88Zn-12Al焊丝焊接铜-铝接头性能影响
88Zn-12Al焊丝焊接铜-铝接头性能影响
本文以88Zn-12Al钎料为研究对象，分别研究了88Zn-12Al钎料在纯铝和紫铜表面的铺展性能，以及铜-铝钎焊接头的力学性能，接头断口分析。88Zn-12Al钎料的熔点约为420℃。88Zn-12Al钎料在紫铜表面的铺展性能显著低于在纯铝表面的铺展性能。因此，在铜-铝异种材料钎焊过程中，钎料在钎缝中的流动主要依赖88Zn-12Al在纯铝表面的润湿、铺展。钎焊接头力学性能试验结果表明对接和搭接钎焊接头均断裂于钎缝。钎焊接接头显微组织中块状CuAl2尺寸较大，容易产生应力集中，接头强度较低。 通过断口分析，88Zn-12Al钎料钎焊铜-铝焊接接头属于脆性断裂。
关键词 Zn-Al钎料，铜-铝钎焊，接头力学性能，铺展性能
1引言 1
1.1铜-铝钎焊使用钎料的研究现状 2
1.1.1Al-Si系 3
1.1.2Sn-Zn系 3
1.2.3Zn-Al系 3
1.3 Zn-Al钎料的研究现状 4
1.4.1本课题研究的主要内容 4
1.4.2本课题研究的意义 5
2. 研究方法及实验过程 5
2.1研究路线 6
2.2钎料合金的选择与制备 6
2.2.1 Zn-Al合金的成分设计 6
2.2.2 原材料的选择 6
2.2.3合金的制备 6
2.3钎剂的选择及铺展试验 7
2.3.1钎剂的选择 7
2.3.2钎料铺展试验采用的试验设备 8
2.4火焰钎焊 8
2.5火焰钎焊中试样直接的焊接方式 9
2.6 钎焊接头力学性能测试 9
2.7钎焊接头显微组织分析 10
2.7.1金相显微组织分析 10
2.7.2扫描电子显微镜（SEM） 11
3．88Zn-12Al钎料钎焊铜-铝实验结果分析 12
3.1 88Zn-12Al焊丝性能 12
3.2 88Zn-12Al焊丝润湿性能 12
3.3 88zn-12Al钎焊接头力学性能 14
3.4 Zn-Al钎料钎焊铜-铝钎焊接头显微组织的影响 14
3.5 88Zn-12Al钎焊接头断口形貌特征 15
结 论 16
致 谢 18
参考文献 19
1引言
因为纯铝力学性能良好、成型性能优异并且具有良好的抗腐蚀性能[1]，所以铝在机械、汽车、电力等着一些行业中应用非常的普遍[2]。目前钎焊纯铝或者铝合金一般用的比较普遍的钎焊材料为Al-Si合金。虽然Al-Si钎料具有强度高、润湿性好等优点，但是熔点很高[3]。在钎焊过程中，在钎料熔化时因为其温度非常接近铝板的熔点，所以在焊接的过程中会导致铝板熔化，从而导致焊透形成过烧[4]。所以使用Al-Si钎料焊接母材时，必须严格控制加热的温度。这在一定程度上加大了焊接的难度。在生产过程中，因为现在使用的铝板和铝合金等材料其板壁很薄，采用Al-Si合金钎焊时，产品的合格率比较低。所以急需研究出钎料熔点较低的中温材料[5]。
纯Al为银白色，密度较小，在空气下极易被氧化。具有一定的延展性。Al制作的产品形状一般为棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状[6]。铝粉和铝箔在空气中加热燃烧非常浓烈，并且发出耀眼的纯白色火焰。易溶于稀酸、NaOH和KOH溶液，但是不溶于水。相对密度2.70。熔点在660℃左右。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和Si的含量，排在第三，是地壳中含量最丰富的金属元素。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于这种新金属铝的生产和应用。 应用极为广泛[7]。
Si是一种四价的非金属元素,在自然界中一般是以化合物存在（如SiO2），在地壳中是仅次于氧的最丰富的元素，主要以熔点很高的氧化物和硅酸盐的形式存在。在自然界中几乎没有单硅的存在。通常是在电炉中高温下由碳还原二氧化硅而制得的（C+SiO2=CO2+Si），使用时主要以合金(如硅铁合金)，也可以与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中，或作半导体材料(如在晶体管中)和光生电池的元件 [silicon]。 Si相对原子量为28.08653。晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度为2.4g/cm3，熔点为1414℃，沸点为2355℃，晶体硅属于原子晶体，质地很硬而且有光泽，具有半导体的性质。硅是正四面体结构。虽然Si是四价元素，但是硅的化学性质还是比较活泼的，在高温下能与氧气等多种元素发生化合反应，不溶于水、硝酸和盐酸中，溶于HF和碱液，可以用来造制合金如硅铁、硅钢等，一般单晶硅是重要的半导体材料，可以制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。Si的形状分为结晶形和网状形[8]。
