85Zn-15Al焊丝焊接纯铝接头性能研究
85Zn-15Al焊丝焊接纯铝接头性能研究
采用85Zn-15Al钎料钎焊纯铝接头，钎料铺展性能实验表明，钎料在纯铝表面铺展性能良好，铺展后的钎料具有金属光泽，润湿角较小，铺展面积较大，随着铺展实验温度的升高，钎料粘度降低，流动性改善，铺展面积增大，润湿性提高。钎焊接头力学性能实验表明，钎焊搭接接头断裂处均为母材，钎焊接头强度较高，对接接头强度89.84MPa，搭接强度为88.83MPa，对应的接头显微组织内块状共析组织较为细小，不易产生应力集中，有利于钎焊接头强度提高。
关键词： Zn-Al钎料，纯铝钎焊，铺展性能，接头力学性能
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 铝-铝钎焊的工艺研究及其应用背景 1
1.3 铝的性能 2
1.4 不同钎料的组织性能的分析研究 2
1.4.1 除了Zn-Al以外的钎料研究 2
1.4.2 Zn-Al钎料组织及其性能分析研究 3
1.4.3 Zn-Al钎料与其他钎料相比优异性能分析 4
1.5 钎剂的选用 5
1.6 Zn-Al钎料的研究现状 5
1.7 本课题的研究内容与意义 6
2 研究方法及实验过程 6
2.1 研究的技术路线 6
2.2 Zn-Al合金制备 7
2.3 钎料铺展性的测试方法 8
2.4 火焰钎焊 8
2.5 钎焊接头显微组织分析 9
2.6 钎焊接头力学性能实验 11
3 实验结果 11
3.1 Zn-Al钎料中Al含量不同对钎料组织影响 11
3.2 85Zn-15Al焊丝润湿性能 13
3.3 85Zn-15Al钎焊接头力学性能 14
3.4 85Zn-15Al焊接纯铝对接接头显微组织的研究 15
4 结论 17
致谢： 18
参考文献 19
1 绪论
1.1 引言
本篇论文参阅焊接发展背景，查阅相关焊接资料，将详细介绍焊接相关知识以及深入探讨本课题详细内容，即85Zn-15Al焊丝焊接纯铝接头性能的研究，根据不同钎料的性能特点重点研究Zn-Al钎料的优异性，并且进一步研究钎料中Zn-Al含量的比例对钎料性能以及对纯铝焊接焊缝的微观组织和力学性能的影响。通过比较焊接纯铝焊接接头的实验结果，归纳总结纯铝焊接工艺及性能的优异性，在此实验也能总结钎料在不同金属表面的润湿性和流动性，再次验证85Zn-15Al焊丝焊接纯铝接头优异性和生产实用性。本文通过对纯铝焊接性能的分析研究，强调纯铝焊接工艺的特殊性和复杂性，说明纯铝焊接的具体过程，并提出焊接缺陷的防范措施。此外，在论述各种不同钎料的同时，重点研究并阐述本课题85Zn-15Al焊丝焊接时钎料与其他Zn-Al钎料相比较的优异性。在目前国内外的生产实践中具体焊接工艺要求下相比较各种焊接材料与焊接钎料，找出更适合的焊接方案并在具体实践中验证其实用性与安全性。
1.2 铝-铝钎焊的工艺研究及其应用背景
根据铝的物理性质，化学性质以及耐腐蚀性质可以看出铝-铝钎焊对焊接工艺，功率，热源，温度等要求较高。是否需要预热，裂纹如何产生，坡口是否熔化等问题需要深入细致研究[1]。铝-铝钎焊对钎料要求较高，通常可采用Al-Si钎料，Al-Si钎料的优点是强度高，润湿性好，缺点是熔点高，钎焊温度接近母材，纯铝的熔点为657℃，钎焊温度要高于Al-Si二元共晶温度（577℃），因此钎焊时必须要个控制加热温度，避免母材过烧或熔化。对于薄壁金属焊接相对较为困难，质量难以保证。
根据铝的性质，其密度小（ρ=2.72g/cm3），导电性和导热性好，铝-铝钎焊在电子设备中散热器，冷板等之中有重要应用。空调、制冷和电力金具等行业已经迈出了以铝代铜的步伐。如换热器，如图1-1，目前通常采用3003铝合金，为了节省材料，3003铝合金管壁只有0.3mm，若是采用Al-Si合金钎焊十分困难，产品质量也难以保证。研究并推出钎料的优良品质是研究人员的努力方向，解决此问题有助于纯铝钎焊的推广使用。
而相对于具体的铝-铝钎焊要根据具体要求深入研究比较。如工业上常用的L2纯铝烟囱，不仅要有良好的抗烟腐蚀性，也要有很强的自重压弯力，这就要求其焊缝接头具有良好的力学性能，要有相关的焊接试验做依据，充分比较并验证出最为良好的焊接工艺，焊接设备与焊接材料[2]。
