點(diǎn)高達(dá)2050℃，難以去除，它會(huì)阻礙釬焊的進(jìn)一步進(jìn)行，所以在焊接前必須先給以去除。去膜的方法有機(jī)械去膜或釬劑去膜等。釬焊時(shí)采用比母材熔化溫度低的釬料（如Zn-Al釬料，其熔點(diǎn)為380℃），在高于釬料液相線而低于鋁合金固相線的操作溫度下，使釬料熔化成液態(tài)，在鋁合金的間隙或表面上潤(rùn)濕、毛細(xì)流動(dòng)、填充、鋪展，與母材相互作用，冷卻凝固成堅(jiān)固的接頭，從而將被釬焊鋁合金連接在一起。

釬焊時(shí)釬縫的間隙大小，加熱溫度以及保溫時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)接頭質(zhì)量影響很大，有必要研究這些工藝參數(shù)的影響規(guī)律。

一、試樣制備

（一）實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料規(guī)格為3mm×15mm×55mm的LY12鋁合金板，材料的化學(xué)成分（質(zhì)量百分比）見(jiàn)表1。

試驗(yàn)中所用的釬料為Zn-Al釬料，熔點(diǎn)為380℃，制取長(zhǎng)約15mm左右的柱棒釬料。Zn-Al共晶合金釬料的化學(xué)成分（質(zhì)量百分比）見(jiàn)表2。

試驗(yàn)所用的釬劑由NH4Cl、NaF和ZnCl2配制的氯化物釬劑，都呈白色結(jié)晶粉末，將它們按8∶2∶90的比例配制。其中NH4Cl是基本組元，作用是使釬劑具有需要的熔點(diǎn)，溶解釬劑中的其他組元的作用，在鋪展時(shí)形成致密的液膜。NaF是去膜組元，主溶解釬焊金屬和釬料表面氧化膜的作用。ZnCl2是活性組元，它可以加速氧化膜的清除并改善釬料的鋪展[2]（P20～35）。

（二）實(shí)驗(yàn)方法

先將木材試片及釬料用砂紙和丙酮對(duì)其表面進(jìn)行處理，將共晶釬料棒置于搭接接頭側(cè)端，然后在用釬劑將其蓋上，并在接頭的另一端也加上釬劑。釬料和釬劑在LY12鋁合金板上的放置如圖1所示。

（三）工藝過(guò)程

圖2為毛細(xì)填縫連接工藝過(guò)程圖，過(guò)程如下：

1. 升溫階段：待試件裝配完好后，從室溫開(kāi)始以一定的升溫速率加熱一段時(shí)間到達(dá)320℃。

2. 釬劑去膜和釬料填縫階段：加上釬料和釬劑，焊劑立刻熔化，并在毛細(xì)力的作用下向釬縫流動(dòng)，待溫度接近380℃時(shí)開(kāi)始與母材表面的氧化膜反應(yīng)將其去除，同時(shí)發(fā)生了液態(tài)焊料的鋪展并填縫，然后在高于其熔點(diǎn)的溫度保溫一段時(shí)間。該過(guò)程是液相擴(kuò)散連接工藝的極為重要的基礎(chǔ)部分。

3. 降溫階段：反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)掉電源冷卻至室溫，焊接過(guò)程結(jié)束。

二、不同間隙的填縫過(guò)程

采用LY12鋁合金材料，Zn-Al釬料，搭接長(zhǎng)度為15mm，加熱溫度為390℃，間隙分別為100μm、200μm、300μm。由圖1看出其他工藝參數(shù)相同間隙不同時(shí)，釬料的毛細(xì)填縫情況。

由圖3宏觀照片看出其他工藝參數(shù)相同間隙不同時(shí)釬料的填縫能力是不同的，間隙為300μm 時(shí)，釬料幾乎沒(méi)有填縫（如圖3，a），間隙200μm時(shí)，釬料填滿(mǎn)了整個(gè)釬縫 （如圖3，b）。間隙寬度減小到100μm時(shí)釬料同樣可以填縫，但釬縫中有很多空隙（如圖3，c）。

將圖3（b）中1處放大得到圖4（a），可以看到釬縫很飽滿(mǎn)，中間鎮(zhèn)滿(mǎn)了釬料。釬縫中有些微小的氣孔，是釬劑反應(yīng)和產(chǎn)生的。將圖3（c）中2處放大得到圖4（b），圖中釬縫處上下母料沒(méi)有相連，母材的表面還有一些釬劑量反應(yīng)后的殘留物。將200μm的試樣經(jīng)腐蝕后進(jìn)行顯微觀察如圖4（c）所示，在界面處放大得到圖4（d），可以看到界面接合得很好。

