ZnAl焊丝钎焊2A01铝合金性能研究
目录
1 引言 1
1.1 铝-铝钎焊材料的研究及应用背景 1
1.2 Al-Si 系钎料 2
1.2.1 纯 Al-Si 系钎料 2
1.2.2 Al-Si-Ge 系钎料 2
1.2.3 Al-Si-Cu 系钎料 3
1.2.4 Al-Si-Zn系钎料 4
1.3 Sn-Pb 系钎料 4
1.4 Cd-Zn 系钎料 5
1.5 Sn-Zn 系钎料 5
1.6 Pb-Bi 系钎料 5
1.7 Zn-Al 系 5
1.8 本课题的研究意义 6
2 研究方法及试验过程 7
2.1 研究的流程图 7
2.2 钎料合金的选择与制备 7
2.2.1 Zn-Al 合金的成分设计 7
2.2.2 原材料的选择 8
2.2.3 合金的制备 8
2.3 钎料铺展性能试验 9
2.3.1 钎料润湿铺展性能的测试方法 9
2.3.2 Nocolok 钎剂的选用及改进 9
2.3.3 钎料铺展试验采用的试验设备 10
2.4 火焰钎焊 10
2.5 钎焊接头力学性能测试方法 12
2.6 显微组织分析 12
2.6.1 金相显微镜分析 12
2.6.2 扫描电镜分析(SEM) 14
3 实验结果与分析 15
3.1 Al元素对Zn-Al钎料显微组织的影响 15
3.2 Al 元素对Zn-Al钎料在2A01铝合金表面铺 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
展性能的影响 19
3.3 Al元素对Zn-Al钎料钎焊2A01铝合金接头力学性能的影响 20
3.4 钎焊接头显微组织 21
结论 25
致 谢 26
参考文献 27
1 引言
航空、航天、机械、汽车、制冷、电力等行业为了减轻自身重量，降低能源消耗，今后都可能使用铝代替铜，甚至用铝代替钢，然而能不能用铝来取代其用途的一个非常重要的因素是铝及铝合金的焊接技术[1]是否成熟。硬铝2A01( T4)具有非常突出的力学性能，其抗拉强度可达300 MPa，比纯铜的强度(200-250MPa)还要高出许多，而且其塑性也非常优良，由拉伸试验可知其断后的伸长率可以达到24 %，但是2A01的焊接性比较差，因此其应用受到了很大的限制，工业生产中一般仅用于制造结构铆钉[2]。当下工业生产中经常使用的铝合金钎焊材料为A1- Si系钎料，例如牌号为4047的钎料，它的熔点为577℃，但是硬铝2A01的熔化区间为555-650℃，通常A1- Si钎料的熔点比硬铝2A01的固相线温度(555℃)高，在钎焊过程中容易使硬铝2A01的母材过烧甚至熔化，所以A1- Si系钎料不能用来钎焊硬铝2A01，对于钎焊硬铝2A01的技术难题一直未能得到很好的解决，对于钎焊硬铝2A01的研究报道也很少见。
近年来，采用CsF-A1F3钎剂配合Zn- A1钎料钎焊铝及铝合金取得了很大进展[3]。 通过调整A1元素在Zn-Al钎料中的含量，可将钎料的熔点控制在382 -500℃范围之内，用调整后的钎料来钎焊硬铝2A01不易导致母材过烧，钎焊过程也较容易控制。所以研究A1元素的含量对Zn-Al钎料钎焊硬铝2A01力学性能的影响，并且对其相关作用机理进行分析是非常必要的。本文研究的目的是为了提高钎焊硬铝2A01的焊接技术，并为其工业应用提供一些理论依据与指导。
1.1 铝-铝钎焊材料的研究及应用背景
