6063铝合金铝钎焊材料的研究
6063铝合金铝钎焊材料的研究
1引言
6063铝合金具有优良的抗腐蚀性能，较理想的加工性能，抛光性，以及阳极氧化着色性，在装饰，建筑和机车制造等很多领域均有着广泛应用。
6063铝合金主要用作集装箱的生产材料，但是由于铝合金表面有一层致密的氧化膜Al2O3，这种材料熔点在2300℃，具有很高的稳定性，会严重妨碍焊接的进行，而铝合金的熔点很低，在660℃，这两种物质熔点差距很大，高熔点物质包裹着低熔点的物质，焊接比较困难，再加上铝和铝合金加热的过程中，颜色变化不是很明显，这样更使得焊接操作具备难度。本文主要论述98Zn-2Al焊丝焊接6063铝合金街头性能研究，通过比较不同钎料得出。Zn-Al钎料的优异性。
1.1新型铝-铝钎焊材料的研究应用以及背景
铝钎焊是一种母材不熔化，靠填充金属熔化和基体形成一种新金属键结合的焊接方式，由于其焊接较为困难，所以需要良好的工艺措施和工人的熟练操作来保证钎焊质量，近些年，优质钎料的生产和特殊加热工具的制造，使该法焊接的汽车铝车窗，焊接痕迹小，连接强度高，外表美观，成本低廉，并克服了钨极氩弧焊色差大等问题。因此在汽车铝车窗获得广泛应用。铝合金钎焊常用Al-Si钎料[1]，此类钎料具有很好的强度和润湿性，缺点就是熔点高，钎焊温度过于接近母材温度，所以在钎焊时，必须严格控制加热温度，避免母材过烧导致熔化。如图1.1为铝制换热器。
图1.1铝制换热器
1.2铝-铝钎焊用钎料的研究现状
1.2.1Al-Si系
1.2.1.1Al-Si-Cu系
通过合金化的方法，可以往Al-Si钎料中加入Cu,,但Cu加入量多时也会使钎料变脆及钎焊时出现对母材的溶蚀，很难得到性能优良的钎焊接头。
为了降低Al-Si-Cu系钎料的熔点，可以采用快速凝固方法，这种方法让Al-Si-Cu液相线温度降低3-5℃，熔点可以控制在517-530℃，快速凝固除了降低钎料熔点，还可以均匀钎料化学成分，提高钎料润湿性，间接提高钎料接头力学性能。普通钎料铺展时容易产生分层现象，这是由于成分不均匀，各相熔点不均匀所致。
虽然Al-Si-Cu 系钎料的熔化温度明显降低 ，但Al-Si-Cu 系钎料中的 Al 元素与 Cu 元素容易形成脆性化合物 CuAl2[2]钎料脆性增大， 造成加工困难 ，难以加工成带材或拉拔成丝材 ，这样这类钎料的使用范围就被限制。 另外， 钎焊接头晶界处形成 CuAl2 化合物， 导致晶界周围形成贫 Cu 区， 与晶粒内部处于钝态的 a-Al 相电位差较大 容易形成局部腐蚀电池 产生晶间腐蚀[3]。Al-Si-Cu系钎料和6063铝合金腐蚀电位差很大，这样容易导致剧烈的电化学腐蚀。如图1.2为Al-Si合金相图。
图1.2Al-Si合金相图
1.2.1.2Al-Si-Mg系
Al-Si系列的钎料主要用于溶剂钎焊，对于非溶剂真空钎焊来说,就必须添加Mg,形成Al-Si-Mg三元系钎料。Mg在钎焊初期能升华形成Mg蒸汽,吸收水汽,避免其不利影响;其次,Mg能活化除膜,使得钎料能很好地润湿母材[4]
1.2.1.3Al-Si-Zn系
Al-Si-Zn系钎料有着很好的润湿性，流动性，在配置的时候，应该先熔制Al-Si合金，然后再熔剂保护下加入Zn,否则导致Si不易溶入，为了减少与色差，可在钎料中加入少量Cu,加入少量Mg可以提高抗腐蚀性[5]。此类钎料熔炼过程中易产生 Si 的偏析， 组织上的不均匀导致钎料塑性降低 ，在焊丝拉拔过程中常发生丝状断裂， 加工成型较为困难 ，采用快冷方法可使 Al-Si-Zn 系钎料合金的组织和加工性能有所改善[6]，但生产工艺较为复杂， 且成本较高。
1.2.1.4Al-Si-Ge系
