6061铝合金钎焊 文档

用Al-Si-20Cu作为基体钎焊6061-T6铝合金
【摘要】本次实验研究用Al-12Si, Al-9.6Si-20Cu, and Al-7Si-20Cu-2Sn作为焊料在低于550摄氏度的较低温度下钎焊6061-T6铝合金时的接头强度。

然后把这些钎焊街头经过拉伸实验之后放在扫描电子显微镜下进行观察。

用Al-7Si-20Cu-2Sn 作为焊料的钎焊接头在504到526摄氏度之间比传统的Al-12Si焊料有更好的完整性。

结果表明经过T6处理的6061铝合金作为母材并且用这种新的钎焊钎料在550℃钎焊并保温60分他的接头强度大约为121MPa。

【关键词】6061铝合金，Al-12Si，Al-Si-20Cu ，钎焊，焊料
1 介绍
由于铝及铝合金的这些特点，例如高强度、低成本和优越的耐腐蚀，因此铝及铝合金被广泛的应用在航空、汽车、建设等行业。

同时,由于他们的导热性能好,他们往往被用做热交换器。

钎焊已被视为最重要的一个加入铝组件生产的方法。

铝钎焊中可用填充金属通常是基于一个周围成分为Al-12Si共晶成分的铝合金系。

然而，为了实现高强度连接，用铝硅填充金属钎焊时在590℃-610℃温度范围内执行非常见效，这个温度是接近甚至高于大多数铝合金的熔点。

因此，铝工件钎焊后将全部或部分熔融，或者它的力学性能会大大下降。

显然，大部分铝合金钎焊还需要开发新的熔点较低的填充金属。

为了这个目的，在未来十年里还需要做很多努力。

Humpston et al. 和 Jacobson et al.报道一种Al-5Si-20Cu-2Ni填充金属的融化温度在518℃到538℃之内。

当用这种填充金属钎焊3001铝合金时可以获得剪切强度超过75MPa的焊件。

早些时候，Suzuki et al.已经引进一种熔点为535℃的Al-4.2Si-40Zn共晶填充金属，但是这种填充金属的劣势在于锌非常容易吸收蒸汽后被氧化，这可能成为一个钎焊过程中的障碍。

在这项研究中，铝合金钎焊发展一种新的Al-7Si-20Cu-2Sn填充金属。

这种填充金属钎焊6061铝合金时比用Al-12Si 和游离锌 Al-9.6Si-20Cu 这两种填充金属好。

2 实验
氧化铝陶瓷坩埚中制备的Al-Si-20Cu基填充金属放入一个空气炉中。

首先，Al-12Si铝合金在700℃时被融化，然后升温到1000℃。

往熔融的Al-Si-20Cu 合金中加入约占总重量20％的铜。

其次，最终的Al-7Si-20Cu-2Sn成分被扔进一个不锈钢模具。

在以前的作者的文章中说到，通过差热分析得基于Al-Si-20Cu 的Al-9.6Si-Cu 和Al-7Si-20Cu-2Sn这两种填充金属的熔点范围分别是524℃-543℃和504℃-526℃。

对这两种填充金属的焊接性进行分析，所用的6061-T6铝合金圆柱式样直径22mm长50mm。

准备粘结，试样表面用400的碳化硅砂纸打磨；然后，用蒸馏水清洗式样后迅速放入丙酮中浸泡5分钟。

表1显示了化学成分、斜线和液相线和6061-T6组织的抗拉强度极限。

将0.2mm厚的填充金属夹在两个6061-T6铝合金棒中间。

新的铝合金钎焊在一个真空炉中，其炉中温度为550℃、压力为 5×10∧25 torr，而用传统的Al-12Si填充金属钎焊时温度为600℃。

钎焊后，有些式样在T6回火环境下焊后热处理，这固溶体在520℃下保持1.5小时，取出后水淬，然后继续在175℃下持续8小时。

观察焊后接头的显微结构用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)。

用10 vol.% H3PO4 在 50℃下浸蚀60 s 。

为了评估连结的强度室温下的平均拉应力极限在拉伸速率为10∧－3每秒下决定并取这3个试件的平均值。

图1显示了拉伸试件的实验规模。

注：对接(butt joint)
G:标准长度50.00±0.06mm
D:直径10.00±0.02mm
R:圆角半径，分4mm
A:减少部分长度，分60mm
图一拉伸试样接头尺寸
图二（a）在600℃钎焊并保温30分钟后Al-12Si/6061-T6接头在扫描电镜显微
镜下的拉伸断裂表面图片，（b）为（a）扩大后的细节图片
表1 6061 - T6合金的化学组成、斜杠(Ts)和液相线(T L),极限抗拉强度(σUTS)
化学成分（%）
合金Mn Mg Si Cu Cr Al Ts(℃) T L（℃）（σUTS）(MP) 6061-T6 0.01 1.10 0.61 0.25 0.12 其余592 654 331
3 结果和讨论
传统的Al-12Si填充金属有一个共晶点大约是577℃；因此，钎焊过程不会
在550℃不会被应用。

