铝合金真空钎焊用低温铝基钎料的研究

铝合金真空钎焊用低温铝基钎料的研究北京华航无线电测量技术研究所于文花 肖爱群北京航空航天大学庄鸿寿摘要为了避免在铝合金焊接中产生晶粒长大、溶蚀等缺陷，提高铝合金的钎焊质量，本文在Al－Si共晶钎料的基础上加入合金元素Cu和其它微量元素，研制新的低熔点钎料，最后确定新钎料为Al19Cu9Si。

该钎料的熔点为543℃，比BAl86.5SiMg钎料的熔点降低了40℃，试验结果表明新钎料具有良好的润湿性、流动性，接头的剪切强度、抗腐蚀性能均满足铝合金钎焊要求。

关键词真空钎焊 铝合金 铝基钎料1 引言铝合金由于具有密度小、比强度高等优点，在航空、航天工业中已获得愈来愈广泛的应用。

例如很多传统的铜合金波导、高频器件已被铝合金所取代，利用钎焊方法制造复杂的铝结构是最理想的方法。

共晶铝硅钎料因具有良好的润湿性、流动性、钎焊接头的抗腐蚀性和可加工性，是铝合金钎焊中应用最广的一种铝钎料[1]。

但它也具有严重缺点：熔点较高（液相线温度为577℃），钎焊温度均在600℃以上，所以钎焊温度非常接近于合金的固相线温度，易使母材发生晶粒长大、溶蚀等现象。

目前，美国、日本、欧洲等研究机构对铝合金用低温铝基钎料进行了大量的研究。

日本的茅本隆司、恩泽忠男[2]等人研究发现锗、铟、镱和铜均可作为铝硅钎料的添加剂，降低钎料的熔点，但锗、铟、镱的加入会使钎料脆性和耐腐蚀性均遭到恶化，且价格昂贵，难以应用于实际生产；铜元素的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。

为此，所研制的新钎料既要具有较低的熔点，又要保持良好的机械性能。

本文通过分析既能降低铝熔点又能与铝形成共晶合金的元素特性，选择合适的能降低铝熔点的元素，对成分进行优化试验，同时考虑钎料的流动性和组织特性，在钎料中加入适量提高钎料流动性和细化组织的微量元素，经过试验确定铜、铋及微量元素为添加剂，配制新钎料，对新钎料进行熔点、润湿性、流动性、金相组织以及接头剪切强度、环境试验。

2 钎料的配制为了降低钎料的熔点，必须寻找能降低铝熔点的元素，能与铝形成共晶的合金见表1。

表1 共晶元素及共晶温度合金元素 Al-11.5Si Al-72Ag Al-32.7Cu Al-51.6Ge Al-94Zn共晶温度/℃577 567 548 420 381由表1可知Al-72Ag的共晶温度567℃，与铝硅共晶温度差不多，并且这种合金很脆，抗腐蚀性也不高，不宜作钎料；Al-32.7Cu，熔点548℃，此合金因含铜量高，脆性大；Al-Ge、Al-Zn共晶温度仅400℃左右，对降低钎料的温度作用极佳，但Ge是贵重元素，价高并且极脆，而Zn极易挥发，不易用于真空钎焊[3]。

分析能与铝形成共晶的合金特点，二元合金的熔点不能满足要求，必须加入第三种元素。

在Al-Si-Ag 三元合金中有一共晶成分，其熔点为563℃，它与Al-Ag共晶熔点相差不大，无实用价值。

在三元合金中，只有Al-Si-Cu合金最有希望，收稿日期：2005-09-26Al-Si-Cu三元合金的液相线如图1。

图1 Al-Si-Cu合金的液相线温度由图1可以看出，该合金中有一三元共晶点E5，其成分为Al-28Cu-5.5Si，熔点为525℃，能满足钎料熔点要求，但该合金较脆，为了降低脆性，必须对成分进行优化，其措施是减少含铜量，提高含硅量，最终使合金的熔点和韧性都能满足要求，经多次试验，优化后的成分是Al-19Cu-9Si。

钎焊铝波导时要求钎料具有良好的流动性。

为了提高钎料的流动性，可在钎料中加入Bi、Sn、Zn等元素[4]，而锡、锌将降低钎料的抗腐蚀性，故采用加铋的方法，当加铋量达到0.2％后，钎料的流动性已明显改进，继续提高加铋量，对改善钎料流动性的作用已不太明显，故加铋量定为0.2％。

