淺談熱處理過(guò)程中AA5083鋁合金的釬焊

摘 要：文章初步研究了鋁合金在熱處理過(guò)程中（無(wú)保護(hù)氣氛或真空條件）釬焊的可能性，分析了釬焊接頭的顯微組織。同時(shí)通過(guò)對(duì)釬焊接頭組織的觀察初步分析了試樣表面粗糙度，載荷以及冷卻速度對(duì)釬焊的影響。

關(guān)鍵詞：鋁合金；熱處理；釬焊；表面粗糙度；冷卻速度

中圖分類號(hào)：TG146.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）33-0075-03

1 背景概述

鋁合金釬焊是一種不熔化母材而靠釬料熔化后與基體形成金屬鍵結(jié)合的一種焊接方法[1]。由于鋁合金在空氣中易氧化，形成一層厚而均勻的氧化膜。

同時(shí)，填充金屬與母體的熔點(diǎn)差小，在加熱過(guò)程中顏色不變。因此鋁合金的釬焊一般是在保護(hù)氣氛下或真空條件下進(jìn)行。

現(xiàn)在鋁合金釬焊的工藝因素有了深入研究，包括釬料和釬劑[2-3]。于文花等發(fā)現(xiàn)在Al-Si低溫鋁基釬料中加入Cu和其他微量元素能大大提高釬料的潤(rùn)濕性以及釬焊接頭的強(qiáng)度[4]。

丁寶珠等研究了Cu和Ag等合金元素對(duì)Zn-Al釬料的熔化溫度，潤(rùn)濕性等的影響。他們發(fā)現(xiàn)釬料在添加3% Cu，1% Ni和0.5% Ag后能大幅降低釬料的熔化溫度而且提高釬料與母材的潤(rùn)濕性能，從而可以得到力學(xué)性能較高的釬焊接頭[5]。

同時(shí)，很多人對(duì)釬劑的應(yīng)用也做了深入研究。蔣金龍發(fā)現(xiàn)無(wú)腐蝕性的NOCOLOK釬劑可以解決釬劑殘?jiān)母g困擾，從而取代氯化物基釬劑[6]。

何鵬等研究開發(fā)了鋁釬料膏，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)用Al-Si共晶合金粉，氟化物釬劑和粘結(jié)劑按適當(dāng)比例配制的膏狀釬劑具有較好的焊接性能和焊縫成型性[7]。

但是，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)于大尺寸鋁合金的應(yīng)用越來(lái)越多。因此，在這種條件下，在保護(hù)氣或真空條件下的釬焊比較難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，鋁合金在應(yīng)用前會(huì)根據(jù)合金類型的不同進(jìn)行不同溫度下的熱處理。

因此，能否在升溫過(guò)程或是熱處理過(guò)程中完成大尺寸鋁合金件的釬焊成為了工業(yè)亟需解決的問(wèn)題。本文在熱處理過(guò)程中首先在小尺寸的鋁合金試樣上進(jìn)行了釬焊處理，研究了試樣表面粗糙度，壓力以及冷卻速度對(duì)熱處理過(guò)程中釬焊的影響，初步評(píng)估了熱處理過(guò)程中釬焊的可操作性。

2 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用AA5083鋁合金，合金成分為Al-4.5% Mg- 0.8% Mn-0.4% Si-0.4% Fe（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。試驗(yàn)尺寸為10 cm（長(zhǎng)）x10 cm（寬）x2 cm（高）。熱處理溫度采用425 ？觷C。釬料為市場(chǎng)上購(gòu)買的鋅基釬料，其熔化溫度為380～400 ？觷C。

首先將釬料放于兩塊母體金屬之間，然后加載一定的力。然后將試樣置于有空氣循環(huán)風(fēng)的電加熱爐中。升溫速度為 150 ？觷C/h。在達(dá)到設(shè)定溫度425？觷C后，保溫2 h。

最后對(duì)試樣進(jìn)行冷卻。本實(shí)驗(yàn)研究了3種參數(shù)對(duì)釬焊的影響：試樣表面粗糙度（鋸切面和拋光鏡面），載荷（0.047和0.094 MPa）和冷卻速度（爐冷和空冷）。

在完全冷卻后，試樣被切割，然后拋光進(jìn)行斷面觀察。拋光過(guò)程是在Struers Tegrapol-35進(jìn)行的。同時(shí)，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)釬焊接頭組織進(jìn)行了觀察和相分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 釬料組織和釬焊接頭組織

釬焊接頭組織的掃描電鏡結(jié)果，如圖1所示?？梢钥闯?，在釬焊接頭內(nèi)，有各種不同的相分布。

從成分分析結(jié)果可以得出，在釬焊接頭內(nèi)，主要有四種組織：黑色的為Al-Zn-Cu（圖1b）。亮白色的為Zn-Mg-Al-Cu組織（圖1b），但是鎂的含量相對(duì)于灰色塊狀相（圖1d）較少。

