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焊接材料 |
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非晶态铜基箔带钎料钎焊紫铜 |
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作者：内蒙古工业大学 李建国 李权 |
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摘要：本文研究了非晶态铜基中温箔带钎料钎焊紫铜时加热温度、保温时间及间隙对钎焊接头性能的影响，并通过显微组织分析进行了较为深入的探讨。
关键词：非晶态钎料 钎焊铜基
0 引言
随着工业和科技的飞速发展，钎焊工艺更加广泛地应用于有色金属和黑色金属的焊接。但传统工艺所用钎料，有些含有昂贵的银和有毒的镉，有些因脆性大，只能以粉末状使用。这不仅带来了钎料成本高的缺点，而且会损害焊工健康，造成环境污染；焊接时使用的钎剂、粘结剂也易使钎缝产生气孔、夹杂等缺陷。用急冷技术制取的非晶态钎料具有很多优点，受到焊接界的高度重视，并得到越来越广泛的应用[1][2]。目前，国内外已研制出多种非晶态钎料，以满足各种材料的钎焊[3]。非晶态铜基钎料是一种新型的钎焊材料，其合金内部的原子排列基本上保留了液态金属的结构状态即长程无序、近程有序，这种结构特点使其具有许多优异的性能。
钎焊接头的性能主要与接头形式、钎料强度、钎缝间隙及钎料与母材的相互作用程度有关。事实上，对接和角接接头型式很难使钎焊接头满足对性能要求[4]。本文专门对采用搭接接头形式时非晶态铜基钎料焊紫铜时加热温度、保温时间及搭接间隙对钎焊接头剪切强度的影响作了较为深入的研究。
1 试验材料和方法
1.1 试验材料
试验用钎料化学成分及物理性能见表1，母材为紫铜。
化学成分/％
Cu 73.6
Ni 9.6
Sn 9.7
P 7.0
液相线 640℃
固相线 597℃
1.2 试验方法
1.2.1 湿润性试验
将10X10mm钎料安放在规格为17X17X2mm的紫铜试样上，在充有氩气的管式炉中加热，温度分别为700℃和800℃，保温10分钟。用图形称重法测出钎料铺展面积，并计算润湿角。
1.2.2 焊接试验
接头型式为搭接，单片试样尺寸为30X10X4mm，搭接长度为3mm，焊接方法采用炉中钎焊法。
1.2.3 力学性能试验
采用自制的专用剪切模具在万能材料试验机上测试钎焊接头的剪切强度。
1.2.4 钎缝的显微组织分析
用光学显微镜、扫描电镜对钎缝进行显微组织分析。
2 实验结果及分析
2.1 钎料润湿性
钎料的润湿性直接影响着焊接质量。不同温度下非晶态铜基钎料的漫流铺展面积、润湿角列于表2。可以看出，非晶态铜基钎料对紫铜有优良的润湿性，800℃时的润湿性比700℃时的润湿性好。即润湿性与加热温度有关。随着温度的升高，钎料的表面张力降低、铺展性增强、润湿性有所提高。表2 非晶态铜基钎料润湿性
 2.2 加热温度－搭接间隙对接头力学性能的影响
对用炉中钎焊法保温十分钟时搭接试样的剪切强度进行测试，得到如图1所示关系曲线。可以看出，当加热温度一定，搭接间隙较小时，随着搭接间隙的增大，剪切强度也随之升高，并在0.15mm左右达到最高值，间隙的继续增加，会使剪切强度下降；当搭接间隙一定时，随着温度的升高，剪切强度逐渐增大；对于不同的加热温度，搭接间隙的最佳值均出现在0.15mm左右。
图1 T-t-c关系曲线
2.3加热温度－保温时间对接头力学性能的影响
图2为炉中钎焊时加热温度、保温时间与剪切强度的关系曲线，由图中曲线可以看出，剪切强度在某一保温时间时出现峰值，之后，随着保温时间的增加会使剪切强度下降。这表明，一定的保温时间是获得优质焊缝所必须的，但过长的保温时间有损于接头的性能。这是因为，过长的保温时间会增加母材的溶解量，使几种相的显微硬度都降低；会使焊缝处晶粒过分长大，从而使焊缝性能下降。
图2 T-t-σ关系曲线
2.4加热温度对接头显微组织的影响
