铝合金真空钎焊_庄鸿寿

摘要：镍基高温钎焊合金具有优异的高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性，同时又具有良好的钎焊工艺性能。

镍基钎料焊接的部件，工作温度通常可高达1000℃，所以镍基钎焊合金成为各种不锈钢、耐热钢，尤其是各类高温合金广为采用的一种高温钎料。

一、镍基钎料中合金元素及其作用镍的塑性极佳，但常温和高温下强度均不高，因此，必须加入能与镍形成共晶或低熔固溶体等降低镍合金熔点的元素，同时还应增添强化元素，才能组成合适的钎焊合金。

[1]镍基钎料以镍为基体，并添加能降低其熔点及提高强度的元素组成。

镍基钎料具有优良的抗腐蚀性和耐热性，钎焊接头可以承受的工作温度高达1000℃。

常用于钎焊不锈钢、镍基合金和钴基合金。

镍能与S、Sb、Sn、P、Si、B、Be 等形成低熔点共晶，但从高温钎料的角度出发，只有添加P、Si、B等元素比较合适。

由镍合金相图和钎焊性能试验得知，硼和硅能显著降低镍的熔点，而又不致损害镍合金的高温性能，硼尚能增加镍合金的强度。

另外，硼和硅可有效地改善钎料的润湿性和流动性，由于硼、硅对氧的亲和力相当大，能还原基体金属表面以及钎料表面的氧化物，生成熔点较低的氧化硼、硅酸硼并进一步与其它高熔点氧化物形成低熔点和低粘度的复合化合物，从而起到良好的自钎作用，故硼和硅是各类镍基钎焊合金使用较普遍的二个合金元素。

[2]根据Ni-B相图，硼可使镍硼系熔化温度迅速下降，当硼含量达到16.6%（原子分数）时形成Ni和Ni3B的共晶组织，熔点为1080℃。

硼不溶于镍。

从Ni-Si相图，当硅含量11.4%（原子分数）时镍同Ni5Si2形成共晶，熔点为1150℃。

共晶体为α镍固溶体和Ni3Si，硅在镍中的饱和溶解度达8.7%。

磷能大大降低镍的熔点，从Ni-P相图，当磷含量达11%（原子分数）时形成熔点为880℃的共晶。

磷不溶于镍，磷和镍形成一系列脆性化合物。

此外，Si能降低熔点的同时还增加流动性。

B和P是降低钎料熔点的主要元素，并能改善润湿能力和铺展能力。

Ag-Cu共晶钎料的真空钎焊紫铜工艺刘浩博;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】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＜8×10－32 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，而钎缝中心为由白色组织和黑色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，是一些白色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中白色组织为银基固溶体，黑色为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.［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.［3］刘长江，唐耀阳，崔西会.汽轮机冷凝器风头的TIG钎焊［J］.焊接，2005（2）：44－45.［4］李光明，韩仁通，刘殿宝，等.不同焊接条件下TIG焊接紫铜厚板的热效应研究［J］.材料科学与工艺，2009，17（1）：13－16.［5］王希靖，达朝炳，李晶，等.紫铜的搅拌摩擦焊工艺与接头性能分析［J］.兰州理工大学学报，2006，32（4）：25－28.［6］李玉龙，王贲，王非凡，等.T2紫铜薄片的超声波焊［J］.材料科学与工艺，2009，10（17）：163－165.［7］Karamis M B，Tasdemirci A，Nair F.Microstructure analysis and discontinuities in the braze zone of copper tubes［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003（4）：302－312.。

ElectricWelding MachineVol.52No.6Jun.2022第52卷第6期2022年6月Ti150与TC19异种钛合金钎焊工艺与接头性能研究淮军锋1，2，尚泳来1，2，任海水1，2，丁宁3，静永娟1，2，郭万林1，21.中国航发北京航空材料研究院焊接与塑性成形研究所，北京1000952.北京市航空发动机先进焊接工程技术研究中心，北京1000953.空军装备部驻北京地区第六军事代表室，北京100024摘要：高温钛合金Ti150是能在600℃环境下长期服役的新型高温钛合金，TC19钛合金是一种富β的α+β两相钛合金，具有高强度、高韧性的特点。

采用Ti-21Cu-13Zr-9Ni （wt .%）非晶合金箔带作为钎料，进行了Ti150高温钛合金与TC19钛合金的真空钎焊连接工艺研究。

通过扫描电镜分析接头组织，利用万能试验机测试接头室温和高温拉伸强度。

结果表明：在930℃/35min 钎焊条件下，接头室温抗拉强度955.3MPa ，500℃高温抗拉强度达到540.0MPa ，550℃高温抗拉强度达到505.6MPa ，接头室温拉伸试样断裂于焊缝，断口总体为脆性断裂，接头高温500℃、550℃拉伸试样均断于Ti150基体上或近Ti150端面上，Ti150基体端断口有明显的延伸塑性变形。

