两种铜磷钎料对紫铜钎焊的焊接性能和焊缝组织对比

( a) BCu80PAg
表 4 两种钎料润湿性试验结果 Ta b. 4 The r esults of wetta bility tests
试验条件
BCu80P A g
铺展面积 / m m2
填缝长度 / mm
L2Ag15P
铺展面积 填缝长度
/ mm2
/ mm
865 e , 5 min 402. 0
@3 mm, 焊接接头形式为搭接, 单边填丝, 搭接长度 为 5 mm。钎焊在热处 理炉中氩气保护下进行, 氩 气流量为 15 L # min- 1。在 Zwick/ Roell Z100 型万 能试验机上进行拉伸和弯曲试验。拉伸时, 在弹性 阶段采用的是拉力控制, 加载速率为 8 kN # min- 1; 弹性阶段之 后为位 移控制, 拉 伸速度 为 20 mm # min- 1 。弯曲时, 支承辊的半径为 20 mm, 压头半径 为 5 mm, 跨距为 120 mm, 预压力为 5 N, 变形速度 20 mm # min- 1 。取金相试样时沿接头切开, 腐蚀剂 组成为 5 g F eCl3 + 5 mL 盐酸+ 95 mL 乙醇。
摘 要: 对国产 BCu80PAg 钎料和德国进口 L2A g15P 钎料进行了化学成分、熔化性能、润湿性
试验, 并比较了这两种铜磷钎料对紫铜钎焊焊接接头的力学性能和焊缝组织。结果表明: L2Ag15P
钎料的成分均匀性和润湿性要好于 BCu80PAg 的, 其熔化区间较窄; 两种钎料焊接接头的力学性
第 33 卷 第 2 期 2009 年 2 月
机械工程 材料
Mat erials for Mechanical Engineering
Vol. 33 No. 2 F eb. 2009
两种铜磷钎料对紫铜钎焊的焊接性能和焊缝组织对比
张培磊, 丁 敏, 姚 舜, 芦凤桂, 楼松年 ( 上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室, 上海 200240)
由表 4 可见, 随着钎焊温度的升高和保温时间 的延长, 两种钎料的铺展面积和填缝长度都是增加 的。对一个润湿体系而言, 同时存在物理润湿和钎 料合金与母材金属元素相互扩散形成金属间化合物 的反应润湿。铜的物理润湿与大多数物质相反, 其 表面张力随温度的升高而增大, 导致其物理润湿性 随温度的升高 而降低[ 3] 。但 是本试验中当温 度从 865 e 升至 895 e 时, 虽然物理润湿性降低, 但由于 温度的升高, 钎料与母材的相互扩散作用大大增强, 在 895 e 下, 反应润湿起主导作用, 使得铺展面积最 终呈增大趋势。随着保温时间的延长, 润湿性也呈 增大的趋势。
ZHANG P ei2lei, DING Min, YAO Shun, LU Feng2gui, LOU Song2nian ( Shanghai Jiaot ong Universit y, Shanghai 200240, China)
Abstr act: The chemical composition, melting performance and wettability of two phosphor2copper brazing
电阻率 /L8 # m
BCu80PAg 余量
4. 8~ 5. 3
15 ? 0. 5
[ 640~ 0. 1 815
L2 Ag15P 余量
5? 0. 3
15 ? 0. 5
[ 645~ 0. 25 800
500 0. 12 506 -
2 试验结果与讨论
2. 1 钎料的成分均匀性
由表 2 可以看出, 因为加工过程可能存在污染 和存放过程中钎料表面直接与空气接触发生氧化,
Key words: phosphor2copper br azing filler metal; br azing; wettability
0引言
铜磷钎料的熔点低、流动性好、钎焊温度接近银 基钎料, 且具有自钎性以及价格低等优点, 因此是在 500~ 900 e 范围内取代银基钎料的理想材料。为 了使钎料具有低的熔点和好的流动性以及高的去氧 化膜能力, 实用铜磷钎料中磷的质量分数均 在 5% 以上[ 1] 。但由于磷在铜中几乎不固溶, 而是以 Cu3 P 化合物的形式存在。因此, 如果生产工艺控制不好 使得钎料基体 中含有大量的 Cu3P 化合物, 导 致钎 料的室温脆性大, 难以进行冷拔加工, 同时接头的质 量也很难保证, 所以该钎料焊丝的生产难度很大。
图 1 两种钎料的 DTA 曲线 Fig. 1 DTA curves of t he two filler metals
表 3 两种钎料的熔化温度 Tab. 3 The melting tempera tures of the two filler metals
钎料
BCu80P A g L2Ag15P
张培磊, 等: 两种铜磷钎料对紫铜钎焊的焊接性能和焊缝组织对比
铜板尺寸为 110 mm @30 mm @3 mm。试验前先使 用金相砂纸打磨试样表面, 除去表面的氧化膜等杂 物, 再用丙酮浸泡试样和钎料, 以去除油污等杂质, 最后用电吹风快速吹干, 钎料铺展后, 用面积测定仪
测定铺展面积以评估钎料的润湿能力。 钎焊用板材为紫铜板, 尺寸为 110 mm @30 mm
内部
1. Leabharlann Baidu7
0. 33
1. 14
3. 02
27. 78
14. 69
69. 31
81. 96
L2Ag15P
表面
内部
0. 71
0. 16
1. 95
3. 31
16. 08
11. 03
81. 26
85. 50
成分均匀性要好于 BCu80PAg 的。 2. 2 钎料的熔化特性
由图 1 和表 3 可见, L2Ag15P 钎料的熔化区间 较窄, 比 BCu80PA g 的熔 化 温度 区间 缩小 了 3. 4 e 。结合前面 的能谱分 析结果, 认 为这是 因为 L2 Ag15P 成分比 BCu80PAg 均匀, 成分偏析较小, 在 熔化时, 钎料能够比较一致地达到熔点, 同时熔化, 使得熔化区间减小。
固相线温度/ e 643. 5 648. 2
液相线温度/ e 665. 1 666. 4
温度区间/ e 21. 6 18. 2