铝钎料可通过加入微量的变质剂，细化其组织，达到改善钎料性能的目的[5]，稀土元素是一种有效的变质剂。

研究了混合稀土等变质剂对钎料组织的影响，混合稀土因价廉物美，作为重点研究对象。

在钎料中加入适量混合稀土能起细化钎料组织作用。

最后确定的钎料成分为19Cu、9Si、0.2Bi、适量混合稀土，余量Al，由于钎焊是在镁蒸气保护下的真空中进行，钎料本身不含镁。

3 试验及结果分析3.1 低温钎料的钎焊性能试验3.1.1 钎料的润湿性试验根据国标GB11364―89[6]，在试片（母材为LF21）40×40×1上放置块钎料，取等质量的低温钎料和BAl86.5SiMg钎料进行润湿性对比试验。

其试验结果见图2。

图2 钎料润湿性对比D—低温钎料 G—BAl86.5SiMg钎料从对比试验可以看出，低温钎料的润湿性能比BAl86.5SiMg钎料的有所改善，这是因为在Al-Si钎料中加入Cu后，钎料的润湿性显著增加[7]，从而保证了LF21钎焊质量。

3.1.2 钎料的流动性试验a. 相互垂直的两块板的一端放置钎料，观察流动长度。

试验结果：流动长度40mm；b. 在波导与波导之间进行流动性试验，波导一端切割90°和45°角，并将两波导和盖板进行氩弧定位，在波导一侧放置钎料，观察另一侧的流动情况。

试验结果：两侧流动均良好；c. 在波导与法兰盘之间进行流动性试验，观察钎料的流动性情况。

试验结果：在一面放置钎料，两面流动均良好。

3.1.3 钎料熔点的测试利用XWT-464 DTA型差热分析仪对钎料进行熔点测试，低温钎料差热分析结果如图3。

图3表示加热曲线上测定的固相线温度为519℃，液相线温度为543℃。

冷却曲线上测定的固相线温度和液相线温度要低些，这是因为冷却时都会发生过冷现象。

钎焊是一个钎料加热和熔化的过程，故取加热时的数据，因此，钎料的液相线温度比铝硅共晶钎料低40℃左右，钎料的熔化温度间隔也较小。

图3 钎料差热分析结果3.1.4 钎料合金组织分析由Al-Si-Cu三元合金凝固后相分布图（图4）可以看出，Al-Si-Cu合金凝固后，形成α（Al）＋Si＋θ相，合金中不会出现任何三元化合物，只是多出了Si 相。

图4 Al-Si-Cu三元合金凝固后相分布和溶解度变化为了进一步分析钎料的性能，钎料电镜扫描（SEM）组织图如图5。

从钎料金相组织图看出，它由白色铝固溶体1、小块硅相2和细颗粒铝铜相3（脆性相）组成。

小块硅相2零星分布在铝固溶体基体中，而且Si相的形状已经变成了球状聚集，应该是力学性能较好的相，这在一定程度上弥补了θ相带来的较大脆性，所以有效地改善了钎料的塑性。

图5 Al19Cu 9Si铝钎料组织3.2 钎焊接头性能的测定3.2.1 新钎料真空钎焊接头的剪切强度试验根据国标GB11363―89《钎焊接头强度试验方法》对低温钎料进行剪切强度试验，其接头形式如图6。

分别取各组数据的平均值，剪切强度为84.3 N/mm2，达到了母材的80％。

图6 钎焊接头搭接剪切示意图（单位：mm） 3.2.2 接头微观组织分析为了进一步分析钎缝接头的性能，利用电镜扫描（SEM）对低温钎料在570℃钎焊的LF21铝合金接头组织，如图7。

图7 低温钎料钎焊LF21母材的钎缝从图7可以看出，钎缝组织由白色铝固溶体α相、深色硅相和细小的铝铜相组成。

同时可以看到在扩散区中有些黑色质点组织（Si相），可见Si在钎焊过程中的扩散深度比较大，这样避免了Si相的偏析而造成对钎焊接头力学性能的恶化，大大提高了接头的强度。

