铜管/铝阀体异种材料炉中钎焊技术研究

0 序言

目前，在制冷设备上的截止阀材料主要是黄铜，因其具有良好的力学性能和热加工性能而被广泛应用。但是，随着现代人对健康及环保意识的增强，黄铜因其成分中含有对人体具有毒性的铅，所以受到一定程度的限制。因此，寻找一种材料来代替黄铜在制冷设备上的应用成为了迫在眉睫需要解决的问题。截止阀又称截门阀，属于强制密封式阀门，在阀门打开或关闭时，必须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏，所以阀体对材料强度、硬度以及耐腐蚀性有一定的要求。铝合金因其具有良好的机械加工、热成形及耐腐蚀的性能，另外，与铜相比成本低、密度小，其中2系硬铝合金是以铜为主要合金元素，属于中强度铝合金，抗拉强度可达370 MPa，硬度达到HV120～HV130，虽然强度比黄铜略低，但是可以满足在制冷设备截止阀的强度要求，使其成为代替黄铜的较理想材料。

随着异种金属连接技术的不断发展，铜/铝异种材料焊接技术也得到了快速提高。目前实现铜/铝焊接方法包括熔焊、 炉焊、 钎焊以及火焰焊［1－4］等。其中，铜/铝焊接接头强度低、脆性大、易产生裂纹等是熔化焊显著特点；钎焊以及火焰焊虽然可获得优良的效果，但是需要控制钎料成分、钎焊工艺以及工人熟练的操作技术，难度比较大。炉中钎焊相对于火焰钎焊来说操作简单，可添加保护气氛，防止再氧化，适合批量生产。因而，在现如今制冷行业蓬勃发展的大背景下，铜/铝炉中钎焊技术具有较广泛的发展前景。

1 试验材料及方法

1．1 钎料的选择

铜/铝炉中钎焊技术最关键的一步是钎料的选择。目前铜/铝钎焊常用的钎料包括Al－Si系、Al－Zn系和Zn－Sn系等。其中Al－Si系钎料在铝/铜上都有粘附，钎料易聚堆，流动性差，钎接强度不高［1］，且熔点较高，钎焊温度可达590～610℃［2］，若操作不当易使母材产生过烧现象。Zn－Sn系钎料所钎焊的接头强度不高、耐腐蚀性能差［3-4］，且易与助钎剂发生化学反应而出现气孔［5］。针对这些现象，可对已有的Al－Zn－Si系钎料进行二次开发。由文献 ［6］可知，通过添加Cu可进一步提高Al－Zn钎料的铺展性和钎缝强度，由于钎料中CuAl2金属间化合物含量较高，因此很脆，只适合铸成条状使用，难以加工成丝；另外，在Al－Si系钎料中加入Zn后，钎料的润湿性和流动性都得到加强，随着Zn含量的增加，Si的溶解度迅速下降，化合物难以生成，故加工性能比Al－Si－Cu系的好。通过加入Sn可与Zn合金化提高钎料的耐腐蚀性能［7］。 该系钎料主要成分包括 Al－Si－Cu－Zn－Sn，其液相点温度范围为550～577℃，其主要成分见表1。

表1 试验用钎料名义成分 （质量分数） （%）

根据所选钎料的成分，利用JMatPro材料性能模拟软件计算得到钎料随温度熔化曲线 （图1），同时，由文献 ［8］可知，钎料在低于560℃时熔化程度低于70%，钎焊性能较差；当钎焊温度在560～590℃（图1中虚线区域）时，钎料熔化程度较高，钎料的铺展性及粘附性能较好。本文在此基础上设计了5组钎焊温度，研究不同温度下的钎焊质量。