用这种填充金属钎焊温度升高到600℃时6061-T6铝合金才
可以结合。

然而，结合强度大约保持在60MPa。

显然，在这种条件下钎焊6061-T6
铝合金会造成质量很差的接头。

图2表明在600℃下保温30分钟Al-12Si/6061-T6
钎焊接头的拉伸断裂表面的照片上可以看到其包含着许多黑暗的区域。

当钎焊温
度仅稍高于Al-12Si焊料的液相线温度时，Al-12Si焊料的润湿性相比于6061-T6
焊料是差的，这导致了在钎焊区域形成空隙并具有较低的强度。

然而，当钎焊温
度远超过600℃是并不适用和不切实际的，因为这将使6061铝合金工件在工业炉
中存在部分熔融的风险。

图3 (a) 在550℃钎焊并保温30分钟后Al-9.6Si- 20Cu/6061-T6接头在扫描电镜显微镜下的拉伸断裂表面图片，（b）为（a）扩大后的细节图片
表2 钎焊条件和6061-T6铝合金钎焊试件接头强度
接头强度（MPa）填充金属钎焊条件钎焊后热力学处
理
Al-12Si 550℃，30min 失败
Al-12Si 550℃，60min 失败
Al-9.6Si-20Cu 550℃，30min 41±15
Al-9.6Si-20Cu 550℃，60min T6 56±11
Al-7Si--20Cu-2Sn 550℃，30min 62±11
Al-7Si--20Cu-2Sn 550℃，60min T6 121±9
（a）T6回火条件：解决方案是放置在520℃中1.5小时、水淬，然后置于175℃中8小时
图3 显示了6061-T6铝合金用Al-9.6Si-20Cu填充金属在550℃环境中持续30分钟钎焊后的断口组织的显微观察。

由于钎焊温度仅仅比这种填充金属的熔点（543℃）高7℃，表面的某些区域是离开的无粘接的并且覆盖有填充金属中的凝固沙粒，显示在图3中。

在这种情况下，表格2中显示了结合强度，是相当低。

把钎焊时间从30分钟增加到60分钟，你将发现焊后热处理的T6铝板的粘结强度从41MPa提升到56MPa。

端口处显示表面的某些区域仍然没有被连接。

在这种情况下（图4）一些区域许多不易发现的断裂将会出现，这意味着在这些地方将形成好的钎焊接头。

在使用Al-9.6Si-20Cu作为焊料的情况下，只有钎焊温度提升到570℃才能获得一个令人满意的钎焊接头。

当Al-7Si-20Cu作为焊料在550℃焊接6061-T6铝合金焊接时间为30分钟时，结合强度将提高到62MPa。

图5显示在用Al-7Si-20Cu-2Sn作为焊料时浅凹断裂将有小幅度的提高。

然而，当钎焊时间延长到60分钟并且经过一个后热处理，这接头强度提高到121MPa,和Jacobson获得的数据相比这是一个非常高的数据。

当他们用Al-5Si-20Cu-2Ni填充金属去钎焊3001铝合金时，与其比较这种情况的断口组织的显微观察在图2中显示。

从2到5，更多的浅凹断裂地区出现在这些式样的表面（图6）.同时也发现在钎焊6061-T6铝合金方面用Al-7Si-20Cu-2Sn填充金属具有良好的润湿性。

它显示了在550℃低温条件下钎焊6061-T6铝合金时用Al-7Si-20Cu-2Sn填充金属会产生一个合理的接头。

图7显示了用Al-12Si, Al-9.6Si-20Cu,和Al-7Si-20Cu-2Sn三种不同的填充金属时钎焊的6061-T6铝合金钎焊接头的微观结构。

从这些显微组织显示说明，在这样的情况下，Al-12Si钎焊试件准备在600℃时持续30分钟，其钎焊区大约在600微米。

然而，在用Al-9.6Si-20Cu 和Al-7Si20Cu-2Sn填充金属的地方并且钎焊进行在550℃的低温环境下，其钎焊区比较狭窄，仅仅400微米，由此为接头强度产生了一个实质性的改进。

在钎焊的时候，熔融的填充金属与经验定的铝基金属反应压低熔化温度导致元素浓度的减少，比如Si，Cu，和Sn。

当凝固阶段放置时，a-Al固溶颗粒核在液体/固体界处产生面并且向接头中心扩展。

由于这些元素在a-Al固溶体中的溶解性较低，它们被拒绝进入晶粒间的残余液体区。

最后，当凝固时根据其晶粒间的特征残余液体相会躺在外面，接头的形态特征会在图7中说明。

在Al-7Si-20Cu-2Sn/6061-T6钎焊中形成合理的接头归因于Al-7Si-20Cu-2Sn填充
金属和钎焊温度比较有非常低的熔点，这解释了这个研究样本良好的润湿性和在间隙中的流动性。

4 结论
在Al-12Si合金中加入20 wt.% Cu减少了熔化范围大约在50℃。

进一步加入在Al-Si-Cu合金中加入2 wt.%2 Sn降低它的熔化温度范围从504℃到526℃甚至更远。

作为6061-T6铝合金与所有这些填充金属在550℃低温中的钎焊性的评估，这研究得出结论 Al-7Si-20Cu-2Sn填充金属拥有一个良好的润湿性和相对高的结合强度大约121MPa.
图4（a) 在550℃钎焊并保温30分钟后Al-9.6Si-20Cu/6061-T6接头热处理后在扫描电镜显微镜下的拉伸断裂表面图片，（b）为（a）扩大后的细节图片
图5（a) 在550℃钎焊并保温30分钟后Al-7Si-20Cu-2Sn/6061-T6接头在扫描电镜显微镜下的拉伸断裂表面图片，（b）为（a）扩大后的细节图片
图6（a) 在550℃钎焊并保温30分钟后Al-7Si-20Cu-2Sn/6061-T6接头热处理后在扫描电镜显微镜下的拉伸断裂表面图片，（b）为（a）扩大后的细节图片
图7 （a）用Al-12Si填充金属钎焊的6061-T6铝合金接头的显微结构
(b) 用Al-9.6Si-20Cu填充金属钎焊的6061-T6铝合金接头的显微结构
(c) 用Al-7Si-20Cu-2Sn填充金属钎焊的6061-T6铝合金接头的显微结构。