三、不同溫度下保溫5min

采用LY12鋁合金材料，Zn-Al釬料，搭接長(zhǎng)度15mm，釬縫間隙為200μm，將試件加熱到320℃放上釬料和釬劑，然后分別升溫到380℃，400℃，425℃保溫5分鐘。

從圖5可以看出隨著加熱溫度的增加，釬縫的寬度也增加，380℃時(shí)最窄，450℃時(shí)最寬。并且從母材向釬縫中生長(zhǎng)的柱狀晶粒也隨著溫度的升高而增多，變粗，在380℃時(shí)只有在靠近界面處有柱狀晶粒，大約占整個(gè)釬縫的1/5，溶解寬度大約為20μm，如圖5（a）所示。當(dāng)加熱溫度為400℃時(shí)，其溶解寬度大約為55μm，柱狀晶粒開(kāi)始大量的向釬縫中心生長(zhǎng)，同時(shí)晶粒變粗、增長(zhǎng)，大約占到整個(gè)釬縫的2/3，如圖5（b）所示。溫度為425℃時(shí)，溶解寬度達(dá)到65μm，粗大的柱狀晶粒與旁邊的晶粒緊挨著，長(zhǎng)到了釬縫中部，幾乎填滿(mǎn)了整個(gè)釬縫，如圖5（c）。

圖6是不同溫度下釬縫界面組織的微觀組織形態(tài)。380℃下保溫，界面是一條清晰的線，表明界面兩邊的元素溶解得很少。如圖6（a）所示。400℃下保溫，界面開(kāi)始增寬，顏色變淡，表明界面兩邊的元素溶解或擴(kuò)散開(kāi)始增多，如圖6（b）所示。425℃下保溫，界面已經(jīng)很寬了，顏色很淡，邊界模糊不清，表明釬料與母材的元素相互進(jìn)行了大量的溶解擴(kuò)散，如圖6（c）。

分別對(duì)釬縫中不同位置進(jìn)行能譜分析，如圖7所示。

不同溫度下測(cè)得位置1處的成分含量見(jiàn)表3，該處組織為Zn-Al共晶組織，成分差異很大。在釬縫中呈層片狀或傘狀，兩相呈交替分布。

由圖8可知，隨著溫度的升高，共晶組織中Zn的含量降低；Al的含量增加；Cu的含量隨溫度的升高也增加，但總體來(lái)看各溫度下成分含量變化的幅度不大，在425℃時(shí)Zn的含量比Al多46.55%。與Zn-Al釬料相比（Zn：89.3%，Al：4.2%，Cu：3.22%，見(jiàn)表2）， Al的含量大大增加，是母材中Al元素的擴(kuò)散的結(jié)果；Zn的含量減少了，由于釬料中Zn的含量高，所以它要向周?chē)鷶U(kuò)散，使得共晶中Zn的儲(chǔ)量降低：Cu的含量一直增加， Cu有一定的擴(kuò)散。

不同溫度下測(cè)得位置2處的成分含量見(jiàn)表4，該處組織應(yīng)是Zn在Al中的α固溶體，它是從界面向釬縫生長(zhǎng)出柱狀晶組織，在冷卻凝固時(shí)最先結(jié)晶出來(lái)。由Zn-Al相圖可知，380℃到425℃之間呈固液態(tài)，在此溫度下保溫過(guò)程中液態(tài)的鋅會(huì)向母材中擴(kuò)散而在接近焊縫的地方形成半固液層。在380℃與400℃下保溫，此處鋁基固溶體的元素部分基本一樣，并且沒(méi)有Cu出現(xiàn)。當(dāng)溫度升高到425℃時(shí)，Al的含量超過(guò)了Zn，表明有大量的Al從母材上溶解了進(jìn)來(lái)，同時(shí)，出現(xiàn)了少量的Cu。

如圖10所示，此處Al的含量在釬縫中共晶體的2至3倍，Zn的含量下降，其中在400℃時(shí)下降的幅度最大。Zn與Al含量的差值較1處大大縮小，在380℃與400℃含量基本相同（Zn與Al含量差值分別17.18%和17.88%），在425℃時(shí)Al的含量比Zn多18.23%。由圖上可知，在400℃到420℃之間組織中元素的分布發(fā)生的變化較大。

