98Zn2Al焊丝焊接铜铝接头性能研究
目 录
1 绪论 1
1.1 焊接的分类及特点 1
1.2 铜-铝钎焊的研究现状 1
1.3 铜-铝钎焊材料的研究背景 2
1.4 不同系列的铜-铝钎焊钎料 2
1.5 焊丝的金相组织 3
1.6 Zn-Al钎料的研究现状和展望 4
1.7 本课题的研究内容 4
1.8 本课题的研究意义 5
2 实验方法和过程 5
2.1 实验流程图 5
2.2 熔炼Zn-Al钎料 6
2.3 钎料铺展性能实验 7
2.4 钎剂的选择 9
2.5 火焰钎焊铜铝试样 10
2.6 拉伸试验 10
2.7制备金相试样 11
2.8接头显微组织分析 12
3实验结果与分析 13
3.1 98Zn-2Al焊丝的性能 13
3.2 98Zn-2Al焊丝的润湿性能 14
3.3 98Zn-2Al铜-铝钎焊接头力学性能 15
3.4 98Zn-2Al钎料钎焊铜-铝焊接接头的显微组织 16
3.5 98Zn-2Al钎料钎焊铜-铝焊接接头的断口形貌 17
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1 焊接的分类及特点
焊接是通过加热或加压也可以两者并用；用或不用填充材料，从而使工件连接的一种方法[1]。焊接主要可以分为三大类：熔焊、压焊和钎焊。
1.1.2 熔焊
熔焊:将母材金属熔化，并且形成焊缝的焊接方法。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
1.1.3 压焊
压焊:焊接时，必须对焊件施加压力的焊接方法。
1.1.4 钎焊
钎焊：将钎料和焊件加热到高于钎料熔点但低于母材熔化的温度，使液态钎料润湿母材，填充接头缝隙，并与母材相互扩散从而连接焊件的焊接方法。根据钎料的熔点，可将钎焊分为硬钎焊和软钎焊。
硬钎焊：用熔点高于450℃的材料作为钎料的钎焊方法。硬钎焊接头具有强度高，耐高温和良好的力学性能[2]。常用的钎料有铜基、铝基、镍基等合金；常用氯化物、氟化物、硼酸等作为硬钎焊的钎剂；加热方法有火焰加热、炉中加热、盐浴加热、高频感应加热等。
软钎焊：用熔点低于450℃的材料作为钎料的钎焊方法。软钎焊接头的强度不高，在电气设备、仪表仪器等中较为常见。常用的钎料有锡、铅；钎剂有松香、松香酒精溶液、氯化锌溶液等；一般使用电烙铁加热。
钎焊的优点：加热温度相对较低，母材本身是不熔化的，因此接头组织和性能变化不大，钎焊后焊件的变形小。
1.2 铜-铝钎焊的研究现状
铜-铝异种金属连接时，容易在铜和铝结合处形成脆硬的金属化合物,导致铜-铝连接接头的性能大大降低[3]。因此选用合适的焊接方法以减小金属化合物脆硬性对接头组织性能的影响,将是今后铜-铝焊接研究的一个重点方向。
近年来，研究的较为热门的就是铜-铝钎焊，铜-铝钎焊具有加热温度低，变形小，操作简单方便，生产成本低等优点[4]。但是铜和铝如果直接钎焊比较困难，因此在钎焊时必须加入强腐蚀性的钎剂。加入钎剂的主要目的是去除铝表面的氧化膜，从而提高铜-铝钎焊的效果。
1.3 铜-铝钎焊材料的研究背景
在目前的工业生产中，由于技术不成熟，铝及其合金钎焊的应用发展水平有限，铝及其合金的钎焊产品生产率普遍较低，且产品质量不能得到保障[5]。另一方面，由于近年来，铜的资源不断减少，铜价格持续偏高，“以铝代铜”已经成为当前一个热门话题[6]。在空调、制冷及电力行业中经常要用到铜-铝焊接（图1.1所示的是部分铜-铝接头在生产中的应用），但一些零部件出现了许多铜-铝焊接问题，原因是在铜-铝结合区形成脆硬的铜铝金属化合物,导致接头的性能大大降低[7]。