图1 钎料随温度熔化曲线

1．2 试验方法

采用炉中钎焊方法钎焊铜管与铝阀体。铜/铝直接钎焊的难度较大，钎焊时应先分别使用腐蚀性强的氢氧化钠和硝酸清洗，以去除铜/铝表层氧化膜。然后将铜管 （TP2）插入铝阀体 （2系铝合金）中，钎料制成环状套在铜管上，并沿铜管滑落至与铝阀体接触，在钎料周围涂抹膏状助钎剂，如图2所示。设置5组不同温度 （520，540，560，570，590℃）试验参数，平稳放入钎焊炉中，5～8 min取出，然后将钎焊试样用常温水 （25℃）浸泡冷却。应当指出，铝与铜的热膨胀系数相差大，钎焊时易产生热应力，并且间隙越大，钎料层愈厚，产生的热应力愈大，引起的焊接变形也越大，严重时可使钎焊接头产生裂纹［9］。因此，铝/铜异种金属钎焊时接头间隙的选择尤为重要，依据金属的线膨胀系数最终确定铜铝间的间隙为0．05 mm。由于高温下铝、铜在空气中极易被氧化，因而在5组铝/铜的钎焊试验中均向炉中通入保护性气体——氦气。

图2 钎焊过程示意图

钎缝组织分析：对经过外观及气密性试验的560，570℃钎焊温度下的钎焊试样进行轴向剖切，切取铜铝钎焊部位金相试样。经砂纸磨平、抛光、腐蚀 （腐蚀剂为混合酸， 配比为 φ（HF）0．5%+φ（HCl）0．5%+φ（HNO3）1．5%） 后， 采用 EDS 扫描及电子显微镜对焊缝组织进行观察，并分析其组织成分。

钎焊质量验证：根据空调行业内客户的标准及JB/T 10648—2006标准执行，即外观、气密性检测、硬度检测、钎焊质量等方面进行检验。

2 试验结果与分析

2．1 钎缝外观质量

分别对5组温度下的钎焊试样进行质量分析：当炉温为540℃时，由于钎焊温度偏低，钎料熔化程度低于40%而使其仍为条状粘附在铜管上，未能将铜/铝焊合；当钎焊温度为550℃时，钎料虽然熔化60%，但其在铜/铝上的铺展性较差，钎料发生堆积（图3a），流入缝隙中的深度较浅，小于钎缝总长度的60%，达不到标准要求；当温度升高至560～570℃时，钎料熔化程度达到75%～80%，钎焊处表面圆角过渡均匀 （图3b），无明显气孔、砂眼等外观缺陷；当钎焊温度达到590℃时，钎料虽已完全熔化，但由于温度过高而产生母材溶蚀现象 （图3c）。随着温度的升高，钎料在铜和铝上的流动性增强，钎焊质量得到明显提高，但当温度达到590℃左右时会产生母材过烧现象，所以在使用炉中钎焊时，温度选择应在560～580℃范围内。

图3 3组温度下钎焊试样的质量

2．2 钎缝组织分析

图4为560，570℃炉温时钎焊试样钎缝横截面的显微组织形貌及EDS扫描结果。

图4 Cu/Al钎焊试样钎缝横截面结构图及EDS扫描结果

从图4看出，2种温度下钎料均能与铜/铝母材形成良好的冶金结合，且结合界面处无明显孔洞、裂纹等缺陷。图4a为钎焊温度560℃时钎缝界面的显微组织，可以看出，在钎缝与铜侧母材之间存在一层薄的浅灰色连续界面区A，厚度为6～7 μm；图4c为570℃时钎缝的组织形貌，同样，在钎缝与铜母材之间有一层浅灰色连续界面区B，但厚度较界面A的薄，为4～5 μm。经对S1点 （即铜与焊缝中心间的化合物层）进行EDS扫描结果分析，w（Cu）59．94%， w（Al）18．48%， w（Zn）21．58%， 与钎料中 3种元素含量有较大差别，这也说明钎焊过程中钎料与母材有较为明显的元素扩散行为。同时也与钎焊温度较高时铜与铝、锌的互溶度较大，且铜与铝在高温下易形成多种金属间化合物，主要有Al2Cu，AlCu2， AlCu， Al2Cu3 等［10］， 而铜与锌能形成 Cu－Zn固溶体及CuZn，CuZn2，CuZn3等金属间化合物，这些金属间化合物是区域A和B的主要成分。