由于钎焊时铝合金母材与钎料的相互作用，钎缝中的铝固溶体量大大增加，有利于改善钎缝接头性能。

3.3 盐雾试验按GJB150.11―86《军用设备环境试验方法》对低温钎料和BAl86.5SiMg钎料焊接的典型波导进行对比试验。

低温钎料和BAl86.5SiMg钎料的焊缝及母材表面均有不同程度的腐蚀，低温钎料的抗腐蚀性与BAl86.5SiMg钎料和母材的接近，对焊缝表面加工0.1mm腐蚀面后，观察焊缝没有腐蚀现象。

所以低温钎料只有表面腐蚀，对焊缝强度没有太大影响，可满足抗腐蚀性要求。

4 结论通过上述一系列的试验，得出以下结论：a. 试验确定了低温钎料的化学成分为19Cu、9Si、0.2Bi、适量混合稀土，余量Al，其熔点为543℃，钎焊温度比BAl86.5SiMg降低了40℃左右；b. 新钎料具有良好的流动性、润湿性以及较好的抗腐蚀性，其接头性能与钎料BAl86.5SiMg接头性能相当，完全满足LF21铝合金钎焊的要求。

(下转第21页)表3 缺陷修补后弹翼静力试验结果编号骨架缺陷情况蒙皮缺陷情况破坏部位静力试验结果1＃翼左骨架尾部有35mm×5mm面积的缺料，其中一根桁条断裂。

右骨架尾部有三根桁条断裂。

左右蒙皮均有大面积气孔点，边缘局部有疏松、分层。

弹翼的主接头破坏最终破坏载荷171％2＃翼左骨架大面积疏松，局部贫胶、分层；右骨架尾部疏松、分层。

左蒙皮内有夹杂物；右蒙皮贫胶。

弹翼接头中心对合面开裂最终破坏载荷157.7％3＃翼左骨架尾部疏松、分层；右骨架尾部有80mm×60mm的面积疏松。

左蒙皮气孔点较多、也大；右蒙皮有夹杂物(三角形底160 mm，高200 mm)。

弹翼的骨架尾部被撕裂开最终破坏载荷180％6 结论a. 通过大量修补试片测试结果比较、分析，修补应选用具有相融性较好的材料。

修补试验结果证明：J-47A胶膜与碳/环氧无纬布材料对复合材料弹翼缺陷修补较适宜，而修补强度较高，没有改变母体材料的基本性能，因此碳/环氧复合材料弹翼骨架缺陷的修补应采用相融性较好的碳/648环氧无纬布材料和J-47A 胶膜材料；b. 对于有缺陷的碳/环氧复合材料骨架和蒙皮，经修补，组装成整翼，并通过静力试验考核，破坏载荷达到了设计载荷157％以上。

试验结果证明：选择的材料和修补方法是可行的，效果好，质量可靠，能满足设计和使用要求，达到实用阶段并应用于生产。

参考资料1 Composite, BOEING. D-6-447142 蒋翌军，翟全胜，陈祥宝. 雷达罩修补研究. 纤维复合材料，199.9(3)3 复合材料设计手册. 航空工业出版社，1990.124 赵渠森主编. 先进复合材料手册. 机械工业出版社，2003.5作者简介张兴益(1945-)，男(汉)，湖北武汉人，高级工程师，毕业于国防科技大学非金属基复合材料专业；研究方向：复合材料应用。

▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫▫(上接第12页)参考文献1 邹僖. 钎焊. 北京：机械工业出版社，19942 于志刚译. 茅本隆司. 钎料Al-Ge-Si-Mg的研究. 轻金属溶解，1995(33,10)3 张启运，庄鸿寿，主编. 钎焊手册. 北京：机械工业出版社, 1999,484 Heine,B.,Sahm,K.F. Flussmittelfreis Hartloten luftfahrtrelevanterAlumiumlegie rangenmit niedrigschmeljendem 1st. Schweissen and Schneiden,1993：429～4305 Hellawell,A. The Growth and Structure of Eutectics with Silicon andGermanium. Progress on Materials Science, 15(1) 6 金属焊接国家标准委员会. 金属焊接国家标准汇编. 中国标准出版社，19907 Mondolfo, L.F., Aluminum Alloys: Structure and Properties, Butter Worths,London，1976：513作者简介于文花(1978-)，女（汉族），山东人，硕士，毕业于北京航空航天大学机械学院材料加工工程专业；研究方向：铝、钛、铜等及其合金的钎焊、扩散焊等。