最后一種是灰色的共晶網(wǎng)狀組織（圖1e），其成分為Al-Cu-Zn，但是Zn含量高于圖3b中的Al-Zn-Cu組織。除此之外，兩條明顯的裂紋可以從圖1a中清晰的觀察到。裂紋形成的主要原因可能是在冷卻過(guò)程中，液體收縮但是不能得到及時(shí)的補(bǔ)縮，從而導(dǎo)致了釬料和母材的分離，形成了裂紋[8]。在本實(shí)驗(yàn)中，裂紋的寬度作為判斷各種參數(shù)對(duì)釬焊影響的主要依據(jù)。

3.2 試驗(yàn)參數(shù)對(duì)釬焊的影響

在不同粗糙度和載荷下的釬焊接頭組織，如圖2所示。圖2a和2b分別代表工業(yè)鋸切面和拋光鏡面，從而研究表面粗糙度對(duì)釬焊的影響?？梢钥闯鲈趦煞N不同的表面粗糙度下，釬焊效果有很大的區(qū)別。

在2a-工業(yè)鋸切面試驗(yàn)中，裂紋的寬度大約在2～3 um。但是在2b-拋光鏡面試驗(yàn)中，裂紋的寬度大大增加（大約是 15 um）。因此，釬焊效果在拋光鏡面試驗(yàn)中較差。

究其原因，表面粗燥度是一個(gè)重要的因素。在拋光鏡面試驗(yàn)中，釬料熔化后，液體不容附著在母體金屬，在冷卻過(guò)程中更難補(bǔ)縮，從而導(dǎo)致大裂紋的產(chǎn)生。

但是當(dāng)試樣具有一定的粗糙度后（鋸切面），熔化的釬料比較容易停留在母體金屬上，為以后液體冷卻過(guò)程中的補(bǔ)縮提供了一定的條件，因此釬焊后裂紋較小[9]。因此，適度的表面粗糙度會(huì)對(duì)取得較好的釬焊效果有幫助。

圖2c為高載荷下的釬焊接頭組織。對(duì)比低載荷的試樣（2a），裂紋寬度略有增加，從3a中的2～3 um增加至4～5 um。造成這種結(jié)果的原因可能是在，釬料在熔化后在高載荷下流動(dòng)較快，因此凝固時(shí)剩余液體較少，從而造成了稍大的裂紋，但是這兩者的差距不明顯。

在不同冷速下的釬焊組織如圖3所示。在對(duì)比爐冷情況下（圖3a），可以看出在空冷條件下，裂紋的寬度大大減小（圖3b），釬料和母材結(jié)合較好。此外，在空冷試樣中，無(wú)縫釬焊接頭也能清楚觀察到（圖3c），顯示了釬料和母材的充分反應(yīng)和結(jié)合，側(cè)面證明了在熱處理過(guò)程中鋁合金釬焊的可操作性。在相對(duì)較高冷速下，小裂紋或是無(wú)裂紋的可能原因是液液體能夠快速冷卻，從而較少或是消除了裂紋的產(chǎn)生[10]。

從圖2和圖3中可以看出，裂紋在釬焊過(guò)程會(huì)隨著條件的變化而變化。

在3c（鋸切面-0.047 MPa-爐冷）條件，裂紋寬度最小甚至消失，從而使釬料和母材在釬焊過(guò)程中充分反應(yīng)，側(cè)面反映了對(duì)于AA5083合金，在熱處理過(guò)程中進(jìn)行開放氣氛釬焊 （在空氣爐中進(jìn)行釬焊，無(wú)保護(hù)氣氛或是真空氛圍）的可行性和可操作性。

以后的工作將會(huì)進(jìn)一步對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)會(huì)測(cè)試焊件的力學(xué)性能，從而更加全面的評(píng)估以及拓展開放氣氛釬焊的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

本文初步研究利用鋅基釬料在熱處理過(guò)程中對(duì)AA5083鋁合金釬焊的可操作性。根據(jù)研究結(jié)果可得出以下結(jié)論：

①在釬焊過(guò)程中，不同成分的反應(yīng)物可以在釬焊接頭中形成，包括：AlZn2，Al2Zn以及Mg-Al-Zn等。

②適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙葧?huì)降低釬焊接頭的裂紋寬度，提高釬焊效果。在一定載荷下，提高載荷對(duì)釬焊效果影響較小。冷卻速度對(duì)釬焊裂紋影響較大。在空冷條件下，釬焊裂紋最小或是消失，顯示了釬料和母材良好的結(jié)合性。

③實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在適合條件下，如合適的表面粗糙度 和冷卻速度，AA5083鋁合金在熱處理過(guò)程中進(jìn)行無(wú)保護(hù)氣氛釬焊是具有可行性和可操作性的。

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