铜/铝超声波液相扩散钎焊及界面微观组织结构性能

摘要

铜/铝异种钎焊接头已经在现代工业中得到了广泛应用，这不仅可以实现以铝代铜，节省铜资源，还能充分发挥铜和铝各自的性能优势，达到性能的优化结合。超声波液相扩散钎焊技术是利用超声波振动对铜/铝异种接头实施钎焊连接，是一种结合了超声波钎焊和扩散钎焊的新型钎焊技术。超声波液相扩散钎焊技术尤其适用于形状复杂、间隙狭小结构的连接，具有广泛的应用前景。
　　 本课题采用Sn-9Zn共晶合金，利用超声波液相扩散钎焊工艺，实现铜/铝异种金属接头的钎焊连接。基于高低温冲击试验和盐雾试验，确定最佳钎焊工艺参数为：铝线预镀锡温度为380℃，接头钎焊温度为330℃、超声波功率密度为0.30W/mm2，钎焊时间为4s。
　　 利用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析仪、X衍射仪、显微硬度计等测试手段，对铜/铝钎焊接头钎缝及界面附近的显微组织、微观相结构、断口、元素分布以及接头力学性能等进行了试验分析，对铜/铝钎焊接头的成形机制、界面元素扩散机理以及超声波对钎焊接头成形影响等进行了分析和探讨。试验表明，铜/铝接头钎缝区主要由灰色基体β-Sn相和黑色针状富Zn相组成，在Al基体侧界面附近出现了针刺状晶须嵌入钎料中，并首次发现在Cu侧界面附近也存在针刺状晶须。此外，铜/铝钎焊接头界面附近发生了一定的元素的互扩散，Cu/钎缝界面附近伴有少量的金属间化合物生成，其界面附近的显微硬度明显高于Cu侧界面附近组织的显微硬度。接头断口分析表明，接头断裂处均发生在靠近Cu侧界面附近，其断裂特征属于典型的塑性断裂，具有一定的抗蠕变裂纹性能。分析发现，超声波的空化和声流作用在钎焊过程中不仅能有效促进钎料的润湿作用，加速界面原子间的相互扩散，还能破坏并清除母材表面氧化膜以及钎料中的夹杂物，进而获得性能优良的钎焊接头。另外，在钎焊接头形成过程中，钎料首先从靠近Cu侧和Al侧界面开始结晶，且Al元素的扩散速度比Cu元素快，扩散行程也长。