接触反应钎焊和熔钎焊

保温时间：对于保温时间，适当延长保温时间 可以增加反应进行的程度，从而增加液相量及 其铺展面积，随着保温时间的延长，钎缝内液 相的厚度逐渐增大，并且温度越高，增长的趋 势就越大。但是随着反应源的消耗，保温时间 的影响会越来越小，直至最后消失，液相铺展 面积将趋于稳定。因此，一味的延长保温时间 并不能促进液相铺展面积的增加。 压重：接触反应钎焊时，对被连接金属加以一 定的压重往往是很重要的。加压的目的是使母 材与钎料形成紧密的接触，以利于接触反应熔 化的进行。压的紧，母材之间的接触点越多， 液相形成的速度越快，接触面上形成的液相越 完全。
由于这两种金属的性能差异很大，这势必会 对铝/钢的连接造成一定的困难，在焊接时存 在以下问题 (1) 被焊接头容易氧化。焊接时，在铝母材表 面和熔池表面易形成难熔的氧化膜，阻碍了 液态金属的结合。使焊缝容易产生夹渣，性 能降低。 (2) 焊缝成分不均匀。由于钢和铝的熔点差异 与密度差异均很大，当钢完全熔化时，液态 铝浮在钢液上面，冷却结晶后焊缝成分不均 匀。


工艺特点：与普通电弧熔化焊相比，熔 钎焊电弧热量集中，对簿板及薄壁容器 进行钎焊时变形量很小，焊接热影响区 小，操作方便，节能高效又易于实现自 动化。同时又因其电弧特有的去除氧化 膜作用，带电离子、电子的冲击活化作 用，因此可以克服钎剂对母材的腐蚀副 作用，焊后不用清洗，在生产中得到了 广泛应用。

铝/钢二元合金相图
由于共晶温度不同，铁在铝中的溶解度有很大差异， 共晶温度越低，铁在铝中的溶解度越低。在焊缝中 含微量的铁和铝，冷却过程中会出现金属间化合物 （FeAl3）的晶粒。铁的质量分数达 1.8%时，在 645℃能形成 Al+ FeAl3的共晶体。随着铝中含铁量的 增加，还会出现其他AL和Fe的化合物。其中只有 Fe2AL5在一定温度下能熔化，不溶化的化合物给焊接 带来很大困难。由于铁与铝处于化合物状态，使焊 缝的强度和硬度提高，塑性下降。因此，铝及铝合 金与钢的焊接性较差。 由于铝及铝合金与钢的焊接性较差，故焊接时存在 以下问题

Байду номын сангаас
(1)Al和Fe相互作用时，易形成一系列金属间化合物， 如FeAl3,Fe2Al7.Fe2AL5等这些化合物使接头变脆。 (2)物理性能相差较大, 常用铝合金的线膨胀系数为 (23～27)10-6/℃, 不锈钢为(12～18) ×10-6/℃, 铝合金 的线膨胀系数比不锈钢大 1 倍左右, 易引发较大的焊 接应力。 (3)Al 具有较强的化学活性, 材料表面极易形成稳定而致 密的氧化膜, 同时焊接过程中因氧化而产生夹杂物, 破 坏了接头的连续性。 (4) 焊缝成分不均匀。由于钢和铝的熔点差异与密度差 异均很大，当钢时，液态铝浮在钢液上面，冷却结 晶后焊缝成分不均匀。 由此可见, 采用熔焊等焊接方法直接连接铝合金与不锈 钢是极其困难的。为此选择 以Ni、Ag 为复合镀层, 通过接触反应钎焊连接 6063 铝合金和不锈钢 (1Cr18Ni9Ti)。
三，以铝合金和不锈钢材料的连接为例，分析采用 接触反应钎焊和熔-钎焊连接的焊接性，并就存在的 主要问题提出具体措施。 1 以铝合金与不锈钢的接触反应钎焊焊接性研究 铝合金以其比强度大、比刚度高、重量轻、耐腐蚀 等一系列特性,又铁与铝既能形成固溶体，金属间化 合物，又能形成共晶体，如下相图示知：


2 ，铝合金与不锈钢的TIG熔钎焊研究。
铝合金/不锈钢异种金属结构能够有效的发挥两 种材料的优势，具有比重轻、强度高、耐蚀性优 良等特点。在航空航天、交通运输等部门应用广 泛。但由于铝合金及不锈钢两种材料在热物理性 能及力学性能等方面存在着巨大差异，在反应过 程中极易生成脆性的金属间化合物，降低接头的 力学性能，是焊接领域的难点问题。 尽管压力焊、钎焊等方法能够实现两者的连接， 但工艺条件苛刻，一般要求工件具有一定的尺寸 形状。相比而言，电弧熔-钎焊方法因具有热输 入量小，操作方便且易于实现自动化等特点，在 铝/不锈钢连接领域具有特殊的优势。目前主要 有电子束、激光及氩弧熔钎焊焊三类方法。


焊接工艺：
本文的铝合金和不锈钢的钎焊链接采用以 TIG电弧为热源，焊接方式属于 MIG 熔-钎焊 的范畴，分别从控制焊接热输入，改变铝基 钎料的成分与对不锈钢板表面进行不同预处 理等方面，对铝合金与不锈钢接行了搭接和 对接的 TIG 熔-钎焊试验研究。