1.3 铝的性能
纯铝的膨胀系数，熔化潜热，导热系数等都较高，熔点是657℃,密度ρ=2.72g/cm3,如若材料中出现杂质会对其耐腐蚀性影响很大。纯铝焊接时需要热源要求其功率较高，纯铝在加热过程中晶粒长大，微观组织发生变化。晶粒之间出现相互吞并和晶界迁移，在焊缝连接处因为存在较大的应力集中,容易产生一些裂纹。铝的线胀系数较低,此后凝固时的收缩率又会很高,焊接时就会产生很大的应力集中。对于焊缝中产生的热裂纹主要通过控制焊缝合金成分与含量以及配合适当的焊接工艺来进行有效的减少与消除[3]。
1.4 不同钎料的组织性能的分析研究
1.4.1 除了Zn-Al以外的钎料研究
Al-Si系，正如上述所说，Al-Si系钎料熔点过高，一般仅局限于简单结构的钎焊及炉中钎焊，如若用火焰钎焊，其颜色不容辨别，容易导致母材过烧。通过快速冷却可以降低熔点，但是效果不明显。对于钎料合金元素以外其他元素的加入也会影响其熔点，如向Al-Si钎料中加入Cu元素形成Al-Si-Cu系，其共晶温度是525℃，但是容易形成铜铝化合物，钎料脆性增大，加工困难。另外，晶界形成贫铜区，与内部钝态α-Al电位差较大，易产生晶界腐蚀；如向Al-Si钎料中加入Zn元素，Al-Si-Zn钎料的熔点在500℃左右，此类钎料润湿性好，流动性好；如向Al-Si钎料中加入Ge可以降低熔点，但是Ge含量较低时降低熔点作用不明显，另外钎料脆性极大，需要采用退
火工艺处理。另外还有Cd-Zn系，Sn-Zn系，Sn-Pb系，pb-Bi系，Zn-Al系等相对于Al-Si系都有不同的性能，适用于不同的工艺要求。而对于Zn-Al钎料中Zn-Al比例不同对钎料性能的影响将在后面详细介绍。
1.4.2 Zn-Al钎料组织及其性能分析研究
(1) Zn-Al钎料中Al含量的不同对钎料组织性能的影响
由于钎料中Al含量的不同，其显微组织会有变化，一般有亚共晶成分，过共晶成分和偏析组织，随着Al含量的增加而依次变化。根据显微观察可见块状组织，周围黑白相间组织为共晶组织，Al 含量相对于Zn含量增加至一定程度后，初生相发生偏析反应，直至钎料全部组织由偏析组织构成，宏观组织也相对变得粗大。另外，晶粒的生长是焊接过程中必须要考虑的部分，它导致热影响区成为材料中性能最薄弱部分，焊接热影响区最终的晶粒大小及其分布情况是值得关注的方面，因为其直接影响焊接接头的性能[4]。在Zn-Al钎料中Zn-Al比例的不同对钎料的性能有不同的影响，我们从铺展性能，纯铝钎焊接头力学性能等方面深入比较研究发现，随着Al含量的增加，在纯铝的表面钎料铺展增大，Al含量达到15％的时候铺展的面积会达到最大状态，继续增大时面积变小，即85Zn-15Al钎料的铺展性最好。对抗拉强度做同样的实验比较，发现在Al含量增加至15％时抗拉强度达到最大。在Al含量没有到达15％之前，随着Al含量的增加，共晶组织减少，初生相与共晶组织接触面积减少，裂纹萌生减少，提高接头强度。当Al含量超过15％时，尽管共晶组织继续减少，但是铝基固溶体增大，容易产生应力集中，接头强度降低[5]，继续增加Al的含量，钎料熔点升高，铺展性能下降[6]。实验数据可得，Al含量为15％时，铝-铝钎焊抗拉强度达到最高，各项试验表明，包括其接头的力学性能在内，85Zn-15Al在Zn-Al钎料中各项性能均达到最佳状态。
(2) 钎料中加入Ag元素时对钎料组织性能的影响
根据资料实验数据可以看出，添加Ag元素对钎料的显微组织，铺展性能，力学性能有一定影响，一定比例的Ag元素可以改善钎料的各项性能，目前这类钎料在电力，五金等各行业都有广泛应用。查阅资料可知，银的熔点为962℃，与锌铝形成固溶体，使用时需提高加热速度，能提高钎焊接头质量通过比较当Ag含量增至3.3％时组织最为细小均匀，铺展性达到最好。另外分析研究钎料在纯铝表面的铺展面积可知，钎料在表面进行铺展时Zn以很快的速度向母材晶间渗透。根据组内向Zn-Al钎料中加入Ag元素来焊接铜铝接头的实验可以得到，焊缝中主要有三种物质，第一种是锌
