刘浩博;秦优琼;孙磊;穆兵兵;张迪帆;施吉翔
【摘 要】在不同温度下对紫铜真空钎焊接头组织及性能进行了试验研究.钎焊时间为5 min,钎焊温度为820～950℃,钎料为Ag-28Cu,采用扫描电镜(SEM)、X线能谱仪(EDS)、光学显微镜(OP)观测和分析接头微观组织,同时采用拉伸机测试了接头力学性能.试验结果表明,接头的微观组织由铜基固溶体和银铜共晶组织组成；接头的抗剪强度随着钎焊温度的增加而增大,最大值为238 MPa,继续增加钎焊温度,接头抗剪强度降低；接头的断裂处主要在柱状的铜基固溶体与银铜共晶组织的交界处. 【期刊名称】《上海工程技术大学学报》
【年(卷),期】2013(027)002
【总页数】4页(P147-150)
【关键词】真空钎焊;Ag-28Cu共晶钎料;微观组织;抗剪强度;断裂形式
【作 者】轨道交通系统刘浩博;秦优琼;孙磊;穆兵兵;张迪帆;施吉翔
【作者单位】上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620
【正文语种】中 文
【中图分类】TG454
铜及铜合金通常具有优良的导电性能、导热性能和在某些介质中优良的抗腐蚀性能，某些铜合金还兼有较高的强度，因而在电气、化工、制氧、酿造、食品、动力及交通等工业部门都得到了广泛的应用.在其应用中，不可避免地要对其进行连接［1］.目前，紫铜的连接方法主要有气焊、电弧焊、TIG焊、埋弧焊、扩散焊、电子束焊、等离子焊等焊接方法［2－7］.但这些焊接方式存在以下问题：
1）铜的高热导率使得母材在熔化焊中极难熔化，这样便出现了难熔合的情况；
2）紫铜的收缩率及膨胀系数较大，焊接应力较大，使得接头容易产生热裂纹；
3）氢气、水蒸气、氧气会使接头产生气孔；
4）接头处与母材在力学性能与导电性能上有所不同，故宜采用钎焊的方法对其进行连接.由于银基钎料熔化温度不是很高，对铜具有良好的润湿性，并有良好的强度、延性、导热性、导电性和抗腐蚀性，广泛用于各种金属的焊接.本文采用Ag－28Cu钎料对紫铜进行真空钎焊，研究不同钎焊温度下接头的微观组织、抗剪强度及断裂特征.
1 试验过程弹簧包
水性聚氨酯胶粘剂1.1 试验材料及试样制备
母材：试验采用的母材是铜含量（质量分数，全文同）为99%的紫铜.
母材试样尺寸：金相试件尺寸为20mm×10mm×3mm，测量强度试件尺寸为50mm×10mm×3mm，钎料为直径0.8mm 的 Ag－28Cu钎料丝.
1.2 试验装置
钎焊试验在我国自行研制的KJL－1多功能钎焊真空炉内进行.真空钎焊有以下优点：在加热过程中，零件处于真空气氛，不会出现氧化、脱碳、污染等；零件整体受热，热应力小，可将变形量控制到最小限度；基体金属和钎料周围存在的低压能排出金属在钎焊温度下释放出来的挥发性杂质和气体，基体金属本身的性能也获得改善；真空钎焊不用钎剂，不会出现气孔、夹渣缺陷等.
1.3 试验材料的准备
1）打磨.为保证各试样具有相同的表面状态，采用200＃、400＃、600＃ 和1000＃的砂纸逐级研磨，这样可以避免因试样表面粗糙度不同而影响钎料的润湿效果.之后将试样在丙酮溶液中进行超声波法清洗.
2）试样固定及钎料安放.试样的固定方法和钎料的安放位置如图1所示.试样的搭接长度为2.5mm.
3）选择不同的工艺参数进行钎焊.为了探索不同温度对钎焊接头性能的影响，分别进行了4组试验，每组3个试样，试验参数见表1.
图1 试样装配示意图Fig.1 Assembly schematic diagram of specimens
表1 各组试验的试验参数Table 1 Processing parameters of tests组别 钎焊温度／℃ 保温时间／min 真空度／Pa 1 820 2 850 3 900 4 950 5＜8×10－3
2 结果与分析
2.1 微观组织
图2给出了保温时间为5min，钎焊温度分别为820、850、900和950℃时所获得的Cu／AgCu／Cu接头的微观组织.可以看出，在给定的钎焊工艺条件下，接头获得的组织中靠近铜侧为柱状的相，而钎缝中心为由白组织和黑组织构成的花纹状的共晶组织.