铝合金与不锈钢在熔钎焊过程中的焊接 性问题。
1）添加某些合金元素如Cu,Mn，Ni， Zn能够降低焊接材料的熔点，增强铝 基焊料在钢表面的润湿性和铺展性，抑 制 Al-Fe 金属间化合物的生成，改变 AlFe 金属间化合物的形态及分布，进而 改善铝/钢接头性能 2）在实验以前，对不锈钢表面及中间 层金属进行打磨及去油污等净化处理。 3）进行适当时间的保温。
(3) 焊接变形大。钢与铝的热导率、线胀系数 相差较大，焊接时易引起很大的应力，焊接 接头会产生严重的变形，甚至导致裂纹。 (4) 容易产生裂纹。焊接过程中，会产生各种 脆性金属间化合物，在焊接应力作用下，焊 接接头很容易产生裂纹，甚至拉裂。

铝及铝合金与钢焊接时，存在以上困难，必 须采取特殊的工艺措施和选择合适的焊接方 法，才能获得满意的焊接接头。

二，熔钎焊
定义：熔钎焊是利用二种合金熔点相差很大 的特点，在焊接的过程中使低熔点的合金处 于熔化状态，形成熔焊形式的接头；而使高 熔点合金始终保持在固态，形成钎焊形式的 接头，所以熔钎焊接头兼顾熔焊与钎焊两 种 特征，能够实现异种合金有效地高质量地连 接。 熔钎焊是熔点相差较大的异种材料连接的理 想的焊接方法
原理：若金属A与B能形成共晶或形成低熔固
熔体，则在A与B接触良好的情况下加热到高 于共晶温度或低熔固熔体熔化温度以上，依 靠A和B的相互扩散，在界面处形成共晶体或 低熔固熔体，从而把A与B连接起来。 特点（1）接触反应钎焊在焊接过程当中无需 钎剂，这样就避免了钎剂对环境的污染，焊 后产品不需清洗，钎缝无化学腐蚀。 （2）接触反应钎焊对环境及焊件表面要 求低、压力小，它避免了常规钎焊工艺中液 态钎料宏观填缝过程引起的“大、小包围” 现象，因此钎缝致密性很高，适合予大面积、 高致密性连接场合。


工艺参数：
焊接在真空钎焊炉中进行, 真空度不低于 1×10-3Pa。 试样采用搭接形式, 入炉前经过金相砂纸打磨并用超 声波丙酮清洗。接触反应钎焊工艺参数: 温度 580℃, 保温时间分别为 1、5 和 20Min。为了防止焊接过程 中试样移动, 施加 0.1MPa 的压力。钎焊加热速度为 45℃/min, 焊接后试样随炉冷却。 针对以上在焊接过程中可能出现的问题，提出以下 改进措施。 1）在不锈钢表面镀镍和银等中间层金属。在温度 580℃的温度下保温1分钟和5分钟，这样镀镍层就能 良好的阻挡AL和Fe原子的相互扩散为AL-Fe化合物， 在短时快速的钎焊条件下完成连接过程。从而避免 脆性金属间化合物的生成, 可以有效提高焊接接头的 性能。

该方法由于能够精确的控制焊接热输入， 保证两者之间形成的金属间化合物在一 个合适的水平，可以实现铝/钢的可靠 连接。与普通电弧焊相比，铝/钢电弧 熔-钎焊具有自身的特点。 异种金属熔-钎焊的实质是充分利用异 种金属的熔点差异，焊接过程中熔化的 低熔点材料和固相的高熔点材料通过反 应而结合在一起，这种结合过程同时兼 备熔焊和钎焊的特点，接头形式一般为 对接或者搭接。
2）改进加热工艺 高频感应加热的特点是加热速度快, 而快速加热容易 造成刀体内部和外部冷热不均, 很容易造成较大的内 应力, 甚至造成开裂。我们在大量的实践基础上对高 频感应加热工艺进行了改进, 即在加热过程中采取 1～2 次预热, 具体操作是: 将焊接加热时间等分,加热 时, 每到一个等分时间就切断电源停留数秒后重新通 电。这样可以使焊接件内外受热均匀, 减小内应力, 提 高焊接质量。 3）钎焊后的处理工艺改进 硬质合金刀具钎焊后之所 以产生裂纹, 主要取决于焊件表面的应力大小及状态。 焊后应力与焊接面积成正比, 当焊接面积较大时, 焊后 保温可以有效减小钎焊刀具的应力状态。

铝合金/不锈钢 TIG 熔-钎焊 对接焊接过程示意图
Al-Cu6 焊丝下铝合金/不锈钢 TIG熔-钎焊接头横截面
从上图中可以看出：接头具有熔焊和钎焊的
双重特征，即在铝合金一侧为熔焊焊缝，且 存在明显的熔合区；在不锈钢一侧为钎焊结 合，即不锈钢不熔化，依靠钎料在不锈钢表 面的润湿铺展形成化合物层实现紧密连接。
影响因素
对于铝合金接触反应钎焊而言，加热温度、 保温时间以及压力是三个比较重要的因素。 加热温度：加热温度对于钎焊来讲是一个比 较重要的参数，温度过高或过低都不合适。 温度过低，达不到钎焊的过程，起不了连接 金属的目的；当温度过高时，由于工件加热 过程经历的时间长，会显著增加中间层在加 热过程中向基体中的扩散“损失”量，从而 减少参与反应的总量，最终影响到反应液相 的产生量。如果温度过高，会增大对母材软 化的程度，减小基体的强度。
一 ，接触反应钎焊
定义：接触反应钎焊是利用某些异种金属能形成共 晶的特点，在界面接触反应良好且加热至高于共晶 温度的条件下，依靠金属原子间的互扩散在界面处 形成共晶反应液态金属层，随后冷凝结晶，从而把 金属连接起来的方法。 归结而言：接触反应钎焊是一种依靠材料间的 共晶反应所产生的液相合金来实现连接的“自钎料” 钎焊技术