采用85Zn-15Al钎料钎焊纯铝接头，钎料铺展性能实验表明，钎料在纯铝表面铺展性能良好，铺展后的钎料具有金属光泽，润湿角较小，铺展面积较大，随着铺展实验温度的升高，钎料粘度降低，流动性改善，铺展面积增大，润湿性提高。钎焊接头力学性能实验表明，钎焊搭接接头断裂处均为母材，钎焊接头强度较高，对接接头强度89.84MPa，搭接强度为88.83MPa，对应的接头显微组织内块状共析组织较为细小，不易产生应力集中，有利于钎焊接头强度提高。
关键词： Zn-Al钎料，纯铝钎焊，铺展性能，接头力学性能
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 铝-铝钎焊的工艺研究及其应用背景 1
1.3 铝的性能 2
1.4 不同钎料的组织性能的分析研究 2
1.4.1 除了Zn-Al以外的钎料研究 2
1.4.2 Zn-Al钎料组织及其性能分析研究 3
1.4.3 Zn-Al钎料与其他钎料相比优异性能分析 4
1.5 钎剂的选用 5
1.6 Zn-Al钎料的研究现状 5
1.7 本课题的研究内容与意义 6
2 研究方法及实验过程 6
2.1 研究的技术路线 6
2.2 Zn-Al合金制备 7
2.3 钎料铺展性的测试方法 8
2.4 火焰钎焊 8
2.5 钎焊接头显微组织分析 9
2.6 钎焊接头力学性能实验 11
3 实验结果 11
3.1 Zn-Al钎料中Al含量不同对钎料组织影响 11
3.2 85Zn-15Al焊丝润湿性能 13
3.3 85Zn-15Al钎焊接头力学性能 14
3.4 85Zn-15Al焊接纯铝对接接头显微组织的研究 15
4 结论 17
致谢： 18
参考文献 19
1 绪论
1.1 引言
本篇论文参阅焊接发展背景，查阅相关焊接资料，将详细介绍焊接相关知识以及深入探讨本课题详细内容，即85Zn-15Al焊丝焊接纯铝接头性能的研究，根据不同钎料的性能特点重点研究Zn-Al钎料的优异性，并且进一步研究钎料中Zn-Al含量的比例对钎料性能以及对纯铝焊接焊缝的微观组织和力学性能的影响。通过比较焊接纯铝焊接接头的实验结果，归纳总结纯铝焊接工艺及性能的优异性，在此实验也能总结钎料在不同金属表面的润湿性和流动性，再次验证85Zn-15Al焊丝焊接纯铝接头优异性和生产实用性。本文通过对纯铝焊接性能的分析研究，强调纯铝焊接工艺的特殊性和复杂性，说明纯铝焊接的具体过程，并提出焊接缺陷的防范措施。此外，在论述各种不同钎料的同时，重点研究并阐述本课题85Zn-15Al焊丝焊接时钎料与其他Zn-Al钎料相比较的优异性。在目前国内外的生产实践中具体焊接工艺要求下相比较各种焊接材料与焊接钎料，找出更适合的焊接方案并在具体实践中验证其实用性与安全性。
1.2 铝-铝钎焊的工艺研究及其应用背景
根据铝的物理性质，化学性质以及耐腐蚀性质可以看出铝-铝钎焊对焊接工艺，功率，热源，温度等要求较高。是否需要预热，裂纹如何产生，坡口是否熔化等问题需要深入细致研究[1]。铝-铝钎焊对钎料要求较高，通常可采用Al-Si钎料，Al-Si钎料的优点是强度高，润湿性好，缺点是熔点高，钎焊温度接近母材，纯铝的熔点为657℃，钎焊温度要高于Al-Si二元共晶温度（577℃），因此钎焊时必须要个控制加热温度，避免母材过烧或熔化。对于薄壁金属焊接相对较为困难，质量难以保证。
根据铝的性质，其密度小（ρ=2.72g/cm3），导电性和导热性好，铝-铝钎焊在电子设备中散热器，冷板等之中有重要应用。空调、制冷和电力金具等行业已经迈出了以铝代铜的步伐。如换热器，如图1-1，目前通常采用3003铝合金，为了节省材料，3003铝合金管壁只有0.3mm，若是采用Al-Si合金钎焊十分困难，产品质量也难以保证。研究并推出钎料的优良品质是研究人员的努力方向，解决此问题有助于纯铝钎焊的推广使用。
而相对于具体的铝-铝钎焊要根据具体要求深入研究比较。如工业上常用的L2纯铝烟囱，不仅要有良好的抗烟腐蚀性，也要有很强的自重压弯力，这就要求其焊缝接头具有良好的力学性能，要有相关的焊接试验做依据，充分比较并验证出最为良好的焊接工艺，焊接设备与焊接材料[2]。
