組織不均勻性對(duì)銅基釬料特性及釬焊性能的影響

倪雪輝 劉暢 張行 楊芝明

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，銅及銅合金的釬焊被廣泛用于航空航天、家電、電子、通訊、儀器儀表等行業(yè)[1]。Cu-P釬料由于熔點(diǎn)低、自釬性好、價(jià)格低且釬焊接頭強(qiáng)度高，在釬焊銅和銅合金方面得到廣泛的應(yīng)用[2]。尤其在釬焊紫銅時(shí)，Cu-P釬料具有自釬作用，釬料中的P與紫銅表面的氧化膜發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其產(chǎn)生的還原產(chǎn)物P2O5和CuO可以形成復(fù)合化合物，在釬焊溫度下呈液態(tài)覆蓋在紫銅表面以防止母材氧化，從而起到自釬劑的作用[3-5]。

釬料組織偏析對(duì)釬料特性和釬焊質(zhì)量有很大的影響，但目前國(guó)內(nèi)還缺乏這方面的量化認(rèn)知和研究分析[6,7]。根據(jù)方斌等人[8,9]對(duì)目前市場(chǎng)上常見BCu93P銅基釬料的元素測(cè)定，不同廠家銅基釬料的元素種類及含量基本相同，但在實(shí)際焊接過程中焊工的使用手感、焊料的流動(dòng)特性以及焊后的性能質(zhì)量卻不相同，這就和銅基釬料的微觀組織有很大的關(guān)聯(lián)。

目前用于空調(diào)管路件焊接中的優(yōu)質(zhì)銅磷釬料主要依賴進(jìn)口，而進(jìn)口釬料價(jià)格昂貴，增加了空調(diào)生產(chǎn)的成本；為了降低成本提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，研發(fā)國(guó)產(chǎn)釬料以代替進(jìn)口顯得尤為迫切。而目前國(guó)內(nèi)廠家銅基釬料質(zhì)量良莠不齊，為此，選取幾種國(guó)內(nèi)常見銅磷釬料，通過對(duì)不同釬料的金相組織、鋪展性能、填縫性能以及釬焊接頭微觀組織和拉伸性能進(jìn)行測(cè)試分析，研究銅磷釬料微觀組織對(duì)宏觀性能的影響。

2 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料選用四種市場(chǎng)上常見的BCu93P銅基釬料，釬料的形態(tài)為扁條狀，尺寸1.3 mm×3.2 mm×500 mm，化學(xué)成分及熔化特性基本相同，如表1所示。

圖1 潤(rùn)濕性試驗(yàn)示意圖

圖2 釬焊接頭拉伸強(qiáng)度試樣

圖3 銅基釬料金相組織

采用400#、600#、800#、1000#金相水磨砂紙對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行預(yù)磨，后使用金剛石研磨膏、金剛石懸濁液和絨拋光布在轉(zhuǎn)盤式機(jī)械拋光機(jī)上將樣品精拋至光亮無粗大劃痕，再浸入無水乙醇溶液中超聲清洗30s，使用氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕3 s后滴加無水乙醇2～3滴后快速吹干并置于Axios型光學(xué)顯微鏡下觀察和拍照。

表1 BCu93P釬料化學(xué)成分及固液相線

根據(jù)GB/T 11364-2008《釬料潤(rùn)濕性試驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)銅基釬料的鋪展和填縫試驗(yàn)。鋪展試驗(yàn)用紫銅片（TP2）尺寸為40 mm×40 mm×1 mm。試驗(yàn)前用400#水磨砂紙對(duì)銅片表面和釬料進(jìn)行打磨，釬料保證外觀圓整，重量為20 mg。用酒精超聲清洗試件并吹干備用。試驗(yàn)溫度840℃，保溫時(shí)間30 s，釬劑用QJ102。鋪展試驗(yàn)示意圖如圖1（a）所示。填縫試驗(yàn)用外銅管φ19×1.0 mm，內(nèi)銅管φ16×1.0 mm，銅帽基座φ16 mm。試驗(yàn)前，將釬料試樣切成20 mm小段，重量為10 g，盡可能放置在內(nèi)管內(nèi)腔中。試驗(yàn)溫度850℃，保溫時(shí)間50 s。填縫試驗(yàn)示意圖如圖1（b）所示。試驗(yàn)完成后，采用X射線探傷儀至少?gòu)?個(gè)方向?qū)υ嚬苤锈F料填縫橫截面進(jìn)行X光透視，通過Image-Pro Plus軟件測(cè)量不同釬料的最高填縫高度。