铝及铝合金钎焊通常采用Al-Si系钎料，经常使用的牌号为4047(Al-Si11~13)和4043 (Al-Si4.5~6)[4]，这类钎料的优点是润湿性好、强度高，缺点是熔点比较高，钎料熔化温度和母材熔点比较接近，在钎焊时必须十分精确地控制加热时的温度，避免钎焊时母材过烧甚至熔化，这一缺点造成工业生产中铝及铝合金钎焊产品合格率比较低、导致生产效率不高。特别是管材及薄壁铝合金板材的钎焊，使用Al-Si合金钎焊时，其产品的合格率非常低。铝及铝合金的钎焊技术难题严重限制了其在工业生产中的广泛应用。急切需要研制出钎焊性能优良的中温铝钎料来克服这一问题。
此外由于铜资源比较稀缺且价格比铝贵的多，我国工业生产用铜主要依赖进口，因此，用铝来代替铜是近几年来许多行业的研究热点。例如铝制换热器（图1.1）
图 1. 1 铝制换热器
1.2 Al-Si 系钎料
1.2.1 纯 Al-Si 系钎料
Al-Si 系钎料的钎焊性能较好，钎焊时与无腐蚀性氟化物钎剂共同使用能够很好地去除铝材表面难熔的氧化膜[5]有利于焊接，此外可以有效避免焊后清洗残渣，使得钎焊接头的抗腐蚀性得到很大的改善[6]，较之不添加钎剂时钎焊接 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
头质量较好，且 Al-Si 共晶合金粉、氟化物钎剂与粘结剂按适当比例可制成膏状，方便使用[7]。有的研究者通过研究 LF21 母材与Al-Si 共晶钎料的相互作用，可得到如下结论：当在钎焊温度下保温适当时间，母材与钎缝金属之间的相互作用主要是通过母材向钎缝金属的溶解，然而却未观察到钎缝金属向母材金属的扩散现象。然而还有一些研究者认为在钎焊过程中钎料中的Si元素有向母材晶间扩散现象。因此，钎焊接头中的 Al-Si共晶比较容易发生选择性腐蚀[8]。
由于Al-Si系钎料熔点比较高，而对于一些熔点比较低的铝合金（如 6063 铝合金）钎焊特别困难很难应用于生产[9]。因此其使用仅局限于炉中钎焊及对简单构件的钎焊，冷却时通过加速凝固的方法可以降低 Al-Si 钎料的熔点，但是作用并不明显[10]。此外铝及铝合金加热时母材不变色，很难判断其加热温度，对焊工的操作技术要求很高。当Al-Si 系钎料通过火焰钎焊钎焊铝及铝合金时比较容易致使铝母材过烧，然而火焰钎焊因其操作的灵活性恰恰是广泛使用的钎焊方法。
1.2.2 Al-Si-Ge 系钎料
当在Al-Si合金中添加Ge元素时可以降低钎料的熔点，但是当Ge元素的含量相对较低时，降低钎料熔化温度的作用不明显，Al-Si -Ge 系钎料液相线的温度区间可以控制在 425~500℃范围之间，钎料的熔化温度比较理想。Al-Si -Ge 系钎料的脆性非常大，落地便碎，经过退火工艺可以使其脆性有所降低，但是钎焊时需要采取特殊的措施来保证钎焊质量。
1.2.3 Al-Si-Cu 系钎料
火焰钎焊2A01铝合金试样
接头显微组织分析
拉伸实验
图2.1 本文研究的流程
2.2 钎料合金的选择与制备
2.2.1 Zn-Al 合金的成分设计
由Zn-Al 二元相图可知，Zn-Al 二元合金的共晶温度为381℃，其共晶成分是 95Zn-5Al。成分不同的Zn-Al系钎料性能和组织均存在很大的差异。通过适当调整 Zn-Al 合金中Al元素的含量，可以将钎料的熔点温度区间控制在 381~500℃之间，这样就可以满足中温铝钎焊的温度要求，对应的Al元素的含量在2~25wt.%之间。所以选择含Al量在 2~25wt.%范围内的Zn-Al合金作为本课题的研究对象，并对其组织和性能进行研究。本试验采用的钎料合金成分如表2.1 所示。
1 引言 1