2. 3 钎料熔化后的物相组成 由图 2 可以看出, 两种钎料熔化后的物相组成
基本相同, 均主要由 A2Cu 固溶体和 Cu3P 化合物组 成, 另还存在少量的银相。 2. 4 钎料的润湿性
30. 5
377. 5
34. 5
865 e , 10 min 429. 5
33. 5
412. 5
38. 0
895 e , 5 min 420. 5
32. 5
407. 0
39. 0
895 e , 10 min 462. 5
43. 5
455. 5
49. 5
Fig. 2
( b) L2 Ag15P 图 2 两种钎料熔化后 XRD 谱 XR D patt erns of t he t wo fi ller met al s after melti ng
两 种 钎 料 内 部 和 表 面 均 含 有 一 定 量 的 氧, 且
BCu80PA g 钎料 的内部和表面的 氧含量都要高 于
L2Ag15P 钎料的。BCu80P Ag 钎料 的表面 成分 与 内部相比差异较大, 其中内部的成分更接近标准成
分。L2A g15P 钎料的表面与内部成 分差异较小, 其
能相当; 两种钎料所形成焊缝的显微组织主要都是亚共晶, 初生相为富银和磷的 A2Cu 固溶体, 共晶
体组分为 A2Cu 固溶体和 Cu3P 化合物。 关键词: 铜磷钎料; 钎焊; 润湿性
中图分类号: T G425
文献标志码: A
文章编号: 100023738( 2009) 0220082204
Weldability and Microstructure of Copper J oints Welded by Two Kinds of Phosphor2copper Brazing Filler Metal
上的铺展能 力较 大, 能 很快 沿着 母 材铺 展, 而 L2 Ag15P 钎料熔化较为均匀, 基本同时 进行铺展, 而 保温时间又较短时, 导致其铺展速度要慢于前者, 铺 层面积较小。而随着保温时间的延长, 钎料熔化后, 其内部的化学成分在对流和扩散的作用下进一步均
表 2 两种钎料表面和内部的实际化学成分( 质量分数/ % )
Tab. 2 The actual chemical compositions of inside and outside of the two filler meta ls( mass/ %)
元素
O P Ag Cu
BCu 80PAg
表面
在相同试验条件下, BCu80P Ag 钎料的铺展面 积要大于 L2Ag15P 的, 但随着保温时间的延长, 二 者的差距在缩小。这是 因为 BCu80P Ag 钎料的成 分 不均匀性大于L2Ag15P 的, 其熔化后在某些方向
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张培磊, 等: 两种铜磷钎料对紫铜钎焊的焊接性能和焊缝组织对比
表 1 两种钎料的标准化学成分及物理性能 Tab. 1 The standard chemical compositions and mechanical
proper ties of the two filler metals
质量分数/ %
钎料牌号 Cu
P
Ag
杂质
性能
熔化 温度 /e
抗拉 强度 / MPa
目前用于发电机转子焊接中的铜磷钎料主要依
收稿日期: 2008203202; 修订日期: 20082 08220 作者简介: 张培磊( 1981- ) , 男, 江苏镇江人, 博士研究生。 导师: 姚 舜教授
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赖进口, 而进 口钎料价格昂贵, 增加了发 电机的成 本; 为了降低成本提高产品竞争力, 企业希望以国产 钎料代替进口钎料。为此, 作者分别对国产和进口 的两种铜磷钎料进行了相关性能的测试并进行了钎 焊试验, 比较了它们对紫铜的焊接性能和焊缝组织。
1 试样制备与试验方法
试验所用 的两种钎 料分别为 国产 BCu80PAg 和德国进口 L2Ag15P 钎料, 其标准化学成分和物理 性能见表 1[ 2] , 焊丝直径均为 3 mm。分别对两种钎 料的表面和内部进行能谱分析, 取三点测试的平均 值为化学成分测试结果。利用 Dupont 公司的 1090 型差热分析仪( DT A) 对两种钎料进行 热测试。并 对在铜板上熔化铺展后的钎料进行了物相分析。按 照 GB/ T 11364- 1989 进行铺展和填缝性能试验, 铺展试验时用钎料 0. 2 g, 为圆柱形丝材, 铜板尺寸 为 40 mm @40 mm @3 mm; 填缝试验时用钎料 1 g,
filler metals of BCu80PAg and L2 Ag15P were st udied, and the mechanical propert ies and microst ructur e of copper joints welded by these two filler metals wer e compar ed. The results show that the chemical composition homogeneit y and wettaility of L2Ag15P was bett er than that of BCu80PAg, and the melting interva l of the former was mor e nar row than that of the latter . Mechanical pr operty of t he joints welded by these two filler metal was compar ative. Micr ostructure of t he brazing seam with these two filler metals both was hypoeutect ic. The primary phase was A2Cu solid solution r ich in Ag and P and the eutectic was A2Cu solid solution and Cu3 P compound.