1.1铜-铝钎焊使用钎料的研究现状
对于铜与铝，他们的连接方式通常采用钎焊，但是如果直接采用钎焊的话，由于他们直接的原子扩散迅速，在钎焊过程接头处会形成脆性的共晶化合物，使得接头强度大大的下降[9]。但是采用某些物质形成的钎料时，钎焊过程的，因为钎料具有很好的润湿性、流动性、抗腐蚀性和填充间隙能力，所以在铜铝钎焊过程中使用频繁。目前，常用的钎料包括Al-Si系、Zn-Al系、Sn-Zn系等。
金属铜(Cu)，原子量64,比重8.92，熔点为1083℃。纯铜又叫紫铜。铜具有许多特别的物理和化学特性，例如其热导率都很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接，且抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金，形成的合金主要分成三类：黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金，白铜是铜钴镍合金[10]。
1.1.1Al-Si系
Al-Si钎料其熔点较高 (液相线温度为 5 77℃)，钎焊过程容易造成Al材的过热、过烧等现象，在炉中钎焊和真空钎焊中应用较为合适。但是其具有良好的润湿性、流动性、钎焊接头的抗腐蚀性和可加工性，所以其还是应用较为广泛的钎料之一。但是对于形状较为复杂的结构或者需要火焰钎焊的材料，难以满足其钎焊过程的要求。通过研究而言，Al-Si钎料对铜铝焊接，焊接后焊缝处接头强度不高[11]。
1.1.2Sn-Zn系
锡，金属元素，一种略带蓝色的白色光泽的金属元素，Sn的熔点低。在化合物内为正二价或正四价，不会在空气中氧化，主要以二氧化物（锡石）和各种硫化物（例如硫锡石）的形式存在。锡是大名鼎鼎的“五金”——金、银、铜、铁、锡之一[12]。
Zn也是金属元素，它的原子序数是30，是过渡元素。锌（Zinc）是第四“常见”的金属，仅次于铁、铝及铜。不过地壳含量最丰富的元素，前几名是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁。外观呈现银白色，在现代工业中对于电池制造上地位十分重要，是非常重要的金属[13]。
Sn-Zn是简单的二元共晶系，其熔点为198℃。但是对铜铝焊接而言接头的耐腐蚀性能差。研究表明添加Ag能够改善钎料的抗腐蚀性能。但是钎焊接头的强度会随着Ag含量的增加而降低。也可以通过添加其他元素使得Sn-Zn钎料对铜铝焊接过程中产生的问题得到较好的改善。如添加Cu、Al、Re、Ce等[14]。
1.2．3 Zn-Al系
Zn-Al钎料由于其独特的熔化温度范围（381℃~500℃），在铝-铝钎焊、铜-铝钎焊领域将具有广阔的应用前景。而且成本低廉、成型方便[15]。在制造钎料过程中，先将高熔点的原料加入熔炼，其次加入低熔点的原料，同时还需不停的搅拌翻转，使得原料充分接触，以保证合金成分均匀化。铜铝焊接采用的Zn-Al钎料一般Zn的含量为95%，在铜-铝异种材料钎焊过程中，Zn-Al钎料在钎缝中的流动主要依赖于钎料在纯铝表面的润湿、铺展。钎焊接头力学性能试验结果表明对接与搭接钎焊接头均断裂于钎缝。随着钎料中Al含量的增加，铜-铝钎焊接头强度提高，当Al含量为15wt.%时钎焊接头力学性能最佳，继续增加Al含量，钎缝内的CuAl2化合物数量显著增加且变得粗大，粗大的CuAl2化合物与其周围组织之间容易产生应力集中而萌生裂纹，导致钎焊接头强度降低。综合考虑钎料铺展性能及钎焊接头力学性能，在不添加其他合金元素的情况下，钎焊铜-铝异种材料时，85Zn-15Al钎料较好。 然而，85Zn-15Al钎料在铜-铝钎焊中仍然存在一些缺点，特别是钎焊接头力学性能有待于进一步提高。
1.3 Zn-Al钎料的研究现状
因为Al在空气中极易被氧化成三氧化二铝，所以必须结合某种元素来破坏氧化膜。早期科学家采用Cl离子来破坏，但是人们发现氯化物在钎料钎焊以后遗留下来的带有腐蚀性的残渣很难被清洗，这个问题一直没有被解决。所以研究人员在对稀有元素进行研究时发现几种元素能够有效的提高钎料的耐腐蚀性能[16]。最为明显的元素为Be。而锌中存在着一些微量元素，最为主要的杂质为Bi，Pb。但是配置钎料的时候必须要采用高精度的锌。而这些元素的去除非常的难。所以Zn-Al钎料的制备一直受到很多方面的限制。