关键词：Ti150高温钛合金；TC19钛合金；异种材料连接；钎焊；力学性能中图分类号：TG454文献标识码：A文章编号：1001-2303（2022）06-0093-06Research on the Brazing Process and Joint Properties of Ti150/TC19Dissimilar Titanium AlloysHUAI Junfeng 1,2,SHANG Yonglai 1,2,REN Haishui 1,2,DING Ning 3,JING Yongjuan 1,2,GUO Wanlin 1,2boratory of Welding and Forging,Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China2.Beijing Engineering Technology Research Center for Advance Welding of Aero-Engines,Beijing 100095,China3.The Sixth Military Representative Office of Airforce in Beijing,Beijing 100024,ChinaAbstract:High temperature titanium alloy Ti150was developed for the aero-engines with high thrust-weight ratio and with long-term service temperature of 600℃.TC19is a two-phase (α+β)titanium alloy with high strength and toughness.The vacuum brazing process of the two titanium alloys was conducted using Ti-21Cu-13Zr-9Ni （wt .%）as filler metal.The joint microstructure and element distribution of joint were analyzed by means of SEM and EDS,meanwhile the tensile strength of the joint was measured at the room temperature and high temperatures by universal testing machine.The results showed that under the brazing condition of 930℃/35min,the joint tensile strength at room temperature reached up to 955.3MPa,and the strength of 540.0MPa and 505.6was maintained at 500℃and 550℃,respectively.The tensile specimens at room tem ‐perature fractured within the brazed seam and the fractured surface exhibited brittle characteristics.The tensile specimens fractured within the Ti150metal substrate when tested at 500℃and 550℃,and plastic deformation was observed at the fractured surface.Keywords:Ti150high temperature titanium alloy;TC19;dissimilar material connection;brazing;mechanical properties引用格式：淮军锋，尚泳来，任海水，等.Ti150与TC19异种钛合金钎焊工艺与接头性能研究［J ］.电焊机，2022，52（6）：93-98, 104.Citation:HUAI Junfeng,SHANG Yonglai,REN Haishui,et al.Research on the Brazing Process and Joint Properties of Ti150/TC19Dissimilar Tita ‐nium Alloys[J].Electric Welding Machine,2022,52(6):93-98,104.*收稿日期：2022-04-15基金项目：国家自然科学基金资助项目（51804286）；北京市自然科学基金资助项目（3212014）作者简介：淮军锋（1980—），男，学士，工程师，主要从事钎焊材料及钎焊工艺研究。

初探铝合金真空腔的制造与焊接作者：金京来源：《西部论丛》2018年第11期摘要：本文主要阐述铝合金超高真空腔的制造与焊接程序，藉由电子储存环大型铝合金超高真空腔为例，叙述铝合金真空腔制程设计考虑，通过无油酒精加工、清洗、焊接等程序，微小的加工与焊接变形量被有效地规划并适宜地获得控制。

1.铝合金真空腔简介真空环境广泛地被运用在各领域，举凡日常生活、食品、精密半导体产业及同步加速器实验设施等，从粗略真空到超高真空环境，不外乎与真空都有相关应用。

[1]近年来，随着半导体与面板设备尺寸的增大，制程用真空腔及组件体积亦随的大增；然而大部份的真空组件与设备，均采用不锈钢、铜合金与铝合金作为真空腔体的材料。

此时若采用焊接性优良的不锈钢材质其设备增大外，腔体重量更备受考验。

[2， 3]因此，以铝合金材質作为腔体材料受到业界的亲睐及重视，铝合金在真空方面拥有极低的真空表面释气率、高热导系数与无残留辐射且易加工等特性，广泛地被设计使用于同步辐射加速器的真空组件与设备。

然而铝合金的制造与焊接技术要运用到超高真空设备，仍受限于需再经一系列的处理过程，以降低焊接缺陷与表面释气进而达到真空气密与低释气要求。

铝合金作为真空系统材料主要有诸多优点，如拥有极低的真空表面释气率、光子引发释气率低、易挤制成形、易切削加工与无残留辐射；采用热导率高的铝合金材料作为真空腔，可有效地解决热量移除的问题，降低电子储存环真空腔内壁，由于光子撞击真空腔壁的功率极高，避免材料受热产生局部溶解现象。

真空系统中常用的合金铝为 A6061-T651 合金，也就是铝 -镁 - 硅（Al-Mg-Si）合金，部分组件设备也有使用 A5083 或 A5052 的铝 - 镁（Al-Mg）合金，由于分属热处理与加工硬化型态合金，因此在制造与焊接上亦需多加留心相关制程的差异。