Ge元素可以有效降低Al-Si合金的钎料熔点[7]，但当Ge含量比较低时，对钎料熔化温度的降低作用就不怎么大了[8]，当Al-Si-Ge系钎料液相温度控制在425-500℃这个范围内，熔化温度较为理想，Al-Ge-Si-Mg钎料熔化温度较低，但是其中Ge元素含量较高，从而导致成本偏高，而Al-Si-Ge系钎料缺点就是脆性大，落地便碎，故而可以采用退火工艺降低脆性。
1.2.2 Cd-Zn系
Cd-Zn系钎料共晶点在82.5Cd-17.5Zn，共晶温度维持在265℃。这种钎料可以配合有机钎料使用，因为这种钎料温度钎焊温度不超过300℃，相比于无机钎剂，大大提高了腐蚀性，由于镉含有剧毒，已被明令禁止使用。并且由于镉色泽较深，影响产品美观。如图1.3为 Cd-Zn合金相图。
图1.3 Cd-Zn合金相图
1.2.3 Sn-Zn系
Sn-Zn系钎料熔化温度为198℃。钎焊强度很高，通过拉伸实验，可以知道，该试样断裂于母材处，超声波方法控制Mg2Sn化合物产生，这使得钎焊接头强度远远高于熔融状态下的钎焊接头强度。Sn-Zn接头虽然耐腐蚀性很差，但是接头强度很高。适当添加一些元素，比如Ag可以提高耐腐蚀性，但作用不是很明显，这是因为Ag元素会与Zn元素形成的化合物细化了钎料组织。如图1.4为 Sn-Zn合金相图。
1、钎料铺展性能实验表明，钎料在6063铝合金表面铺展性能良好，面积较大，润湿角较小。随着加热温度的升高，铺展面积增大，润湿性改善。
2、钎焊实验表明，加热温度低于580℃时，钎焊接头无法实现可靠连接。在加热温度为580℃，钎焊时间2min的条件下，可以实现可靠连接。
3、钎焊接头力学性能实验表明，搭接钎焊接头断裂于钎缝处，接头强度为46MPa,接头强度较低，对应的钎焊接头显微组织中共析组织粗大，容易产生应力集中，萌生裂纹源，导致接头强度降低。
1引言
6063铝合金具有优良的抗腐蚀性能，较理想的加工性能，抛光性，以及阳极氧化着色性，在装饰，建筑和机车制造等很多领域均有着广泛应用。
6063铝合金主要用作集装箱的生产材料，但是由于铝合金表面有一层致密的氧化膜Al2O3，这种材料熔点在2300℃，具有很高的稳定性，会严重妨碍焊接的进行，而铝合金的熔点很低，在660℃，这两种物质熔点差距很大，高熔点物质包裹着低熔点的物质，焊接比较困难，再加上铝和铝合金加热的过程中，颜色变化不是很明显，这样更使得焊接操作具备难度。本文主要论述98Zn-2Al焊丝焊接6063铝合金街头性能研究，通过比较不同钎料得出。Zn-Al钎料的优异性。
1.1新型铝-铝钎焊材料的研究应用以及背景
铝钎焊是一种母材不熔化，靠填充金属熔化和基体形成一种新金属键结合的焊接方式，由于其焊接较为困难，所以需要良好的工艺措施和工人的熟练操作来保证钎焊质量，近些年，优质钎料的生产和特殊加热工具的制造，使该法焊接的汽车铝车窗，焊接痕迹小，连接强度高，外表美观，成本低廉，并克服了钨极氩弧焊色差大等问题。因此在汽车铝车窗获得广泛应用。铝合金钎焊常用Al-Si钎料[1]，此类钎料具有很好的强度和润湿性，缺点就是熔点高，钎焊温度过于接近母材温度，所以在钎焊时，必须严格控制加热温度，避免母材过烧导致熔化。如图1.1为铝制换热器。
图1.1铝制换热器
1.2铝-铝钎焊用钎料的研究现状
1.2.1Al-Si系
1.2.1.1Al-Si-Cu系
通过合金化的方法，可以往Al-Si钎料中加入Cu,,但Cu加入量多时也会使钎料变脆及钎焊时出现对母材的溶蚀，很难得到性能优良的钎焊接头。
为了降低Al-Si-Cu系钎料的熔点，可以采用快速凝固方法，这种方法让Al-Si-Cu液相线温度降低3-5℃，熔点可以控制在517-530℃，快速凝固除了降低钎料熔点，还可以均匀钎料化学成分，提高钎料润湿性，间接提高钎料接头力学性能。普通钎料铺展时容易产生分层现象，这是由于成分不均匀，各相熔点不均匀所致。