1.1 铝-铝钎焊材料的研究及应用背景 1
1.2 Al-Si 系钎料 2
1.2.1 纯 Al-Si 系钎料 2
1.2.2 Al-Si-Ge 系钎料 2
1.2.3 Al-Si-Cu 系钎料 3
1.2.4 Al-Si-Zn系钎料 4
1.3 Sn-Pb 系钎料 4
1.4 Cd-Zn 系钎料 5
1.5 Sn-Zn 系钎料 5
1.6 Pb-Bi 系钎料 5
1.7 Zn-Al 系 5
1.8 本课题的研究意义 6
2 研究方法及试验过程 7
2.1 研究的流程图 7
2.2 钎料合金的选择与制备 7
2.2.1 Zn-Al 合金的成分设计 7
2.2.2 原材料的选择 8
2.2.3 合金的制备 8
2.3 钎料铺展性能试验 9
2.3.1 钎料润湿铺展性能的测试方法 9
2.3.2 Nocolok 钎剂的选用及改进 9
2.3.3 钎料铺展试验采用的试验设备 10
2.4 火焰钎焊 10
2.5 钎焊接头力学性能测试方法 12
2.6 显微组织分析 12
2.6.1 金相显微镜分析 12
2.6.2 扫描电镜分析(SEM) 14
3 实验结果与分析 15
3.1 Al元素对Zn-Al钎料显微组织的影响 15
3.2 Al 元素对Zn-Al钎料在2A01铝合金表面铺 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
展性能的影响 19
3.3 Al元素对Zn-Al钎料钎焊2A01铝合金接头力学性能的影响 20
3.4 钎焊接头显微组织 21
结论 25
致 谢 26
参考文献 27
1 引言
航空、航天、机械、汽车、制冷、电力等行业为了减轻自身重量，降低能源消耗，今后都可能使用铝代替铜，甚至用铝代替钢，然而能不能用铝来取代其用途的一个非常重要的因素是铝及铝合金的焊接技术[1]是否成熟。硬铝2A01( T4)具有非常突出的力学性能，其抗拉强度可达300 MPa，比纯铜的强度(200-250MPa)还要高出许多，而且其塑性也非常优良，由拉伸试验可知其断后的伸长率可以达到24 %，但是2A01的焊接性比较差，因此其应用受到了很大的限制，工业生产中一般仅用于制造结构铆钉[2]。当下工业生产中经常使用的铝合金钎焊材料为A1- Si系钎料，例如牌号为4047的钎料，它的熔点为577℃，但是硬铝2A01的熔化区间为555-650℃，通常A1- Si钎料的熔点比硬铝2A01的固相线温度(555℃)高，在钎焊过程中容易使硬铝2A01的母材过烧甚至熔化，所以A1- Si系钎料不能用来钎焊硬铝2A01，对于钎焊硬铝2A01的技术难题一直未能得到很好的解决，对于钎焊硬铝2A01的研究报道也很少见。
近年来，采用CsF-A1F3钎剂配合Zn- A1钎料钎焊铝及铝合金取得了很大进展[3]。 通过调整A1元素在Zn-Al钎料中的含量，可将钎料的熔点控制在382 -500℃范围之内，用调整后的钎料来钎焊硬铝2A01不易导致母材过烧，钎焊过程也较容易控制。所以研究A1元素的含量对Zn-Al钎料钎焊硬铝2A01力学性能的影响，并且对其相关作用机理进行分析是非常必要的。本文研究的目的是为了提高钎焊硬铝2A01的焊接技术，并为其工业应用提供一些理论依据与指导。
1.1 铝-铝钎焊材料的研究及应用背景