2 真空腔制造与清洁由于电子储存环所采用铝合金超高真空腔，属上、下片组合焊接的大型真空系统。

摘要钛合金具有强度高、耐蚀性好及高温机械性能优良等优点，能够广泛地适用于航空、航天、军事等特殊和重要的工业领域。

但是钛合金可加工性能差，并且价格较贵，寻求钛合金可靠的连接方法至关重要。

Ti-6Al-4V，是钛合金中使用最多的合金之一。

不锈钢是一种常用的工业和生活材料，具有许多优异的性能，应用十分广泛，且成本相对较低，然而钢铁的耐蚀性比较差，并且钢铁的比重较大。

因而在某些情况下需要将钢与钛连接起来应用，才能充分发挥各自的优点。

钛合金和钢焊接时接头易产生金属间化合物(Ti2Fe、TiFe、TiFe2等)，焊接后接头内应力很大，造成接头性能较差。

探索更为科学、高效的TC4钛合金和不锈钢焊接方法和焊接工艺，获得性能较好的接头，意义重大。

钛合金和不锈钢的主要焊接方法为真空钎焊。

真空钎焊具有焊接温度较低、钎焊试样不易受杂质气体污染、焊接变形小、残余应力小等特点。

非晶钎料是一种新型的钎料，具有熔点低、焊接性能好，焊接方便等一系列的优点，故选择非晶钎料代替传统的晶态钎料进行真空钎焊。

钛基非晶钎料作为真空钎焊TC4钛合金的重要非晶钎料，具有易于和母材产生相互扩散、成本较低等特有的优点。

本实验采用传统的钛基非晶钎料Ti37.5Zr37.5Ni10Cu15真空钎焊不锈钢和TC4钛合金。

另外通过在钎料Ti37.5Zr37.5Ni10Cu15添加一定量的合金元素Sn，制备出新的钛基非晶钎料Ti33.75Zr33.75Ni10Cu15Sn7.5和Ti32.5Zr32.5Ni10Cu15Sn10，在钎焊TC4与TC4时希望能够降低钎料的熔点，提高可焊性，并保证钎焊接头的力学性能。

对钎料进行XRD测试可以确定三种钎料均为非晶态，对钎料进行DSC测试能够得到钎料的熔点，并且发现Ti32.5Zr32.5Ni10Cu15Sn10非晶钎料的熔点有所降低。

在保温时间为10 min下，选取若干个不同的钎焊温度进行钎焊实验。

对钎焊试样进行显微组织观察和机械性能测试。

焊接技术第３６卷第１期２００７年２月铝及铝合金以其优良的物理、化学性能，良好的加工、表面处理和耐蚀性能，在当代工业材料中占有很重要的地位，被广泛应用于航天航空、建筑、电器、汽车和船舶等部门［１，２］。

又由于其比强度高、耐腐蚀性好等优点，是代替钢材等作为结构材料的理想材料，同时也是当今所需要的绿色环保、节能材料。

而纯铝、铝合金的连接及其加工工艺在其中起着非常重要的作用［３］。

在众多的连接方法中，钎焊作为一种能够可靠地连接铝及其合金结构件的连接方法而被广泛应用。

但铝及其合金具有硬度低、焊接时表面氧化膜难去除等缺点，与之匹配的中温钎料、钎剂研究不成熟，而使得铝及铝合金的更广泛的应用受到了限制。

传统的Ａｌ－１２Ｓｉ钎料（共晶点温度５７７℃）可以钎焊某些铝合金而得到可靠的接头，但是和这些铝合金的熔化温度相比，钎焊温度又过高，经常会发生铝合金母材过烧及元器件损坏现象，因此只能钎焊纯铝和少数几种熔点较高的铝合金，如６０６３，３Ａ２１等。

而像７Ａ０４，７Ａ０５等铝合金由于固相线温度低于Ａｌ－Ｓｉ钎料熔点，故不能用该钎料来钎焊。

为了解决这些问题，许多研究人员都在研究一种能够钎焊绝大多数铝合金而又具有满意连接强度的低熔点钎料。

Ｋａｙａｍｏｔｏ等人研究了一系列可用于焊接６０６１铝合金且具有低熔点和足够接头强度的Ａｌ－Ｇｅ－Ｓｉ－Ｍｇ钎料。

然而，Ｇｅ的价格使得这种钎料过于昂贵。

Ｈｕｍｐｓｔｏｎ和Ｊａｃｏｂｓｏｎ等人报道了一种熔化区间在５１８￣５３８℃之间的Ａｌ－５Ｓｉ－２０Ｃｕ－２Ｎｉ钎料。

Ｓｕｚｕｋｉ等人也曾研究过一系列三元共晶的Ａｌ－Ｓｉ－Ｚｎ钎料［４］。

而笔者主要是研究了一系列Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｚｎ系钎料，该系列由于Ｃｕ，Ｚｎ元素的加入，不仅使得该系钎料熔点降低（大约在５００～５７７℃），而且具有良好的流动性、润湿性。

１试验材料及设备本试验所用母材为１０６０纯铝和６０６３铝合金，母材有关的性质［２］见表１。

钎料为自制的Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｚｎ钎料，其成分见表２。