合金元素对铝/铜熔钎焊接头界面结构和力学性能影响机制研究

Due to the shortage of traditional welding methods in structure adaptability, joint quality and other aspects, welding-brazing method with filler wire for Al/Cu dissimilar metals which controls the interface structure based on alloying element is proposed. That is, to control interface structure and improve the mechanical properties of joints by controlling the type and content of alloying element in the filler wire. On the basis of designing filler wire for welding-brazing of Al/Cu dissimilar metals, the influence mechanism of alloying element on the wettability and spread dynamics of liquid solder, the formation mechanism of interface reaction layer and the reaction layer growth kinetics equation are obtained by studying the characteristics of Al/Cu dissimilar metals welding-brazing, microstructure and mechanical properties of Al/Cu welding-brazing joints as well as interface reaction mechanism and interface layer growth behavior of Al/Cu welding-brazing as point of penetration. The influence mechanism of alloying element on interface structure and mechanical properties in Al/Cu welding-brazing joints is clarified. Aimed at controlling the composition and thickness of reaction layer, the optimization of interface structure is achieved and high quality joining is obtained. With the presentation of this method, new idea is provided for high quality joining of Al/Cu dissimilar metals, which also has important reference value for other dissimilar difficult-to-be-welded metals.

针对传统焊接方法在结构适应性、连接质量等方面的不足，提出基于合金元素控制界面结构的铝/铜异种金属填丝熔钎焊方法，即通过控制焊丝中合金元素的种类和含量达到控制接头界面结构，改善接头力学性能的目的。在设计铝/铜异种金属熔钎焊用焊丝基础上，以研究铝/铜异种金属熔钎焊特性、铝/铜熔钎焊接头微观组织与力学行为以及铝/铜熔钎焊界面反应机理和反应层生长行为为切入点，获得合金元素对液态钎料润湿性和铺展动力学的影响规律，揭示界面反应层形成机制，建立反应层生长动力学方程，阐明合金元素对界面反应和反应层生长行为的作用机理。以控制反应层组成和厚度为目标，实现对界面结构的优化，获得高质量接头。本方法的提出，为实铝/铜异种金属的优质连接提供新的思路，对于其它异种难焊金属的连接问题也有着重要的参考价值。

针对传统焊接方法在结构适应性、连接质量等方面的不足，提出基于热源和合金元素控制界面结构的铝/铜异种金属填丝熔钎焊方法，通过控制焊接热源和焊丝中合金元素的种类和含量为手段，以控制反应层组成和厚度为目标，实现对界面结构的优化，获得高质量接头。. 采用Al-Si和Zn-Al药芯焊丝，在TIG和激光热源作用下开展铝/黄铜熔钎焊研究。Al-Si药芯焊丝润湿铺展性较差，难以获得成形良好、性能较好的接头。Zn-Al药芯焊丝润湿铺展性较好，可以获得成形良好、性能较好的接头。研究了熔钎焊工艺与接头成形、接头微观组织与界面结构、接头力学行为与断裂模式，获得不同热源下焊接工艺参数及合金元素对焊丝润湿性和铺展的影响规律，揭示界面反应层形成机制，建立反应层生长行为。. 采用TIG作为热源、Zn-2%Al药芯焊丝作为填充材料所得熔钎焊搭接接头可分为三个区域：铝母材侧熔化焊焊缝区、焊缝中心区、黄铜母材侧类钎焊焊缝区。界面层由三层不同的金属间化合物相组成，从焊缝到黄铜母材分别为CuAl、Cu9Al4和CuZn。黄铜界面处有脆硬金属间化合物的形成，显微硬度高于铝和黄铜母材。接头拉剪时断于黄铜侧界面区，最大拉剪载荷为1917N，断裂形式为解理断裂。. 采用激光作为热源、Zn-15%Al药芯焊丝作为填充材料所得熔钎焊对接接头分为三个区域：黄铜母材侧类钎焊焊缝区、焊缝中心区及铝母材侧熔化焊焊缝区。黄铜母材侧靠近焊缝处生成不规则、非连续锯齿状的Al4.2Cu3.2Zn0.7金属间化合物层，靠近黄铜侧生成了规则连续的CuZn金属间化合物层。过渡区有CuZn5化合物生成。焊缝显微硬度高于铝、黄铜两种母材，黄铜侧界面处金属间化合物层及过渡区的硬度高于焊缝区。接头拉伸时断于黄铜侧界面区，最大拉伸强度为128MPa，断口表现出一定的脆性并在不同位置表现为准解理或解理断裂。. 本研究为实现铝/铜异种金属的优质连接提供新的思路，对于其它异种难焊金属的连接问题也有着重要的参考价值。