铝合金真空钎焊用低温铝基钎料的研究
北京华航无线电测量技术研究所于文花 肖爱群
北京航空航天大学庄鸿寿
摘要为了避免在铝合金焊接中产生晶粒长大、溶蚀等缺陷，提高铝合金的钎焊质量，本文在Al－Si共晶钎料的基础上加入合金元素Cu和其它微量元素，研制新的低熔点钎料，最后确定新钎料为Al19Cu9Si。该钎料的熔点为543℃，比BAl86.5SiMg钎料的熔点降低了40℃，试验结果表明新钎料具有良好的润湿性、流动性，接头的剪切强度、抗腐蚀性能均满足铝合金钎焊要求。
关键词真空钎焊 铝合金 铝基钎料
1 引言
铝合金由于具有密度小、比强度高等优点，在航空、航天工业中已获得愈来愈广泛的应用。例如很多传统的铜合金波导、高频器件已被铝合金所取代，利用钎焊方法制造复杂的铝结构是最理想的方法。共晶铝硅钎料因具有良好的润湿性、流动性、钎焊接头的抗腐蚀性和可加工性，是铝合金钎焊中应用最广的一种铝钎料[1]。但它也具有严重缺点：熔点较高（液相线温度为577℃），钎焊温度均在600℃以上，所以钎焊温度非常接近于合金的固相线温度，易使母材发生晶粒长大、溶蚀等现象。目前，美国、日本、欧洲等研究机构对铝合金用低温铝基钎料进行了大量的研究。日本的茅本隆司、恩泽忠男[2]等人研究发现锗、铟、镱和铜均可作为铝硅钎料的添加剂，降低钎料的熔点，但锗、铟、镱的加入会使钎料脆性和耐腐蚀性均遭到恶化，且价格昂贵，难以应用于实际生产；铜元素的加入量多时也会使钎料变脆及钎焊时出现对母材的溶蚀，很难得到性能优良的钎焊接头。为此，所研制的新钎料既要具有较低的熔点，又要保持良好的机械性能。
本文通过分析既能降低铝熔点又能与铝形成共晶合金的元素特性，选择合适的能降低铝熔点的元素，对成分进行优化试验，同时考虑钎料的流动性和组织特性，在钎料中加入适量提高钎料流动性和细化组织的微量元素，经过试验确定铜、铋及微量元素为添加剂，配制新钎料，对新钎料进行熔点、润湿性、流动性、金相组织以及接头剪切强度、环境试验。
2 钎料的配制
为了降低钎料的熔点，必须寻找能降低铝熔点的元素，能与铝形成共晶的合金见表1。
表1 共晶元素及共晶温度
合金元素 Al-11.5Si Al-72Ag Al-32.7Cu Al-51.6Ge Al-94Zn
共晶温度/℃577 567 548 420 381
由表1可知Al-72Ag的共晶温度567℃，与铝硅共晶温度差不多，并且这种合金很脆，抗腐蚀性也不高，不宜作钎料；Al-32.7Cu，熔点548℃，此合金因含铜量高，脆性大；Al-Ge、Al-Zn共晶温度仅400℃左右，对降低钎料的温度作用极佳，但Ge是贵重元素，价高并且极脆，而Zn极易挥发，不易用于真空钎焊[3]。
分析能与铝形成共晶的合金特点，二元合金的熔点不能满足要求，必须加入第三种元素。在Al-Si-Ag 三元合金中有一共晶成分，其熔点为563℃，它与Al-Ag共晶熔点相差不大，无实用价值。
在三元合金中，只有Al-Si-Cu合金最有希望，
收稿日期：2005-09-26
Al-Si-Cu三元合金的液相线如图1。
图1 Al-Si-Cu合金的液相线温度
由图1可以看出，该合金中有一三元共晶点E5，其成分为Al-28Cu-5.5Si，熔点为525℃，能满足钎料熔点要求，但该合金较脆，为了降低脆性，必须对成分进行优化，其措施是减少含铜量，提高含硅量，最终使合金的熔点和韧性都能满足要求，经多次试验，优化后的成分是Al-19Cu-9Si。
钎焊铝波导时要求钎料具有良好的流动性。为了提高钎料的流动性，可在钎料中加入Bi、Sn、Zn等元素[4]，而锡、锌将降低钎料的抗腐蚀性，故采用加铋的方法，当加铋量达到0.2％后，钎料的流动性已明显改进，继续提高加铋量，对改善钎料流动性的作用已不太明显，故加铋量定为0.2％。
铝钎料可通过加入微量的变质剂，细化其组织，达到改善钎料性能的目的[5]，稀土元素是一种有效的变质剂。研究了混合稀土等变质剂对钎料组织的影响，混合稀土因价廉物美，作为重点研究对象。在钎料中加入适量混合稀土能起细化钎料组织作用。最后确定的钎料成分为19Cu、9Si、0.2Bi、适量混合稀土，余量Al，由于钎焊是在镁蒸气保护下的真空中进行，钎料本身不含镁。
3 试验及结果分析
3.1 低温钎料的钎焊性能试验
3.1.1 钎料的润湿性试验
根据国标GB11364―89[6]，在试片（母材为LF21）40×40×1上放置块钎料，取等质量的低温钎料和BAl86.5SiMg钎料进行润湿性对比试验。其试验结果见图2。
图2 钎料润湿性对比
D—低温钎料 G—BAl86.5SiMg钎料
从对比试验可以看出，低温钎料的润湿性能比BAl86.5SiMg钎料的有所改善，这是因为在Al-Si钎料中加入Cu后，钎料的润湿性显著增加[7]，从而保证了LF21钎焊质量。
3.1.2 钎料的流动性试验
a. 相互垂直的两块板的一端放置钎料，观察流动长度。试验结果：流动长度40mm；
b. 在波导与波导之间进行流动性试验，波导一端切割90°和45°角，并将两波导和盖板进行氩弧定位，在波导一侧放置钎料，观察另一侧的流动情况。试验结果：两侧流动均良好；
c. 在波导与法兰盘之间进行流动性试验，观察钎料的流动性情况。试验结果：在一面放置钎料，两面流动均良好。
3.1.3 钎料熔点的测试
利用XWT-464 DTA型差热分析仪对钎料进行熔点测试，低温钎料差热分析结果如图3。图3表示加热曲线上测定的固相线温度为519℃，液相线温度为543℃。冷却曲线上测定的固相线温度和液相线温度要低些，这是因为冷却时都会发生过冷现象。钎焊是一个钎料加热和熔化的过程，故取加热时的数据，因此，钎料的液相线温度比铝硅共晶钎料低40℃左右，钎料的熔化温度间隔也较小。
图3 钎料差热分析结果