本文以88Zn-12Al钎料为研究对象，分别研究了88Zn-12Al钎料在纯铝和紫铜表面的铺展性能，以及铜-铝钎焊接头的力学性能，接头断口分析。88Zn-12Al钎料的熔点约为420℃。88Zn-12Al钎料在紫铜表面的铺展性能显著低于在纯铝表面的铺展性能。因此，在铜-铝异种材料钎焊过程中，钎料在钎缝中的流动主要依赖88Zn-12Al在纯铝表面的润湿、铺展。钎焊接头力学性能试验结果表明对接和搭接钎焊接头均断裂于钎缝。钎焊接接头显微组织中块状CuAl2尺寸较大，容易产生应力集中，接头强度较低。 通过断口分析，88Zn-12Al钎料钎焊铜-铝焊接接头属于脆性断裂。
关键词 Zn-Al钎料，铜-铝钎焊，接头力学性能，铺展性能
1引言 1
1.1铜-铝钎焊使用钎料的研究现状 2
1.1.1Al-Si系 3
1.1.2Sn-Zn系 3
1.2.3Zn-Al系 3
1.3 Zn-Al钎料的研究现状 4
1.4.1本课题研究的主要内容 4
1.4.2本课题研究的意义 5
2. 研究方法及实验过程 5
2.1研究路线 6
2.2钎料合金的选择与制备 6
2.2.1 Zn-Al合金的成分设计 6
2.2.2 原材料的选择 6
2.2.3合金的制备 6
2.3钎剂的选择及铺展试验 7
2.3.1钎剂的选择 7
2.3.2钎料铺展试验采用的试验设备 8
2.4火焰钎焊 8
2.5火焰钎焊中试样直接的焊接方式 9
2.6 钎焊接头力学性能测试 9
2.7钎焊接头显微组织分析 10
2.7.1金相显微组织分析 10
2.7.2扫描电子显微镜（SEM） 11
3．88Zn-12Al钎料钎焊铜-铝实验结果分析 12
3.1 88Zn-12Al焊丝性能 12
3.2 88Zn-12Al焊丝润湿性能 12
3.3 88zn-12Al钎焊接头力学性能 14
3.4 Zn-Al钎料钎焊铜-铝钎焊接头显微组织的影响 14
3.5 88Zn-12Al钎焊接头断口形貌特征 15
结 论 16
致 谢 18
参考文献 19
1引言
因为纯铝力学性能良好、成型性能优异并且具有良好的抗腐蚀性能[1]，所以铝在机械、汽车、电力等着一些行业中应用非常的普遍[2]。目前钎焊纯铝或者铝合金一般用的比较普遍的钎焊材料为Al-Si合金。虽然Al-Si钎料具有强度高、润湿性好等优点，但是熔点很高[3]。在钎焊过程中，在钎料熔化时因为其温度非常接近铝板的熔点，所以在焊接的过程中会导致铝板熔化，从而导致焊透形成过烧[4]。所以使用Al-Si钎料焊接母材时，必须严格控制加热的温度。这在一定程度上加大了焊接的难度。在生产过程中，因为现在使用的铝板和铝合金等材料其板壁很薄，采用Al-Si合金钎焊时，产品的合格率比较低。所以急需研究出钎料熔点较低的中温材料[5]。
纯Al为银白色，密度较小，在空气下极易被氧化。具有一定的延展性。Al制作的产品形状一般为棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状[6]。铝粉和铝箔在空气中加热燃烧非常浓烈，并且发出耀眼的纯白色火焰。易溶于稀酸、NaOH和KOH溶液，但是不溶于水。相对密度2.70。熔点在660℃左右。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和Si的含量，排在第三，是地壳中含量最丰富的金属元素。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于这种新金属铝的生产和应用。 应用极为广泛[7]。
Si是一种四价的非金属元素,在自然界中一般是以化合物存在（如SiO2），在地壳中是仅次于氧的最丰富的元素，主要以熔点很高的氧化物和硅酸盐的形式存在。在自然界中几乎没有单硅的存在。通常是在电炉中高温下由碳还原二氧化硅而制得的（C+SiO2=CO2+Si），使用时主要以合金(如硅铁合金)，也可以与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中，或作半导体材料(如在晶体管中)和光生电池的元件 [silicon]。 Si相对原子量为28.08653。晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度为2.4g/cm3，熔点为1414℃，沸点为2355℃，晶体硅属于原子晶体，质地很硬而且有光泽，具有半导体的性质。硅是正四面体结构。虽然Si是四价元素，但是硅的化学性质还是比较活泼的，在高温下能与氧气等多种元素发生化合反应，不溶于水、硝酸和盐酸中，溶于HF和碱液，可以用来造制合金如硅铁、硅钢等，一般单晶硅是重要的半导体材料，可以制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。Si的形状分为结晶形和网状形[8]。