铝及铝合金钎焊通常采用Al-Si系钎料，经常使用的牌号为4047(Al-Si11~13)和4043 (Al-Si4.5~6)[4]，这类钎料的优点是润湿性好、强度高，缺点是熔点比较高，钎料熔化温度和母材熔点比较接近，在钎焊时必须十分精确地控制加热时的温度，避免钎焊时母材过烧甚至熔化，这一缺点造成工业生产中铝及铝合金钎焊产品合格率比较低、导致生产效率不高。特别是管材及薄壁铝合金板材的钎焊，使用Al-Si合金钎焊时，其产品的合格率非常低。铝及铝合金的钎焊技术难题严重限制了其在工业生产中的广泛应用。急切需要研制出钎焊性能优良的中温铝钎料来克服这一问题。
此外由于铜资源比较稀缺且价格比铝贵的多，我国工业生产用铜主要依赖进口，因此，用铝来代替铜是近几年来许多行业的研究热点。例如铝制换热器（图1.1）
图 1. 1 铝制换热器
1.2 Al-Si 系钎料
1.2.1 纯 Al-Si 系钎料
Al-Si 系钎料的钎焊性能较好，钎焊时与无腐蚀性氟化物钎剂共同使用能够很好地去除铝材表面难熔的氧化膜[5]有利于焊接，此外可以有效避免焊后清洗残渣，使得钎焊接头的抗腐蚀性得到很大的改善[6]，较之不添加钎剂时钎焊接 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
头质量较好，且 Al-Si 共晶合金粉、氟化物钎剂与粘结剂按适当比例可制成膏状，方便使用[7]。有的研究者通过研究 LF21 母材与Al-Si 共晶钎料的相互作用，可得到如下结论：当在钎焊温度下保温适当时间，母材与钎缝金属之间的相互作用主要是通过母材向钎缝金属的溶解，然而却未观察到钎缝金属向母材金属的扩散现象。然而还有一些研究者认为在钎焊过程中钎料中的Si元素有向母材晶间扩散现象。因此，钎焊接头中的 Al-Si共晶比较容易发生选择性腐蚀[8]。
由于Al-Si系钎料熔点比较高，而对于一些熔点比较低的铝合金（如 6063 铝合金）钎焊特别困难很难应用于生产[9]。因此其使用仅局限于炉中钎焊及对简单构件的钎焊，冷却时通过加速凝固的方法可以降低 Al-Si 钎料的熔点，但是作用并不明显[10]。此外铝及铝合金加热时母材不变色，很难判断其加热温度，对焊工的操作技术要求很高。当Al-Si 系钎料通过火焰钎焊钎焊铝及铝合金时比较容易致使铝母材过烧，然而火焰钎焊因其操作的灵活性恰恰是广泛使用的钎焊方法。
1.2.2 Al-Si-Ge 系钎料
当在Al-Si合金中添加Ge元素时可以降低钎料的熔点，但是当Ge元素的含量相对较低时，降低钎料熔化温度的作用不明显，Al-Si -Ge 系钎料液相线的温度区间可以控制在 425~500℃范围之间，钎料的熔化温度比较理想。Al-Si -Ge 系钎料的脆性非常大，落地便碎，经过退火工艺可以使其脆性有所降低，但是钎焊时需要采取特殊的措施来保证钎焊质量。
1.2.3 Al-Si-Cu 系钎料
火焰钎焊2A01铝合金试样
接头显微组织分析
拉伸实验
图2.1 本文研究的流程
2.2 钎料合金的选择与制备
2.2.1 Zn-Al 合金的成分设计
由Zn-Al 二元相图可知，Zn-Al 二元合金的共晶温度为381℃，其共晶成分是 95Zn-5Al。成分不同的Zn-Al系钎料性能和组织均存在很大的差异。通过适当调整 Zn-Al 合金中Al元素的含量，可以将钎料的熔点温度区间控制在 381~500℃之间，这样就可以满足中温铝钎焊的温度要求，对应的Al元素的含量在2~25wt.%之间。所以选择含Al量在 2~25wt.%范围内的Zn-Al合金作为本课题的研究对象，并对其组织和性能进行研究。本试验采用的钎料合金成分如表2.1 所示。
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