就目前的研究成果来看，铜-铝焊接采用熔焊，电阻焊或者，摩擦焊均存在各种问题，钎焊具有加热温度低且母材不熔化的优点，能够减少焊接过程中产生的脆硬金属化合物，因此具有很好的发展应用前景。然而，由于铜和铝的物理化学性能差异比较大，铝的表面容易形成致密的氧化膜，使得铜-铝钎焊十分困难[8]。因此，研发性能较好的铜-铝钎焊材料有利于以铝代铜的发展。
(a)换热器上的铜-铝接头 （b）电线夹上的铜-铝连接
图1.1 工业生产中用到的铜-铝接头
1.4 不同系列的铜-铝钎焊钎料
根据中国矿业联合会的研究，到2020年，我国所需的主要矿产可以分为保证、基本保证、短缺、严重短缺等四类[9]。铜属于严重短缺之一。铜的价格由2005年的10000元/t涨到2007的80000元/t；而铝的价格一直比较稳定，维持在20000元/t左右。另一方面，铝在地壳中的含量高达8wt.%，且铝的密度比铜小，如果在工业生产中多采用铝材，则可 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
大大减轻工件器械的重量，因此，以铝代铜具有很好的应用前景。钎焊相对其他焊接方式，具有母材不熔、加热温度低、变形小等优点，最适合作为铜-铝连接的方式。目前比较常用的铜-铝钎料主要有Sn-Zn系、Al-Si系、Zn-Al系等[10]。
1.4.1 Sn-Zn系
用Sn-Zn系钎料钎焊的接头强度较高，但钎焊接头的抗腐蚀性能差[11]。目前，相关研究发现，在Sn-Zn系钎料添加Ag元素能改善其耐蚀性；而加入稀土元素，则能改善其在铜基面上的润湿性。
1.4.2 Al-Si系
Al-Si系钎料的熔点较高，钎焊温度与铝材的熔点（660℃）相近，因此，在钎焊过程中易造成母材过烧甚至熔化；此外，Al-Si系钎料铜-铝钎焊的接头强度也不高[12]。Al-Si系仅适用于真空和炉中钎焊。
1.4.3 Zn-Al系
Zn-Al系钎料钎焊性能较好，熔点适中，且成本低、成型快，是作为中温铝钎焊的理想选择[13]。熔练钎料时，按熔点由高到低的顺序依次加入各种原料，熔点相近的可同时加入。熔炼过程中要不断搅拌翻转，保证各元素充分混合均匀，且应该严格控制温度范围以免温度过高导致一些成分挥发。由于锌的熔点较低（419.5℃），在熔炼过程中极易挥发[14]，因此要最后加入并保温几秒处理，还要在加入后迅速在钎料表面涂上氟化物保护膜[15]。
1.5 焊丝的金相组织
98Zn-2Al焊丝的金相组织如图1.2所示，由图可看出，其组织有明显的带状，说明98Zn-2Al的钎料具有良好的塑性[16]。图1.3为Zn-Al的二元合金相图，其共晶点为95Zn-5Al，温度为382℃。
图1.2 98Zn-2Al焊丝金相组织
图1.3 Zn-Al二元合金相图
1.6 Zn-Al钎料的研究现状和展望
由于铜和铝的物理化学性能差异很大，因此在铜-铝结合区易形成脆硬的金属化合物,导致接头的性能大大降低。钎焊时，要想获得性能良好的焊接接头，必须将脆硬的金属化合物层的厚度控制在2微米以下[17]。因此，不断改善脆硬金属化合物对铜-铝接头性能的影响，一直是铜-铝钎焊用软钎料研究的热点课题[18]。
1 绪论 1