虽然Al-Si-Cu 系钎料的熔化温度明显降低 ，但Al-Si-Cu 系钎料中的 Al 元素与 Cu 元素容易形成脆性化合物 CuAl2[2]钎料脆性增大， 造成加工困难 ，难以加工成带材或拉拔成丝材 ，这样这类钎料的使用范围就被限制。 另外， 钎焊接头晶界处形成 CuAl2 化合物， 导致晶界周围形成贫 Cu 区， 与晶粒内部处于钝态的 a-Al 相电位差较大 容易形成局部腐蚀电池 产生晶间腐蚀[3]。Al-Si-Cu系钎料和6063铝合金腐蚀电位差很大，这样容易导致剧烈的电化学腐蚀。如图1.2为Al-Si合金相图。
图1.2Al-Si合金相图
1.2.1.2Al-Si-Mg系
Al-Si系列的钎料主要用于溶剂钎焊，对于非溶剂真空钎焊来说,就必须添加Mg,形成Al-Si-Mg三元系钎料。Mg在钎焊初期能升华形成Mg蒸汽,吸收水汽,避免其不利影响;其次,Mg能活化除膜,使得钎料能很好地润湿母材[4]
1.2.1.3Al-Si-Zn系
Al-Si-Zn系钎料有着很好的润湿性，流动性，在配置的时候，应该先熔制Al-Si合金，然后再熔剂保护下加入Zn,否则导致Si不易溶入，为了减少与色差，可在钎料中加入少量Cu,加入少量Mg可以提高抗腐蚀性[5]。此类钎料熔炼过程中易产生 Si 的偏析， 组织上的不均匀导致钎料塑性降低 ，在焊丝拉拔过程中常发生丝状断裂， 加工成型较为困难 ，采用快冷方法可使 Al-Si-Zn 系钎料合金的组织和加工性能有所改善[6]，但生产工艺较为复杂， 且成本较高。
1.2.1.4Al-Si-Ge系
Ge元素可以有效降低Al-Si合金的钎料熔点[7]，但当Ge含量比较低时，对钎料熔化温度的降低作用就不怎么大了[8]，当Al-Si-Ge系钎料液相温度控制在425-500℃这个范围内，熔化温度较为理想，Al-Ge-Si-Mg钎料熔化温度较低，但是其中Ge元素含量较高，从而导致成本偏高，而Al-Si-Ge系钎料缺点就是脆性大，落地便碎，故而可以采用退火工艺降低脆性。
1.2.2 Cd-Zn系
Cd-Zn系钎料共晶点在82.5Cd-17.5Zn，共晶温度维持在265℃。这种钎料可以配合有机钎料使用，因为这种钎料温度钎焊温度不超过300℃，相比于无机钎剂，大大提高了腐蚀性，由于镉含有剧毒，已被明令禁止使用。并且由于镉色泽较深，影响产品美观。如图1.3为 Cd-Zn合金相图。
图1.3 Cd-Zn合金相图
1.2.3 Sn-Zn系
Sn-Zn系钎料熔化温度为198℃。钎焊强度很高，通过拉伸实验，可以知道，该试样断裂于母材处，超声波方法控制Mg2Sn化合物产生，这使得钎焊接头强度远远高于熔融状态下的钎焊接头强度。Sn-Zn接头虽然耐腐蚀性很差，但是接头强度很高。适当添加一些元素，比如Ag可以提高耐腐蚀性，但作用不是很明显，这是因为Ag元素会与Zn元素形成的化合物细化了钎料组织。如图1.4为 Sn-Zn合金相图。
1、钎料铺展性能实验表明，钎料在6063铝合金表面铺展性能良好，面积较大，润湿角较小。随着加热温度的升高，铺展面积增大，润湿性改善。
2、钎焊实验表明，加热温度低于580℃时，钎焊接头无法实现可靠连接。在加热温度为580℃，钎焊时间2min的条件下，可以实现可靠连接。
3、钎焊接头力学性能实验表明，搭接钎焊接头断裂于钎缝处，接头强度为46MPa,接头强度较低，对应的钎焊接头显微组织中共析组织粗大，容易产生应力集中，萌生裂纹源，导致接头强度降低。
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