中間層厚度對H62黃銅精密構(gòu)件瞬時液相連接的影響*

馮展鷹，曹慧麗，劉洪斌

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

中間層厚度對H62黃銅精密構(gòu)件瞬時液相連接的影響*

馮展鷹，曹慧麗，劉洪斌

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

瞬時液相(Transient Liquid Phase，TLP)連接是利用中間層材料與母材的冶金反應(yīng)產(chǎn)生液相實現(xiàn)的，它可以彌補常規(guī)毛細釬焊的某些缺陷。文中采用Ag作為中間層進行了H62的瞬時液相連接，得到了性能優(yōu)良的接頭。試驗結(jié)果表明：中間層厚度對瞬時液相連接質(zhì)量影響很大。當Ag中間層厚度為6 μm時，液相量合適，形成的少量液相在壓力作用下填滿釬縫，獲得了良好的接頭瞬時液相連接組織，同時實現(xiàn)了圓角尺寸的控制，減小了接頭變形。

H62黃銅；瞬時液相連接；Ag中間層

引 言

隨著雷達分辨率要求的不斷提高，波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜且精度要求越來越高，要求在加工和組焊時具有更高的精度，其制造難度增大。要滿足雷達系統(tǒng)的探測精度和電性能，就必須充分保證波導(dǎo)器件的連接質(zhì)量。某些精密波導(dǎo)部件要求工件的焊后尺寸變形小于0.02 mm，釬縫內(nèi)腔圓角半徑小于0.2 mm, 且焊縫表面光滑、連續(xù)。采用通常的釬焊已無法完全滿足技術(shù)指標，但瞬時液相(Transient Liquid Phase，TLP)焊接能有效控制焊縫圓角及器件變形。

TLP 焊接是一種應(yīng)用于許多合金系統(tǒng)的連接方法，其原理是在母材與中間層之間形成低熔點液相，然后通過溶質(zhì)原子的擴散發(fā)生等溫凝固，形成組織均勻的焊縫接頭。TLP焊接的一般過程是：將中間層放置在待連接材料連接表面之間；在加熱過程中，由于達到中間層的熔點或由于中間層和母材相互擴散生成共晶反應(yīng)產(chǎn)物而形成一種低熔點的液相合金，從而形成一層薄的液相中間層；液體填充了待連接材料表面之間的空間，隨著溶質(zhì)原子繼續(xù)向母材中擴散，液相中間層發(fā)生等溫凝固；等溫凝固結(jié)束后，沒有殘留液相存在的痕跡，形成了和母材成分基本相似的連接接頭[1-3]。

TLP方法能夠產(chǎn)生高強度、無界面、無中間層殘留的接頭。它和傳統(tǒng)固相擴散連接的不同之處在于連接過程中形成的很薄的液相中間層使焊接過程只需較低的擴散焊壓力。它與釬焊方法的相同之處在于都使用

中間層材料作為連接介質(zhì)，不同之處在于TLP方法中間層的熔化和凝固過程都是和母材相互擴散的結(jié)果，并且都是在等溫過程中完成的，連接后接頭區(qū)域的組織成分和母材成分基本相似[4-5]。

1 試驗設(shè)備與材料

試驗選擇H62黃銅作為基體材料，樣件的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。Ag可與黃銅形成共晶過渡層，其流動性良好且具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，因此在各待焊零件上選擇鍍Ag作為中間層介質(zhì)。焊接采用的擴散焊接設(shè)備如圖2所示。

圖1 試驗樣件

圖2 試驗擴散焊接設(shè)備

2 試驗工藝

釬焊在真空環(huán)境下進行，為了保證在真空狀態(tài)下能夠有效去除工件的氧化膜，熱態(tài)時真空度不低于8 × 10-3Pa。根據(jù)銀銅相圖，考慮到圓角尺寸控制的要求，為了避免大量液相的形成，確定峰值溫度為778 ℃，溫度控制精度范圍為±1 ℃。釬焊中通過工裝對試件施加較小的壓力，以保證焊件界面間緊密可靠的物理接觸。鍍銀層的厚度參數(shù)見表1。

表1 鍍銀層厚度參數(shù)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 組織分析及中間層的溶解

接頭微觀組織從本質(zhì)上決定著接頭的連接質(zhì)量，為此首先研究了接頭的微觀組織。圖3給出了接頭的背散射電子像，釬焊溫度為778 ℃，Ag中間層厚度為10 μm，此時實現(xiàn)了H62黃銅的TLP焊接。金相分析表明，接頭處缺陷很少，接頭焊合率高于90%。對接頭進行局部放大，并進行了能譜分析，分析結(jié)果見表2。接頭區(qū)域主要由部分等溫凝固區(qū)(銀基固溶體區(qū))及接近母材成分的完全等溫凝固區(qū)域(共晶區(qū))構(gòu)成。接頭主要呈白亮相(位置A)和共晶相(位置B和C)，能譜分析中位置A為含Cu和Zn量較多的銀基固溶體Ag (Cu, Zn)，位置B和位置C含銀量較少，其主要成分構(gòu)成和母材相似，可以推斷此處為等溫凝固區(qū)域。