采用高頻感應(yīng)釬焊機(jī)在空氣中焊接紫銅管，焊接工作能量50%，時(shí)間20 s。采用線切割制取釬焊接頭，通過光學(xué)顯微鏡對(duì)釬縫的顯微組織進(jìn)行觀察。根據(jù)GB/T 11363-2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)接頭拉伸試驗(yàn)，以銅基釬料為焊材，試驗(yàn)材料為TP2紫銅板，進(jìn)行對(duì)接銅板火焰釬焊。焊接前，首先在酸性清洗劑中超聲波清洗試件表面的氧化物及雜質(zhì)，其后用清水沖洗、砂紙打磨，將打磨后的試件和釬料放入酒精中超聲清洗，最后用吹風(fēng)機(jī)吹干備用。按圖2（a）所示的示意圖裝配釬焊接頭，紫銅板對(duì)接放置，中間預(yù)留0.1 mm的自然間隙。將釬料放置在紫銅對(duì)接縫隙上方，添加QJ102釬劑。釬焊接頭實(shí)物如圖2（b）所示。

將焊接件焊縫表面余高及焊根用銼刀和砂紙去除，然后將試樣夾持在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。加載速率為10 mm/min，直至試樣斷裂，記錄試驗(yàn)曲線及材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 釬料的組織及潤(rùn)濕特性

圖3是四種BCu93P銅基釬料的微觀組織形貌，亮白色的基體上分布著大量暗黑色小塊，其中亮白色為Cu相，暗黑色為Cu3P相。

由圖3可得，1#和2#釬料試樣Cu相呈顆粒狀分布，而3#和4#釬料試樣Cu相呈團(tuán)聚偏析狀分布，前者的組織均勻性明顯優(yōu)于后者。四種BCu93P銅基釬料的鋪展形貌如圖4所示，通過Image-Pro Plus軟件計(jì)算釬料的鋪展面積，如表2所示。

由于各相的熔點(diǎn)不相同，低熔點(diǎn)的Cu3P相優(yōu)先熔化，高熔點(diǎn)的Cu相后熔化，未熔的固態(tài)釬料會(huì)阻礙已熔的液態(tài)釬料的流動(dòng)，使得液態(tài)釬料難以形成前驅(qū)膜，導(dǎo)致流動(dòng)性下降[8,10]。由表2可得，1#、2#組織呈顆粒狀分布的釬料鋪展性優(yōu)于3#、4#組織呈團(tuán)聚偏析狀分布的釬料，這是因?yàn)槲慈鄣腃u相呈偏析分布，組織尺寸較粗大，對(duì)液態(tài)釬料的流動(dòng)鋪展阻礙較大。釬料的流動(dòng)性差，可能導(dǎo)致熔深低、未焊透等情況，不利于釬焊連接；釬料的流動(dòng)性好，可以縮短釬焊時(shí)間，從而防止母材的過燒和晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)也降低了能耗[9]。

填縫試驗(yàn)完成后，通過酸洗去除表面氧化皮，置于X射線探傷儀進(jìn)行透射觀察，如圖5所示，其中1方向和2方向參考圖1（b）。通過圖像分析軟件測(cè)量釬料的最高填縫高度，如圖6所示。

由圖6可得，1#、2#試樣的填縫高度大于3#、4#試樣。同樣地，未熔的Cu相呈偏析狀分布、組織粗大會(huì)嚴(yán)重阻礙液態(tài)釬料的流動(dòng)性和爬升性。當(dāng)釬料顯微組織較為粗大時(shí)，構(gòu)成各相的液體流團(tuán)間的相互作用力增大，并且液體流團(tuán)更易達(dá)到臨界尺寸，使得熔體運(yùn)動(dòng)過程中液體流團(tuán)間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力增大，此外粗大組織加劇了晶粒間的搭接，阻礙了金屬液的流動(dòng)，而以上作用均會(huì)造成釬料熔體的黏度增大，因?yàn)殁F料黏度本質(zhì)上反映的即熔體中原子間和流團(tuán)間的相互作用力大小，而釬料黏度增加會(huì)顯著降低釬料的鋪展性能和填縫性能[5,8-10]。

3.2 釬焊接頭的組織和拉伸性能

圖7是銅磷釬料的釬焊接頭微觀組織。光學(xué)顯微鏡下在界面區(qū)沒有觀察到裂紋及孔隙的出現(xiàn)，說明試驗(yàn)中紫銅管與銅磷釬料已實(shí)現(xiàn)了良好結(jié)合。釬焊過程中，高溫的液態(tài)釬料可溶解少量的母材表面，使靠近母材的液態(tài)釬料中Cu相較多。焊接結(jié)束后，界面首先形成一定的過冷度，液態(tài)釬料開始凝固，界面附近液態(tài)釬料中有大量的Cu富集，形成富Cu團(tuán)簇，富Cu團(tuán)簇容易首先在界面處形核，垂直于界面向焊縫區(qū)生長(zhǎng)[11]。