1.1 焊接的分类及特点 1
1.2 铜-铝钎焊的研究现状 1
1.3 铜-铝钎焊材料的研究背景 2
1.4 不同系列的铜-铝钎焊钎料 2
1.5 焊丝的金相组织 3
1.6 Zn-Al钎料的研究现状和展望 4
1.7 本课题的研究内容 4
1.8 本课题的研究意义 5
2 实验方法和过程 5
2.1 实验流程图 5
2.2 熔炼Zn-Al钎料 6
2.3 钎料铺展性能实验 7
2.4 钎剂的选择 9
2.5 火焰钎焊铜铝试样 10
2.6 拉伸试验 10
2.7制备金相试样 11
2.8接头显微组织分析 12
3实验结果与分析 13
3.1 98Zn-2Al焊丝的性能 13
3.2 98Zn-2Al焊丝的润湿性能 14
3.3 98Zn-2Al铜-铝钎焊接头力学性能 15
3.4 98Zn-2Al钎料钎焊铜-铝焊接接头的显微组织 16
3.5 98Zn-2Al钎料钎焊铜-铝焊接接头的断口形貌 17
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1 焊接的分类及特点
焊接是通过加热或加压也可以两者并用；用或不用填充材料，从而使工件连接的一种方法[1]。焊接主要可以分为三大类：熔焊、压焊和钎焊。
1.1.2 熔焊
熔焊:将母材金属熔化，并且形成焊缝的焊接方法。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
1.1.3 压焊
压焊:焊接时，必须对焊件施加压力的焊接方法。
1.1.4 钎焊
钎焊：将钎料和焊件加热到高于钎料熔点但低于母材熔化的温度，使液态钎料润湿母材，填充接头缝隙，并与母材相互扩散从而连接焊件的焊接方法。根据钎料的熔点，可将钎焊分为硬钎焊和软钎焊。
硬钎焊：用熔点高于450℃的材料作为钎料的钎焊方法。硬钎焊接头具有强度高，耐高温和良好的力学性能[2]。常用的钎料有铜基、铝基、镍基等合金；常用氯化物、氟化物、硼酸等作为硬钎焊的钎剂；加热方法有火焰加热、炉中加热、盐浴加热、高频感应加热等。
软钎焊：用熔点低于450℃的材料作为钎料的钎焊方法。软钎焊接头的强度不高，在电气设备、仪表仪器等中较为常见。常用的钎料有锡、铅；钎剂有松香、松香酒精溶液、氯化锌溶液等；一般使用电烙铁加热。
钎焊的优点：加热温度相对较低，母材本身是不熔化的，因此接头组织和性能变化不大，钎焊后焊件的变形小。
1.2 铜-铝钎焊的研究现状
铜-铝异种金属连接时，容易在铜和铝结合处形成脆硬的金属化合物,导致铜-铝连接接头的性能大大降低[3]。因此选用合适的焊接方法以减小金属化合物脆硬性对接头组织性能的影响,将是今后铜-铝焊接研究的一个重点方向。
近年来，研究的较为热门的就是铜-铝钎焊，铜-铝钎焊具有加热温度低，变形小，操作简单方便，生产成本低等优点[4]。但是铜和铝如果直接钎焊比较困难，因此在钎焊时必须加入强腐蚀性的钎剂。加入钎剂的主要目的是去除铝表面的氧化膜，从而提高铜-铝钎焊的效果。
1.3 铜-铝钎焊材料的研究背景
在目前的工业生产中，由于技术不成熟，铝及其合金钎焊的应用发展水平有限，铝及其合金的钎焊产品生产率普遍较低，且产品质量不能得到保障[5]。另一方面，由于近年来，铜的资源不断减少，铜价格持续偏高，“以铝代铜”已经成为当前一个热门话题[6]。在空调、制冷及电力行业中经常要用到铜-铝焊接（图1.1所示的是部分铜-铝接头在生产中的应用），但一些零部件出现了许多铜-铝焊接问题，原因是在铜-铝结合区形成脆硬的铜铝金属化合物,导致接头的性能大大降低[7]。