图3、图4分别为0.15mm间隙、保温10分钟、800℃和860℃时的钎缝显微组织，图中白色块状物是以铜为基溶有少量镍的α固溶体，有很好的强度和塑性；深色弥散组织为(CuNi)3P+α+δ三元共晶体，是脆性相，降低接头力学性能；鱼骨状组织为α+δ共析体，其中δ为Cu-Sn固溶体。可以看出，图3中α固溶体相对较少，且断续分布，α+δ共析体清晰可见，三元共晶体也较多；图4中α固溶体数量较多且呈连续分布，三元共晶体和二元共析体相对较少。 
图3 800℃0.15mm间隙 250x 图4 860℃0.15mm间隙 250x
这是因为随着温度的升高，钎料与铜的相互作用增强，影响焊缝强度的P元素加速向基体扩散，所以焊缝中的三元共晶体和二元共析体减少。同时，基体铜向焊缝扩散溶解也加速，冷凝时生成的α固溶体数量增加，因α固溶体强度和塑性都较大，所以钎焊接头处的性能得到改善。
另外，随温度的升高，钎料的填充性和润湿性的提高也是改善钎焊接头处性能的有利因素。
2.5 搭接间隙对接头组织的影响
由剪切强度试验结果可知，搭接间隙过小、过大对钎焊接头力学性能都有不利影响。图5、图6分别为860℃、间隙为0.10mm和0.20mm时的钎缝显微组织。可以看出，图5与图4相比，α固溶体数量少，三元共晶体和二元共析体含量较多。这是因为，此时的间隙偏小，间隙内的气体和残渣难以排出；同时间隙小，母材对钎缝合金层的机械约束作用较大，也会较大程度的降低钎焊接头强度。 
图5 860℃0.10mm间隙 250x 图6 860℃0.20mm间隙 250x
间隙偏大时，如图6所示，α固溶体数量少，尤其在焊缝中心线上，三元共晶体和二元共析体含量较多，甚至连续分布。这是由于间隙偏大时钎料的毛细填缝作用减弱，使得钎料不能填满间隙。同时，间隙过大时，母材对填缝钎料的互扩散过程收到限制，致使母材对钎缝的区的合金化作用减弱。表现为中心线处及附近α固溶体不存在或间断，这样就降低了钎焊接头的力学性能。而图4时的间隙不仅保证了钎料充分而致密地填缝，并且由于非晶态合金原子混乱的排列结构，使其在焊接时向晶态转化的过程中极易形成均匀的亚结构，保证了母材对填缝钎料良好的合金化作用以及母材对钎缝合金层的足够的支撑作用，从而保证了钎焊接头的良好性能。
2.6 扫描电镜显微组织分析
图7为700℃炉中钎焊十分钟时钎缝剪切断口的扫描电镜照片，基本上呈韧性断口，说明利用这种钎料钎焊紫铜可以得到具有良好韧性的钎焊接头。由此可以看出非晶态钎料焊接时得到了性能良好的微细亚结构。
图7 钎缝扫描电镜断口组织
3 结论
3.1非晶态铜基钎料对紫铜有优良的润湿性，且随着温度的升高，钎料的润湿性提高。
3.2 同一温度下，间隙较小时，剪切强度随着搭接间隙的增大而升高，当间隙达到某一值（约0.15mm）时，剪切强度达到最大值，之后，随着搭接间隙的增大，剪切强度降低；对于不同的加热温度，最佳搭接间隙相近。
3.3 不同的加热温度下，加热时间存在一个最佳值。加热时间过长或过短都会降钎焊接头的低剪切强度。
3.4 用非晶态铜基钎料炉中钎焊紫铜，可以获得良好的钎缝显微组织，钎缝具有较高的剪切强度和良好的韧性。
参考文献
1. 石宝庆.钎焊技术发展动向.焊接技术，1998.1，37～38
2. 刘敦伟.铜基代银钎焊材料的开发研制.有色矿冶，1999.2，38～42
3. 宁兴龙.高温钎焊用非晶态带状焊料.稀有金属快报，2001.11，20～23
4. 徐维普.钎焊接头的合理设计.石油工程建设，2001.6，49～50
作者简介：李建国，男,1950年生，教授，硕士研究生导师，研究方向为焊接物理冶金、焊接材料、焊接工艺等。
Email: liquan899@sohu.com
lijg@impu.edu.cn
联系电话：0471－6575233(end)
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(4/2/2005) |
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