圖4 銅基釬料鋪展形貌

圖5 銅基釬料填縫形貌

圖6 銅基釬料最高填縫高度

表2 銅基釬料鋪展面積計(jì)算結(jié)果

圖7 釬焊接頭金相組織

圖8 拉伸完成試件斷裂位置

圖9 焊縫斷裂位置SEM及EDS分析

表3 BCu93P釬料釬焊紫銅焊接接頭拉伸結(jié)果

由圖7可知，焊縫的顯微組織主要是α-Cu固溶體、α-Cu與Cu3P的混合組織（含磷相）組成。依據(jù)含P量的不同，α-Cu與Cu3P的混合組織至少有三種形態(tài)：P含量越高，組織宏觀形態(tài)越趨向于片狀和點(diǎn)狀，比較疏松；P含量越低，組織宏觀形態(tài)越趨向于板條狀分布，比較致密。所以，銅磷釬料的組織尺寸越細(xì)小、分布越均勻，焊后釬縫中混合組織的形態(tài)越專一、均勻性越好。由200×下的金相組織觀察可得，1#和2#釬料所焊接頭中α-Cu與Cu3P的混合組織的均勻性要優(yōu)于3#和4#釬料；由1000×下的金相組織觀察可得，1#和2#釬料所焊接頭中α-Cu相的尺寸要小于3#和4#釬料。作為釬料中高熔點(diǎn)相，呈偏析狀分布的粗大Cu相在釬焊完成后保留至釬縫中。

BCu93P釬料釬焊紫銅焊接接頭的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度如表3所示，拉伸完成后試樣如圖8所示。釬焊接頭的大部分試樣斷裂在離焊縫較近的母材處，如圖8a所示，小部分試樣斷裂在焊縫位置，如圖8b所示。

由表3可得，3#和4#釬料均有斷裂在焊縫處樣件，且抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均低于斷裂在母材處試件。表明釬縫中粗大尺寸的偏析狀Cu相會(huì)降低釬焊接頭的拉伸強(qiáng)度。對(duì)斷裂在焊縫位置斷面進(jìn)行SEM觀察及EDS分析，如圖9所示。

由圖9a可得，焊縫斷面主要為呈河流花樣的韌脆性混合斷口，其中夾雜光滑的鏡面組織。對(duì)兩個(gè)特征區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析，Spectrum1打在光滑鏡面組織，Spectrum2打在河流花樣組織。結(jié)果表明，鏡面組織的含P量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于河流花樣位置，結(jié)合之前金相分析，可以確定光滑鏡面組織為初生α-Cu相單晶，這符合單晶斷口為原子尺度光滑的特征，而河流花樣組織為共晶α-Cu+Cu3P相。根據(jù)河流花樣走勢(shì)，可以確定裂紋的擴(kuò)展方向，而河流花樣的發(fā)散反向即斷裂源，如圖9a所示，光滑的鏡面組織為裂紋的起始位置。這是因?yàn)椋跎?Cu相作為焊縫中較“軟”的相，在拉伸應(yīng)力作用下率先發(fā)生塑性應(yīng)變，導(dǎo)致應(yīng)變集中而開裂[11,12]，裂紋在多個(gè)鏡面組織位置形核，并沿共晶混合組織擴(kuò)展。3#和4#試樣釬焊接頭的α-Cu相呈團(tuán)聚偏析狀分布，尺寸較粗大，尺寸增加必然不利于釬縫強(qiáng)度的改善，拉伸測(cè)試也驗(yàn)證了這一結(jié)論。

4 結(jié)論

（1）BCu93P釬料組織由亮白色Cu相和灰黑色Cu3P相組成，Cu相呈顆粒狀或團(tuán)聚狀兩種形態(tài)分布；

（2）Cu相呈顆粒狀分布釬料的鋪展性和填縫性要優(yōu)于Cu相呈團(tuán)聚狀分布釬料。偏析狀Cu相尺寸較粗大，對(duì)液態(tài)釬料的流動(dòng)阻礙也較大，組織不均勻會(huì)影響釬料的鋪展性和填縫性；

（3）BCu93P釬料焊縫的顯微組織主要由α-Cu固溶體、α-Cu與Cu3P的混合組織組成。Cu相呈顆粒狀分布釬料所焊接頭中α-Cu與Cu3P的混合組織的均勻性要優(yōu)于Cu相呈團(tuán)聚狀分布釬料，且前者α-Cu相的尺寸小于后者。α-Cu相作為焊縫中較“軟”的相，其團(tuán)聚分布、尺寸增加不利于釬縫強(qiáng)度的改善。