1.3 铝的性能
纯铝的膨胀系数，熔化潜热，导热系数等都较高，熔点是657℃,密度ρ=2.72g/cm3,如若材料中出现杂质会对其耐腐蚀性影响很大。纯铝焊接时需要热源要求其功率较高，纯铝在加热过程中晶粒长大，微观组织发生变化。晶粒之间出现相互吞并和晶界迁移，在焊缝连接处因为存在较大的应力集中,容易产生一些裂纹。铝的线胀系数较低,此后凝固时的收缩率又会很高,焊接时就会产生很大的应力集中。对于焊缝中产生的热裂纹主要通过控制焊缝合金成分与含量以及配合适当的焊接工艺来进行有效的减少与消除[3]。
1.4 不同钎料的组织性能的分析研究
1.4.1 除了Zn-Al以外的钎料研究
Al-Si系，正如上述所说，Al-Si系钎料熔点过高，一般仅局限于简单结构的钎焊及炉中钎焊，如若用火焰钎焊，其颜色不容辨别，容易导致母材过烧。通过快速冷却可以降低熔点，但是效果不明显。对于钎料合金元素以外其他元素的加入也会影响其熔点，如向Al-Si钎料中加入Cu元素形成Al-Si-Cu系，其共晶温度是525℃，但是容易形成铜铝化合物，钎料脆性增大，加工困难。另外，晶界形成贫铜区，与内部钝态α-Al电位差较大，易产生晶界腐蚀；如向Al-Si钎料中加入Zn元素，Al-Si-Zn钎料的熔点在500℃左右，此类钎料润湿性好，流动性好；如向Al-Si钎料中加入Ge可以降低熔点，但是Ge含量较低时降低熔点作用不明显，另外钎料脆性极大，需要采用退
火工艺处理。另外还有Cd-Zn系，Sn-Zn系，Sn-Pb系，pb-Bi系，Zn-Al系等相对于Al-Si系都有不同的性能，适用于不同的工艺要求。而对于Zn-Al钎料中Zn-Al比例不同对钎料性能的影响将在后面详细介绍。
1.4.2 Zn-Al钎料组织及其性能分析研究
(1) Zn-Al钎料中Al含量的不同对钎料组织性能的影响
由于钎料中Al含量的不同，其显微组织会有变化，一般有亚共晶成分，过共晶成分和偏析组织，随着Al含量的增加而依次变化。根据显微观察可见块状组织，周围黑白相间组织为共晶组织，Al 含量相对于Zn含量增加至一定程度后，初生相发生偏析反应，直至钎料全部组织由偏析组织构成，宏观组织也相对变得粗大。另外，晶粒的生长是焊接过程中必须要考虑的部分，它导致热影响区成为材料中性能最薄弱部分，焊接热影响区最终的晶粒大小及其分布情况是值得关注的方面，因为其直接影响焊接接头的性能[4]。在Zn-Al钎料中Zn-Al比例的不同对钎料的性能有不同的影响，我们从铺展性能，纯铝钎焊接头力学性能等方面深入比较研究发现，随着Al含量的增加，在纯铝的表面钎料铺展增大，Al含量达到15％的时候铺展的面积会达到最大状态，继续增大时面积变小，即85Zn-15Al钎料的铺展性最好。对抗拉强度做同样的实验比较，发现在Al含量增加至15％时抗拉强度达到最大。在Al含量没有到达15％之前，随着Al含量的增加，共晶组织减少，初生相与共晶组织接触面积减少，裂纹萌生减少，提高接头强度。当Al含量超过15％时，尽管共晶组织继续减少，但是铝基固溶体增大，容易产生应力集中，接头强度降低[5]，继续增加Al的含量，钎料熔点升高，铺展性能下降[6]。实验数据可得，Al含量为15％时，铝-铝钎焊抗拉强度达到最高，各项试验表明，包括其接头的力学性能在内，85Zn-15Al在Zn-Al钎料中各项性能均达到最佳状态。
(2) 钎料中加入Ag元素时对钎料组织性能的影响
根据资料实验数据可以看出，添加Ag元素对钎料的显微组织，铺展性能，力学性能有一定影响，一定比例的Ag元素可以改善钎料的各项性能，目前这类钎料在电力，五金等各行业都有广泛应用。查阅资料可知，银的熔点为962℃，与锌铝形成固溶体，使用时需提高加热速度，能提高钎焊接头质量通过比较当Ag含量增至3.3％时组织最为细小均匀，铺展性达到最好。另外分析研究钎料在纯铝表面的铺展面积可知，钎料在表面进行铺展时Zn以很快的速度向母材晶间渗透。根据组内向Zn-Al钎料中加入Ag元素来焊接铜铝接头的实验可以得到，焊缝中主要有三种物质，第一种是锌
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