刘灿威;李龙;周德敬
【摘 要】熔蚀是铝合金钎焊过程中常见的现象,熔蚀的产生对钎焊产品的力学性能和腐蚀性能会产生比较大的影响.对铝合金钎焊过程中出现的熔蚀现象作了概述,介绍了熔蚀现象的产生机制、影响熔蚀的因素以及减轻熔蚀的措施. 【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】2017(045)004
【总页数】9页(P47-55)
【关键词】钎焊;铝合金;熔蚀;机制
【作 者】刘灿威;李龙;周德敬
【作者单位】银邦金属复合材料股份有限公司,江苏无锡214145;江苏省金属层状复合材料重
点实验室,江苏无锡214145;银邦金属复合材料股份有限公司,江苏无锡214145;江苏省金属层状复合材料重点实验室,江苏无锡214145;银邦金属复合材料股份有限公司,江苏无锡214145;江苏省金属层状复合材料重点实验室,江苏无锡214145
【正文语种】中 文
【中图分类】TG166.3
铝合金由于其较高的比强度、优异的传热性能、丰富的储量和较低的成本等特点，在热交换器领域得到了广泛的应用。热交换器的全铝化已成为发展的必然趋势，其制造要通过钎焊来完成[1]。在钎焊过程中，钎料中由于含有大量降低熔点的元素(常用的是Si元素)，导致钎料的熔点比芯材的熔点低得多。钎焊温度一般高于钎料的液相线而低于基体铝合金的固相线。在钎焊时，钎料熔化，在毛细管力的作用下，液态钎料流向搭接处，形成牢固的冶金接头。在钎焊时，熔解的钎料对芯材产生熔蚀现象，降低芯材的力学性能和液态钎料的流动性，对焊接产品的力学、腐蚀性能和焊接效果会产生影响[2]。 了解熔蚀过程的影响因素及作用机制有助于更好地控制熔蚀，改善钎焊效果。本文介绍了
熔蚀现象及产生熔蚀的机制，分析了微观组织、合金化、热加工和钎焊制度等因素对熔蚀过程的影响。
熔蚀开始只用来描述芯材的溶解，后来也被用来描述晶界渗透和液膜移动。由于这些都是液固相相互作用时出现的现象，本文在概念上不作刻意区分，将这些现象统称为熔蚀。 1.1 熔蚀产生的条件
以4×××/3×××复合钎焊铝合金在600℃时钎焊为例，图1为Al-Si局部相图。当钎料的硅浓度在600℃时大于极限固溶度(图1中A点)时，钎料开始融化。由于钎料和芯材中硅浓度存在很大的浓度梯度，导致Si向芯材扩散。当芯材中某些地方的硅浓度超过极限固溶度时即发生融化，这就是熔蚀的产生[2]。钎料中硅浓度的高低将对熔蚀机制产生重要影响。
1.2 熔蚀的几种发生机制
Al-Si钎料对基体的熔蚀一般有三种机制：晶界渗透、溶解和液膜移动三种熔蚀形式。
1)Si沿晶界渗透(Silicon grain boundary penetration，SGBP)
当钎料中硅含量小于B处的且大于A处(见图1)的含量时，即在钎焊温度下，硅含量处于固液混合相区时，一般最常见的熔蚀方式为晶界渗透，晶界渗透后的典型组织如图2所示。
Schmatz给出了Si沿晶界渗透的临界条件[4]：
γGB=2γSLcos
式中：
γGB—晶界能；
γSL—固液界面能；
θ—γSL之间的夹角，即二面角。
Gündüz和Hunt[5]测量出Al-10%Si二元系统中的γGB和γSL，代入(1)式中得出θ为2.6°，这说明Al-Si液态钎料对Al基体晶界有显著的润湿性能。
由于晶界是Si扩散的高速通道，钎焊时，钎料中的Si会迅速向Al基体晶界扩散，在晶界形
成富集，当富集浓度超过A处(见图1)时，即发生晶界熔化，从而产生晶界渗透。图3为Si渗透芯材晶界的基本特征：刚开始渗透时形成凹槽，进入凹槽后以微米级厚度向合金渗透，最后以纳米级的厚度向芯材更深处渗透[6]。
2)溶解(Dissolution或Guttering)
在钎焊温度下，当钎料中硅含量大于B处(如图1中C处)的含量时，钎料液体组分首先向芯材表面扩散，在芯材表面层内达到饱和溶解度时，芯材表面层进入固液两相区，此时芯材表面开始向液态钎料溶解。在钎焊过程中，芯材的溶解分两种情形：一是在熔化钎料没有流动的情况下，熔化的钎料在静态时对芯材进行熔解，导致芯材厚度减少，焊接接头处即是这种情况，如图4所示。在接头区，大量钎料堆积，对接头处的芯材形成了严重的熔蚀，导致接头处芯材厚度L2明显小于其他地方(如图4中L1)的；二是在重力或者毛细管力作用下，钎料迅速流动，在动态情况下对芯材进行熔解，并且将芯材中脱离的晶粒一并带走，导致材料厚度整体减少，B型管料(tube)的凹槽即是此种情况，如图5所示。Takashi等[8-9]人对这种情况进行了较多的研究，并设计出一套装置来评价熔蚀情况。