圖3 采用Ag中間層進行H62TLP焊接接頭形貌

位置元素的原子百分比/%CuZnAgA10．8917．9171．20B57．0930．1812．73C54．9728．8416．19

試驗發(fā)現(xiàn)，Ag中間層的厚度對TLP焊接質(zhì)量至關(guān)重要，本文著重研究了不同中間層厚度對接頭組織及力學(xué)性能的影響。

3.2 中間層厚度對接頭成形的影響

當鍍銀層為5 μm時，液相量不足以填充間隙，無法實現(xiàn)可靠連接，如圖4所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)合面存在大量的未焊合缺陷。局部區(qū)域放大后發(fā)現(xiàn)，未焊合尺寸較大，焊合率為20%左右。

圖4 5 μm Ag中間層TLP焊接接頭微觀組織

為了提高接頭質(zhì)量，在實驗中增加了中間層的厚度。當Ag中間層厚6 μm時，液相量合適，形成的少量液相在壓力作用下填滿釬縫，經(jīng)適當時間的保溫，獲得的接頭綜合了接觸反應(yīng)釬焊和TLP焊接的典型組織。這一方面完善了接頭組織，另一方面有效縮短了保溫時間，在一定程度上控制了接頭變形。圖5 為6 μm Ag中間層TLP焊接接頭微觀組織。從結(jié)果可以看出，接頭組織良好，圓角尺寸幾乎為0，且接頭結(jié)合面連續(xù)，不存在未焊合缺陷。從放大的照片可以看出，接頭界面大部分為擴散焊組織，兩側(cè)銅晶粒長在一起，其他區(qū)域被共晶組織所填充，使整個接頭形成可靠連接。當Ag中間層厚超過7 μm時，腔體接觸面的一些局部區(qū)域會產(chǎn)生圓角；當Ag中間層厚超過10 μm時，整個腔體接觸面都會產(chǎn)生圓角，且尺寸較大，溶蝕嚴重。

圖5 6 μm Ag中間層TLP焊接的接頭微觀組織

3.3 中間層厚度對接頭抗剪強度的影響

連接溫度為778 ℃時，中間層厚度對接頭抗剪強度的影響如圖6所示。接頭強度隨著中間層厚度增大而提高，當中間層厚度為7 μm時接頭抗剪強度最高，為68 MPa，這是由于接頭焊合率隨中間層增厚而不斷提高的緣故。但考慮到接頭的成形質(zhì)量， 6 μm才是最合適的中間層厚度。

圖6 不同厚度Ag中間層構(gòu)件瞬時液相連接接頭強度

4 結(jié)束語

采用Ag作為中間層可以實現(xiàn)H62黃銅精密構(gòu)件的瞬時液相連接，試驗結(jié)果滿足使用要求。Ag層的厚度對瞬時液相連接過程影響明顯, 當Ag中間層為6 μm時，液相量合適，形成的少量液相在壓力作用下填滿釬縫，獲得接頭TLP焊接的典型組織，同時控制了圓角尺寸，減小了接頭變形，且具有較高的接頭強度。該研究可以有效解決高精密波導(dǎo)部件的液相擴散焊接圓角控制、釬合率達標以及波導(dǎo)變形控制等難題，為高精密波導(dǎo)部件的制造提供了一種可靠的連接方法。

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[2] 曲文卿, 張彥華. TLP焊接技術(shù)研究進展[J]. 焊接技術(shù), 2002, 31(3): 4-7.

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[4] 陳定華, 錢乙余, 黃繼華. Al/Cu接觸反應(yīng)釬焊中反應(yīng)鋪展現(xiàn)象和氧化膜行為[J]. 金屬學(xué)報, 1989(2): 42-47.

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馮展鷹(1981-)，男，碩士，高級工程師，主要從事焊接工藝技術(shù)研究工作。

Effect of Interlayer Thickness on Transient Liquid PhaseJoining of H62 Brass Precise Components

FENG Zhan-ying，CAO Hui-li，LIU Hong-bin

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Transient liquid phase (TLP) joining, which is realized through the liquid generated by the reaction between interlayer materials and the substrate, can overcome the shortage of the traditional capillary brazing. In this paper the Ag interlayer is used in TLP joining of H62 brass and the perfect joint is achieved. The experimental results show that the interlayer thickness has a great effect on the quality of TLP joining. When the thickness of Ag interlayer is 6 μm, the amount of the liquid phase is proper. The small amount of liquid phase fills the brazing seam under the pressure and the good microstructure is obtained. At the same time the dimension of the fillet is successfully controlled and the joint deformation is decreased.

H62 brass; transient liquid phase joining; Ag interlayer

2015-11-11

TG44

A

1008-5300(2016)03-0046-03