就目前的研究成果来看，铜-铝焊接采用熔焊，电阻焊或者，摩擦焊均存在各种问题，钎焊具有加热温度低且母材不熔化的优点，能够减少焊接过程中产生的脆硬金属化合物，因此具有很好的发展应用前景。然而，由于铜和铝的物理化学性能差异比较大，铝的表面容易形成致密的氧化膜，使得铜-铝钎焊十分困难[8]。因此，研发性能较好的铜-铝钎焊材料有利于以铝代铜的发展。
(a)换热器上的铜-铝接头 （b）电线夹上的铜-铝连接
图1.1 工业生产中用到的铜-铝接头
1.4 不同系列的铜-铝钎焊钎料
根据中国矿业联合会的研究，到2020年，我国所需的主要矿产可以分为保证、基本保证、短缺、严重短缺等四类[9]。铜属于严重短缺之一。铜的价格由2005年的10000元/t涨到2007的80000元/t；而铝的价格一直比较稳定，维持在20000元/t左右。另一方面，铝在地壳中的含量高达8wt.%，且铝的密度比铜小，如果在工业生产中多采用铝材，则可 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
大大减轻工件器械的重量，因此，以铝代铜具有很好的应用前景。钎焊相对其他焊接方式，具有母材不熔、加热温度低、变形小等优点，最适合作为铜-铝连接的方式。目前比较常用的铜-铝钎料主要有Sn-Zn系、Al-Si系、Zn-Al系等[10]。
1.4.1 Sn-Zn系
用Sn-Zn系钎料钎焊的接头强度较高，但钎焊接头的抗腐蚀性能差[11]。目前，相关研究发现，在Sn-Zn系钎料添加Ag元素能改善其耐蚀性；而加入稀土元素，则能改善其在铜基面上的润湿性。
1.4.2 Al-Si系
Al-Si系钎料的熔点较高，钎焊温度与铝材的熔点（660℃）相近，因此，在钎焊过程中易造成母材过烧甚至熔化；此外，Al-Si系钎料铜-铝钎焊的接头强度也不高[12]。Al-Si系仅适用于真空和炉中钎焊。
1.4.3 Zn-Al系
Zn-Al系钎料钎焊性能较好，熔点适中，且成本低、成型快，是作为中温铝钎焊的理想选择[13]。熔练钎料时，按熔点由高到低的顺序依次加入各种原料，熔点相近的可同时加入。熔炼过程中要不断搅拌翻转，保证各元素充分混合均匀，且应该严格控制温度范围以免温度过高导致一些成分挥发。由于锌的熔点较低（419.5℃），在熔炼过程中极易挥发[14]，因此要最后加入并保温几秒处理，还要在加入后迅速在钎料表面涂上氟化物保护膜[15]。
1.5 焊丝的金相组织
98Zn-2Al焊丝的金相组织如图1.2所示，由图可看出，其组织有明显的带状，说明98Zn-2Al的钎料具有良好的塑性[16]。图1.3为Zn-Al的二元合金相图，其共晶点为95Zn-5Al，温度为382℃。
图1.2 98Zn-2Al焊丝金相组织
图1.3 Zn-Al二元合金相图
1.6 Zn-Al钎料的研究现状和展望
由于铜和铝的物理化学性能差异很大，因此在铜-铝结合区易形成脆硬的金属化合物,导致接头的性能大大降低。钎焊时，要想获得性能良好的焊接接头，必须将脆硬的金属化合物层的厚度控制在2微米以下[17]。因此，不断改善脆硬金属化合物对铜-铝接头性能的影响，一直是铜-铝钎焊用软钎料研究的热点课题[18]。
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