芯材在熔化钎料中的溶解速度可用下式表示[10]：
式中：
Q—溶解量；
—溶解速度；
K—溶解速度常数；
芯材极限溶解度；
C—芯材的浓度；
S—固液相作用面积。
当溶解过程为扩散控制时，K和扩散系数成正比，对于Al-(Al-Si)系统来说，当温度为600℃时，K值为1.7 μm/s。
3)液膜移动(Liquid film migration，LFM)
在某些钎焊条件下，熔融钎料大面积地渗入芯材，特别是钎焊前轻微变形的O态合金，这
种现象最为严重，如图6。从微观组织上看，晶界渗透仅沿着芯材晶界进行熔蚀，达不到这种对芯材晶粒的大面积“侵蚀”，与溶解后形成的组织也不同， 这种现象被称为液膜移动。一般认为液膜移动是指钎料形成的液膜在芯材中扫过，其扫过的部分称为影响区，液膜移走之后，影响区随即凝固，变成α(Al)。
Wittebrood[6]在其著作中系统研究了液膜移动现象，并详细分析了液膜影响区和未影响区的成分差异，如图7所示。影响区是一片第二相比较少的区域，未影响区是原始芯材组织，影响区与未影响区的边界则是液膜所处位置。相对原始芯材，影响区除了Si之外的所有元素含量均减少，Si则是钎焊温度下的平衡浓度；各种元素均在液膜上富集，液膜处聚集着数量较多的粗大第二相；未影响区是原始的芯材部分。Nylen等人[11]研究了液相薄膜移动的机制，当移动速度是由扩散控制时，其移动速度为0.03 μm/s，远低于实际金相观察到的0.1 μm/s速度，计算结果和观察结果的差异表明：扩散并不是液相薄膜移动的主要驱动力。Wittebrood[6]对其运动的驱动力做过系统概述和详细分析，也认为Si浓度差异造成的扩散过程和化学自由能差异并不是液膜移动的主要原因，其认为变形组织中储存的变形能是液膜移动的主要驱动力，当钎焊前材料的变形程度比较低，无法在钎料熔化前完成再结晶时就会发生液膜移动，Wittebrood将其进一步称作应变诱导液膜移动(Strain Induced Liq
uid Film Motion，SILFM)，类似于变形程度较低时再结晶过程中的应变诱导晶界弓出再结晶形核长大过程，不同的是应变诱导液膜移动所需临界变形储能更低，液膜移动过后的影响区是一片缺陷(如位错等)很少的区域。
以上三种熔蚀机制是铝合金钎焊过程中最常发生的，根据产生原因和条件，大致可把它们的发生区域以图8表示。
晶粒组织主要对晶界渗透和液膜移动有着关键性的影响。一些研究结果表明[3,12-13]，晶界是Si向芯材扩散渗透形成熔蚀的高速通道，晶粒越小，晶界越多，则晶界渗透越严重。
芯材晶界类型对晶界渗透程度有显著的影响。晶界角度越大，则晶界能越大，越有利于熔融钎料对芯材的润湿和渗透。有文献表明[6,14]，当芯材晶界角度大于7°时，芯材晶界能够被熔融钎料部分润湿和渗透。而当芯材晶界角度大于15°时，芯材晶界能够被熔融钎料完全润湿。涂益友等人的研究表明[15]，粗大的晶粒组织中小角度晶界所占比例更高，晶界渗透的程度也大大减轻。在晶界特征中，除了晶界角度外，晶界中的点阵重合度CSL(Coincidence Site Lattice)也对晶界渗透有极大的影响。童贞等[16]研究了CSL与晶界渗透速率的关系结果表明，CSL与渗透速率有着比较好的对应关系，即随着CSL的增大，
渗透速率也呈逐渐变大的趋势。
因此，为了减轻熔蚀，要尽量使微观组织的晶粒粗大，并获得更多的低CSL值晶界。在铝合金中合金化元素、热加工工艺和钎焊制度等因素都会影响钎焊时的晶粒组织，为了获得理想的晶粒组织，大多从这些方面着手。
2.1 合金化元素
合金元素是影响熔蚀过程的主要因素，其主要是通过影响芯材的晶粒组织、控制Si元素的扩散及影响固液之间相互作用起到影响熔蚀过程的作用。
1)Si元素
钎料中Si元素的含量越高，熔蚀越严重。Jes-Sung Ryu等[3]对Al-7.5Si/Al-1.2Mn-2Zn- (0.04-1.0)Si/Al-7.5Si三层复合钎焊铝箔钎焊性能的研究结果表明，芯材在退火过程中形成弥散的AlMnSi相，当芯材w(Si)=0.04%～0.64%时，复合箔在钎焊过程中形成了粗大的再结晶晶粒，表现出良好的抗下垂性能；w(Si)=1.05%的复合箔，在钎焊过程中大量析出的第二相钉扎位错和亚晶界，抑制再结晶形核，从而造成芯材在钎焊后获得的是不完全的再
结晶组织，熔蚀严重。
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