为了确定反应产物的种类，对钎焊温度900℃的接头用X线能谱仪（EDS）进行能谱分析，结果见表2.从表中可以看出，位置A主要由Cu基固溶体组成，其中含有极少量的Ag原子.根据Ag－Cu二元相图，当钎焊温度超过Ag－28Cu钎料的温度时，母材Cu中会向液态钎料溶解，在随后的冷却过程中，会首先析出Cu基固溶体，因此位置A为Cu基固溶体.位置B位于钎缝中心，是一些白基底上有共晶花纹的组织，主要含有Ag和Cu元素，由于本试验采用
的是Ag－28Cu钎料，还有部分钎料残留在钎缝中心，因此位置B中白组织为银基固溶体，黑为Cu基固溶体.由此可知，采用Ag－28Cu钎料钎焊紫铜，接头的界面结构为Cu／Cu基固溶体／银铜共晶组织／Cu基固溶体／Cu.
从图2还可以看出，随着钎焊温度的增加，柱状的Cu基固溶体层厚度增加，钎缝中心的银铜共晶组织层厚度减少；而整个钎缝宽度是降低的.这是因为钎焊温度增加，Cu母材向钎料溶解的量增加，导致柱状的Cu基固溶体的厚度增加；另外，随钎焊温度的增加，钎料的流动性增加，钎料流失较多，因此钎焊温度较高时，钎缝中心的银铜共晶组织层较薄，而整个钎缝宽度降低.
图2 钎焊温度对接头界面结构的影响（t＝5 min）Fig.2 Effects of brazing temperature on interface microstructure of joints（t＝5 min）
表2 Cu／Ag－Cu／Cu接头界面处各区能谱分析结果（θ＝900℃，t＝5 min）Table 2 EDS results of each point at Cu／Ag－Cu／Cu joint interface（θ＝900℃，t＝5 min）位置 x（Ag）／%x（Cu）／%可能相A 0.1 99.9 Cu 基固溶体B 43.2 56.8银铜共晶组织
2.2 钎焊温度对接头力学性能的影响
图3是固定保温时间为5min、钎焊温度分别为820、850、900和950℃条件下接头的抗剪强度变化曲线.从图中可以看出，随着钎焊温度的升高，接头的抗剪强度增加，在钎焊温度为850℃时达到最大，为238MPa；继续升高钎焊温度，接头抗剪强度降低；而在温度超过900℃后，接头抗剪强度变化不大.
2.3 接头断裂位置分析
为了分析接头的断裂位置，对钎焊温度为900℃条件下的钎焊接头剪断后断口的横截面进行金相显微镜观察，如图4所示.从图中可以看出，接头主要断裂在柱状Cu基固溶体与银铜共晶组织的交界处，其中部分柱状Cu基固溶体在拉剪试验中已经被从中拉断.因此，可以认为，在Cu基固溶体与银铜共晶组织的交界处，由于这两种相的物理化学及力学性能差异，接头在拉剪试验时，首先在此处产生缺陷，最后断裂.
图3 钎焊温度对接头抗剪强度的影响（t＝5 min）Fig.3 Effect of brazing temperature on shear strength of joints（t＝5 min）
图4 断口横截面（t＝5 min）Fig.4 Cross section of fracture（t＝5 min）
3 结 语
光滑塞规1）采用Ag－28Cu钎料钎焊紫铜，接头中主要生成柱状的Cu基固溶体和银铜共晶组织.随着钎焊温度的增加或保温时间的延长，接头中柱状的Cu基固溶体厚度增加，而钎缝中心的银铜共晶组织厚度减少，且整个钎缝宽度降低.
2）在钎焊温度为850℃，保温时间为5min时，接头的抗剪强度最大，为238MPa.
3）接头主要断裂在柱状Cu基固溶体与银铜共晶组织的交界处.
参考文献：
［1］张启运，庄鸿寿.钎焊手册［M］.1版.北京：机械工业出版社，1999.
电子盲人导航仪［2］Terajima T，Makata K，Matsumoto Y，et al.Brazing of Cu with Pd－based metallic glass filler［J］.Materials Science and Engineering B，2008，148（1－3）：128－131.
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