1.1铜-铝钎焊使用钎料的研究现状
对于铜与铝，他们的连接方式通常采用钎焊，但是如果直接采用钎焊的话，由于他们直接的原子扩散迅速，在钎焊过程接头处会形成脆性的共晶化合物，使得接头强度大大的下降[9]。但是采用某些物质形成的钎料时，钎焊过程的，因为钎料具有很好的润湿性、流动性、抗腐蚀性和填充间隙能力，所以在铜铝钎焊过程中使用频繁。目前，常用的钎料包括Al-Si系、Zn-Al系、Sn-Zn系等。
金属铜(Cu)，原子量64,比重8.92，熔点为1083℃。纯铜又叫紫铜。铜具有许多特别的物理和化学特性，例如其热导率都很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接，且抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金，形成的合金主要分成三类：黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金，白铜是铜钴镍合金[10]。
1.1.1Al-Si系
Al-Si钎料其熔点较高 (液相线温度为 5 77℃)，钎焊过程容易造成Al材的过热、过烧等现象，在炉中钎焊和真空钎焊中应用较为合适。但是其具有良好的润湿性、流动性、钎焊接头的抗腐蚀性和可加工性，所以其还是应用较为广泛的钎料之一。但是对于形状较为复杂的结构或者需要火焰钎焊的材料，难以满足其钎焊过程的要求。通过研究而言，Al-Si钎料对铜铝焊接，焊接后焊缝处接头强度不高[11]。
1.1.2Sn-Zn系
锡，金属元素，一种略带蓝色的白色光泽的金属元素，Sn的熔点低。在化合物内为正二价或正四价，不会在空气中氧化，主要以二氧化物（锡石）和各种硫化物（例如硫锡石）的形式存在。锡是大名鼎鼎的“五金”——金、银、铜、铁、锡之一[12]。
Zn也是金属元素，它的原子序数是30，是过渡元素。锌（Zinc）是第四“常见”的金属，仅次于铁、铝及铜。不过地壳含量最丰富的元素，前几名是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁。外观呈现银白色，在现代工业中对于电池制造上地位十分重要，是非常重要的金属[13]。
Sn-Zn是简单的二元共晶系，其熔点为198℃。但是对铜铝焊接而言接头的耐腐蚀性能差。研究表明添加Ag能够改善钎料的抗腐蚀性能。但是钎焊接头的强度会随着Ag含量的增加而降低。也可以通过添加其他元素使得Sn-Zn钎料对铜铝焊接过程中产生的问题得到较好的改善。如添加Cu、Al、Re、Ce等[14]。
1.2．3 Zn-Al系
Zn-Al钎料由于其独特的熔化温度范围（381℃~500℃），在铝-铝钎焊、铜-铝钎焊领域将具有广阔的应用前景。而且成本低廉、成型方便[15]。在制造钎料过程中，先将高熔点的原料加入熔炼，其次加入低熔点的原料，同时还需不停的搅拌翻转，使得原料充分接触，以保证合金成分均匀化。铜铝焊接采用的Zn-Al钎料一般Zn的含量为95%，在铜-铝异种材料钎焊过程中，Zn-Al钎料在钎缝中的流动主要依赖于钎料在纯铝表面的润湿、铺展。钎焊接头力学性能试验结果表明对接与搭接钎焊接头均断裂于钎缝。随着钎料中Al含量的增加，铜-铝钎焊接头强度提高，当Al含量为15wt.%时钎焊接头力学性能最佳，继续增加Al含量，钎缝内的CuAl2化合物数量显著增加且变得粗大，粗大的CuAl2化合物与其周围组织之间容易产生应力集中而萌生裂纹，导致钎焊接头强度降低。综合考虑钎料铺展性能及钎焊接头力学性能，在不添加其他合金元素的情况下，钎焊铜-铝异种材料时，85Zn-15Al钎料较好。 然而，85Zn-15Al钎料在铜-铝钎焊中仍然存在一些缺点，特别是钎焊接头力学性能有待于进一步提高。
1.3 Zn-Al钎料的研究现状
因为Al在空气中极易被氧化成三氧化二铝，所以必须结合某种元素来破坏氧化膜。早期科学家采用Cl离子来破坏，但是人们发现氯化物在钎料钎焊以后遗留下来的带有腐蚀性的残渣很难被清洗，这个问题一直没有被解决。所以研究人员在对稀有元素进行研究时发现几种元素能够有效的提高钎料的耐腐蚀性能[16]。最为明显的元素为Be。而锌中存在着一些微量元素，最为主要的杂质为Bi，Pb。但是配置钎料的时候必须要采用高精度的锌。而这些元素的去除非常的难。所以Zn-Al钎料的制备一直受到很多方面的限制。
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