由于2种温度下钎料成分相同，且放大1 000倍后钎缝组织相同，现只取570℃下钎缝中心显微组织进行分析。图4d为图4c中P区域放大图，可清晰地看到钎缝中心区的显微组织主要由亮白色物相E，灰色物相F，均匀分布细小颗粒物相I和黑色颗粒物相J组成。对钎缝中心区域进行EDS扫描及参考文献 ［11］分析可知，亮白色物相E为η－Zn，灰色物相F为α－Al固溶体，区域I为Al－Zn共晶组织，直径约为2 μm的黑色颗粒J为Si单质。由EDS扫描结果可知，钎缝中心区域的Cu含量高于钎料中的，说明钎焊过程中Cu的扩散较为明显，与中心区域Zn和Al形成共晶组织，提高钎焊部分质量。另外，钎缝中心7．66%的氧是由于钎焊过程中虽然通入了氦气保护气体，但是由于钎焊炉设备简陋，密封性差，在钎焊过程中难免会发生钎料的氧化现象。

值得注意的是，钎缝中心组织主要是由固溶体和共晶组织组成，未发现Cu－Al和Al－Zn金属间化合物。根据文献 ［8，12］及以前的研究结果，采用Al－Zn－Si－Cu－Sn 钎料钎焊铜/铝接头中均存在块状的CuAl2金属间化合物，增加了钎缝部分的脆性，恶化了接头的性能。而钎缝中心区的固溶体和共晶组织有利于提高钎焊接头的韧性，可提升其力学性能。2种钎焊温度下钎缝均存在金属间化合物，但在570℃温度下化合物层明显比560℃温度下化合物层薄，故钎焊性能较高，即较薄的金属间化合物层的界面结构会更有利于提高铜/铝钎焊处的性能。而在铝与钎缝中心侧，由于温度较高，铝侧母材熔化并与钎料发生熔合现象 （图5a），提高了钎缝性能。在钎料与铝母材熔合部分存在黑色长条状物相K，经分析可知，黑色物质是铝阀体上未清洗干净的氧化层。

图5 570℃炉温下铝与钎缝中心侧显微组织

2．3 接头气密性试验

分别对钎焊温度为560，570℃的5个钎焊试样进行低压和高压检测，验证其高低压环境中的气密性。

（1）低压：用水检测，按4．0 MPa规定最高工作压力充入高压N2（或经过滤的高压干燥空气），将阀体浸入纯净水中3 min，并观察有无气泡产生，结果显示均无气泡出现，低压测试均合格。

（2）高压：将阀体按规定力矩固定在高压检测器的黄铜接口上，在5倍最大工作压力20．0 MPa下保持3 min，为方便观察钎焊试样是否能够满足高压要求，并为了防止因钎焊不牢固使铜管飞出，在精密压力器中通入水，观察阀体各部位有无异常变形和渗漏 （工作压力为4．0 MPa）。结果显示，5组试样均无渗漏和钎焊部位的变形，满足高压测试要求。

3 结论

（1）在560℃和570℃，铜与钎料界面处金属化合物主要是CuAl2，且化合物层厚度较薄，为6～7 μm和4～5 μm。钎缝中心区的固溶体和共晶组织，未发现金属间化合物，亮白色物相为η－Zn，灰色物相为α－Al固溶体，共晶组织为Al－Zn，黑色颗粒为Si单质。

（2）对钎缝中心区组织分析，570℃炉温下铜与钎缝侧化合物层比560℃钎焊温度下的薄，钎焊性能更好。

（3）铜/铝异种材料炉中钎焊在560～570℃下钎缝成形良好，钎缝表面无气孔、裂纹等缺陷，经低压4．0 MPa和高压20．0 MPa气密性能检测，结果合格，满足要求。