浅谈热处理过程中AA5083铝合金的钎焊

摘 要：文章初步研究了铝合金在热处理过程中（无保护气氛或真空条件）钎焊的可能性，分析了钎焊接头的显微组织。同时通过对钎焊接头组织的观察初步分析了试样表面粗糙度，载荷以及冷却速度对钎焊的影响。

关键词：铝合金；热处理；钎焊；表面粗糙度；冷却速度

中图分类号：TG146.21 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）33-0075-03

1 背景概述

铝合金钎焊是一种不熔化母材而靠钎料熔化后与基体形成金属键结合的一种焊接方法[1]。由于铝合金在空气中易氧化，形成一层厚而均匀的氧化膜。

同时，填充金属与母体的熔点差小，在加热过程中颜色不变。因此铝合金的钎焊一般是在保护气氛下或真空条件下进行。

现在铝合金钎焊的工艺因素有了深入研究，包括钎料和钎剂[2-3]。于文花等发现在Al-Si低温铝基钎料中加入Cu和其他微量元素能大大提高钎料的润湿性以及钎焊接头的强度[4]。

丁宝珠等研究了Cu和Ag等合金元素对Zn-Al钎料的熔化温度，润湿性等的影响。他们发现钎料在添加3% Cu，1% Ni和0.5% Ag后能大幅降低钎料的熔化温度而且提高钎料与母材的润湿性能，从而可以得到力学性能较高的钎焊接头[5]。

同时，很多人对钎剂的应用也做了深入研究。蒋金龙发现无腐蚀性的NOCOLOK钎剂可以解决钎剂残渣的腐蚀困扰，从而取代氯化物基钎剂[6]。

何鹏等研究开发了铝钎料膏，实验结果发现用Al-Si共晶合金粉，氟化物钎剂和粘结剂按适当比例配制的膏状钎剂具有较好的焊接性能和焊缝成型性[7]。

但是，现代工业对于大尺寸铝合金的应用越来越多。因此，在这种条件下，在保护气或真空条件下的钎焊比较难实现。同时，铝合金在应用前会根据合金类型的不同进行不同温度下的热处理。

因此，能否在升温过程或是热处理过程中完成大尺寸铝合金件的钎焊成为了工业亟需解决的问题。本文在热处理过程中首先在小尺寸的铝合金试样上进行了钎焊处理，研究了试样表面粗糙度，压力以及冷却速度对热处理过程中钎焊的影响，初步评估了热处理过程中钎焊的可操作性。

2 试验材料

本实验采用AA5083铝合金，合金成分为Al-4.5% Mg- 0.8% Mn-0.4% Si-0.4% Fe（均为质量分数）。试验尺寸为10 cm（长）x10 cm（宽）x2 cm（高）。热处理温度采用425 ？{C。钎料为市场上购买的锌基钎料，其熔化温度为380～400 ？{C。

首先将钎料放于两块母体金属之间，然后加载一定的力。然后将试样置于有空气循环风的电加热炉中。升温速度为 150 ？{C/h。在达到设定温度425？{C后，保温2 h。

最后对试样进行冷却。本实验研究了3种参数对钎焊的影响：试样表面粗糙度（锯切面和抛光镜面），载荷（0.047和0.094 MPa）和冷却速度（炉冷和空冷）。

在完全冷却后，试样被切割，然后抛光进行断面观察。抛光过程是在Struers Tegrapol-35进行的。同时，利用光学显微镜和扫描电子显微镜对钎焊接头组织进行了观察和相分析。

3 试验结果及分析

3.1 钎料组织和钎焊接头组织

钎焊接头组织的扫描电镜结果，如图1所示。可以看出，在钎焊接头内，有各种不同的相分布。

从成分分析结果可以得出，在钎焊接头内，主要有四种组织：黑色的为Al-Zn-Cu（图1b）。亮白色的为Zn-Mg-Al-Cu组织（图1b），但是镁的含量相对于灰色块状相（图1d）较少。

最后一种是灰色的共晶网状组织（图1e），其成分为Al-Cu-Zn，但是Zn含量高于图3b中的Al-Zn-Cu组织。除此之外，两条明显的裂纹可以从图1a中清晰的观察到。裂纹形成的主要原因可能是在冷却过程中，液体收缩但是不能得到及时的补缩，从而导致了钎料和母材的分离，形成了裂纹[8]。在本实验中，裂纹的宽度作为判断各种参数对钎焊影响的主要依据。

3.2 试验参数对钎焊的影响

在不同粗糙度和载荷下的钎焊接头组织，如图2所示。图2a和2b分别代表工业锯切面和抛光镜面，从而研究表面粗糙度对钎焊的影响。可以看出在两种不同的表面粗糙度下，钎焊效果有很大的区别。

在2a-工业锯切面试验中，裂纹的宽度大约在2～3 um。但是在2b-抛光镜面试验中，裂纹的宽度大大增加（大约是 15 um）。因此，钎焊效果在抛光镜面试验中较差。

究其原因，表面粗燥度是一个重要的因素。在抛光镜面试验中，钎料熔化后，液体不容附着在母体金属，在冷却过程中更难补缩，从而导致大裂纹的产生。

但是当试样具有一定的粗糙度后（锯切面），熔化的钎料比较容易停留在母体金属上，为以后液体冷却过程中的补缩提供了一定的条件，因此钎焊后裂纹较小[9]。因此，适度的表面粗糙度会对取得较好的钎焊效果有帮助。

图2c为高载荷下的钎焊接头组织。对比低载荷的试样（2a），裂纹宽度略有增加，从3a中的2～3 um增加至4～5 um。造成这种结果的原因可能是在，钎料在熔化后在高载荷下流动较快，因此凝固时剩余液体较少，从而造成了稍大的裂纹，但是这两者的差距不明显。

在不同冷速下的钎焊组织如图3所示。在对比炉冷情况下（图3a），可以看出在空冷条件下，裂纹的宽度大大减小（图3b），钎料和母材结合较好。此外，在空冷试样中，无缝钎焊接头也能清楚观察到（图3c），显示了钎料和母材的充分反应和结合，侧面证明了在热处理过程中铝合金钎焊的可操作性。在相对较高冷速下，小裂纹或是无裂纹的可能原因是液液体能够快速冷却，从而较少或是消除了裂纹的产生[10]。

从图2和图3中可以看出，裂纹在钎焊过程会随着条件的变化而变化。