不同溫度下測(cè)得位置3處的成分含量見(jiàn)表5，該位置仍然是Zn在Al中的α固溶體。

圖11所示， Al與Zn的含量差斷續(xù)縮小，在380℃與400℃時(shí)其含量基本一樣，但在425℃下二都含量相差15%左右。由圖上可知，在400℃到420℃之間組織中元素的分布發(fā)生的變化較大。

對(duì)釬縫組織進(jìn)行線掃描，如圖12，從圖中可以看到，在溫度為380℃時(shí)，界面處代表成分Al的曲線非常的陡，大量分布在母材中，釬縫中的含量很少，隨著溫度的升高，此曲線趨于緩和。如圖12（b）（c）。由圖上可知，Zn與Cu的含量主要分布在釬縫中，越接近母材，其含量就越少。因此，可以看出釬縫組織元素的溶解擴(kuò)散程度是會(huì)隨著溫度的升高而增大。

四、在相同溫度下保溫不同時(shí)間

采用LY12鋁合金材料，Zn-Al釬料，搭接長(zhǎng)度15mm，焊縫間隙為200μm，將試件加熱到320℃，加入釬劑與釬料后加熱到390℃后保溫，保溫時(shí)間分別為5 min、10 min。

圖13（a）可以看出，從母材向釬縫中生長(zhǎng)的鋁基固溶體經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間保溫后，棱角形態(tài)逐漸變圓滑，棱角被溶解，最后固相長(zhǎng)大變?yōu)榻鼒A形，如圖13（b）所示。隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，界面寬度有所增加，釬縫中的共晶組織也增大，將其放大，得到如圖14。

對(duì)釬縫組織進(jìn)行線掃描分析，如圖15所示。從圖上的曲線可以看出保溫5min與保溫10min元素分布基本相同，說(shuō)明此時(shí)都達(dá)到了溶解極限。由此可知，同一溫度下比長(zhǎng)時(shí)間保溫，釬縫組織中元素的溶解擴(kuò)散程度是不變的。

五、結(jié) 論

1. 釬縫的間隙大小對(duì)釬料的填縫有很大的影響，隨著間隙的減小，液態(tài)釬料的填縫能力增強(qiáng)。當(dāng)間隙為300μm時(shí)，釬縫中釬料填充很少，說(shuō)明此時(shí)的間隙過(guò)大，以致釬縫的毛細(xì)作用小，釬料不能在毛細(xì)力的作用下實(shí)現(xiàn)鉆縫。當(dāng)間隙為200μm時(shí)，填縫效果最好，此時(shí)的毛細(xì)作用力能使液態(tài)釬料順利地實(shí)現(xiàn)鉆縫，并且釬縫中沒(méi)有看到釬劑反應(yīng)后的殘留物。當(dāng)間隙寬度為100μm時(shí)液態(tài)釬料能實(shí)現(xiàn)填縫，但釬縫中出現(xiàn)了許多的孔洞和縫隙，說(shuō)明間隙太窄，反應(yīng)物不能完全排出，影響了釬料的填縫。

2. 將試樣在不同的溫度下毛細(xì)釬焊，釬縫的組織形貌與分布變化很大。隨著溫度的升高，釬縫的寬度增加，并且溶解寬度也增加。加熱過(guò)程中，母材中的Al大量的溶解到釬縫中，在界面處形成向釬縫生長(zhǎng)的Zn在Al中的α固溶體組織，而釬料中的Zn也大量的向母材中擴(kuò)散，并隨著溫度的升高，它們?cè)谌芙鈪^(qū)的含量也越來(lái)越均勻。在400℃和425℃時(shí)，在靠近母材的鋁基固溶體中，Al的含量超過(guò)了Zn的含量，這與380℃時(shí)相反，說(shuō)明由于Al的擴(kuò)散作用使其成分發(fā)生改變。在溫度為400℃到425℃之間，組織中元素的含量變化很大。

3. 其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)試樣進(jìn)行不同時(shí)間的保溫處理。隨著保溫時(shí)間的增加，鋁基固溶體聽(tīng)形態(tài)逐漸變圓滑，最后長(zhǎng)大變?yōu)榻鼒A形。當(dāng)溫度不變時(shí)，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間保溫，釬縫組織中的溶解擴(kuò)散程度不發(fā)生變化。

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