铝和铝合金的接触反应钎焊研究
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【摘要】：铝合金因易加工、耐久性高、适用范围广等一系列的优点，广泛应用于汽车、船舶和军事等领域，传统的钎焊方法连接铝合金易产生夹渣等致密性缺陷。接触反应钎焊是一种兼备扩散焊和钎焊优点的连接方法，对结合面精度要求不高，压力小且形成接头的强度高。因此，研究铝和铝合金的接触反应钎焊，无论从铝合金的工程应用方面，还是从完善接触反应钎焊理论角度都具有重要的意义。
【关键词】：铝合金 接触反应钎焊 强度
1、 引言
铝具有良好的耐蚀性，较高的比强度、导电性和导热性，故在工业中应用广泛。纯铝的抗拉强度不高，但塑性好，若所含Fe、Si等杂质增加，塑性及耐蚀性降低。但是在纯铝中加入Cu、Mg、Mn、Si、Zn、V、Cr等合金元素后，便形成了铝合金，铝合金仍然保持了纯铝质轻的特点，但它比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富等。由于铝合金材料的成本低，而且使用一种加工工艺可以大量生产同样的零部件，目前已经广泛应用于汽车、高速铁路车辆、航空航天和军事工业。
实现铝及铝合金与钢的可靠连接，具有十分重要的现实意义，几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是由于其特有的物理、化学性能，其焊接过程中会遇到一系列困难，如：氧化、焊缝热裂纹和气孔等。而且由于铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法都有其各自的应用场合。对于铝合金的焊接，传统的方法主要以熔化焊接为主，设备复杂，且对焊工的技术要求也比较严格。铝钎焊作为铝合金连接的重要方法，具有钎焊件变形小，尺寸精度高等优点，近年来在我国得到广泛的应用。钎焊属于固相连接，它与熔焊方法不同，钎焊时母材不熔化，采用比母材熔化温度低的钎料，加热温度采取低于母材固相线而高于钎料液相线的一种连接方法。其与熔焊方法相比，优点显著：钎焊加热温度较低，对母材组织和性能的影响较小；钎焊接头平整光滑，外形美观；焊件变形较小，易保证焊件尺寸精度。
综上所述，研究铝合金的接触反应钎焊，无论从铝合金的工程应用方面，还是从完善接触反应钎焊理论角度都具有重要的意义。
2、 铝及铝合金的接触反应钎焊原理
接触反应钎焊是一种依靠连接材料之间或连接材料与中间层材料之间的冶金反应（如共晶反应）产生液相合金来实现连接的工艺方法。它利用了异种金属形成低熔点共晶的特点，在界面接触良好的条件下加热到共晶温度以上，依靠金属原子间的相互扩散在界面处形成低熔点共晶体实现连接[1]。
目前铝接触反应钎焊被认为是解决铝钎焊问题较理想的方法。该方法具有以下优点：（1）不加钎剂，对环境无污染，钎焊产品无需清洗，钎缝无化学腐蚀；（2）避免了毛细钎焊工艺中的“大、小包围”现象，因此致密性高。（3）接头强度比一般硬钎焊接头要高。（4）接触反应钎焊容许母材表面存在一定的氧化膜，有一定的“自清净”能力。（5）选择合适的共晶反应合金层可以降低钎焊温度，这不仅降低了能耗，使钎焊过程易于控制，而且对设备要求不高，而Cu在铝基体上的接触反应有明显的表面优先铺展，可以破除氧化膜，有利于接触反应钎焊过程中接头界面间均匀液相填充层的形成；另一方面接触反应在铝基体的深度方向的晶界优先渗透，可以保证钎焊接头的结合强度[2]。
3、 铝合金接触反应钎焊的影响因素
3.1 工艺参数对接触反应钎焊的影响
在接触反应钎焊过程中，加热温度、保温时间、钎焊面上施加的压力是3个重要的工艺参数。这3个参数影响到扩散及反应生成液相的速度、液相的生成量和界面上滞留液相的多少（最终表现为接头上钎缝区的宽度）。其中加热温度的高低主导着异质原子互相扩散及反应生成液相的速度；保温时间的长短控制着反应生成液相量的多少，只有当中间层反应耗尽后，保温时间的影响才会消除；施加压力的大小主要影响界面上滞留液相的多少，其次它影响到钎焊面的贴合程度及界面上的原子扩散。压力增大可以促进扩散，但最主要的是能够挤出界面上反应生成的多余液相，有利于提高接头的强度（因为反应生成的液相一般均为低熔点脆性化合物）。在实际应用中，接触反应钎焊的加热温度取值范围由钎焊工件的材质确定，即介于母材、中间层金属的熔点与两种金属的共晶反应温度之间，其具体取值要兼顾到工况条件及它对母材性能产生的影响等因素。保温时间的选择一般与加热温度有关，主要是协调控制钎焊界面上的液相生成量，温度高则时间短，反之则时间长。施加压力的大小从理论上讲只要在钎焊温度下不导致母材产生明显的变形，尽可能取高，但由于接触反应钎焊一般均在真空炉或气体保护炉内进行（防止钎焊面受到氧化而失效），因此施压大小往往受到设备条件的限制[3]。
3.2中间层对接触反应钎焊的影响
接触反应钎焊（CRB）利用中间层材料与母材的冶金反应产生液相实现连接，因此可以弥补常规毛细钎焊工艺的某些不足，但关于接触反应钎焊钎缝形成机理及相关过程的数值计算方面的研究，目前还比较少。于是，董占贵及钱乙余等人在使用Si作为中间层介质进行了铝的接触反应钎焊并得到良好接头的基础上，采用经典扩散理论对接触反应钎焊过程中Si中间层的液化及钎缝液相层的形成过程进行了理论分析和计算[4]。并得出结果：中间层的液化是一个以秒为数量级来衡量的瞬时过程；随着中间层厚度的增厚，液化时间也逐渐增长；而钎焊温度对中间层的液化时间没有明显的影响。同时通过对钎缝液相层厚度与保温时间之间的定量关系计算表明，保温时间越长，中间层液相的厚度越大，并且温度越高，增长的趋势越大；钎焊温度越高，在同一时间下的中间层液相厚度也越大。
为此，中间层的厚度是接触反应钎焊中要求考虑的重要参数之一，中间层太厚，生成液相太多，对母材溶蚀严重；太薄，则液相量小，难以得到致密、牢固的接头。而采用试验的方法确定中间层的厚度是一个繁琐的过程，因此我国的董占贵等以Si作中间层接触反应钎焊LF21铝合金为例[5]，采用有限元（FEM）模拟的办法，对不同宽度的钎缝对加拉伸载荷的力学响应过程进行了数值模拟。结果表明，随着钎缝宽度的增加，其力学响应因子增大，钎缝的承载能力降低。因此为了保证接头的连接强度，钎缝宽度的理想范围为50～80μm。并根据相图理论计算得出，较为理想的Si中间层厚度为6.6-10.0μm。
4 、铝合金接触反应钎焊的缺陷
溶蚀、钎缝界面抗电化学腐蚀差和钎缝不致密性则是导致铝钎焊接头强度低的主要原因，如何避免母材过量溶解形成的溶蚀、提高钎缝界面抗电化学腐蚀能力和钎缝致密性是实现铝共晶接触反应钎焊在实际生产中应用的关键问题。
总之，铝及铝合金的接触反应钎焊研究已比较深入，今后，如何避免接触反应钎焊缺陷产生的研究仍将成为本领域关注的焦点。
参考文献
[1]徐德生，邱小明，孙大谦等.铝共晶接触反应钎焊界面形成及腐蚀机理研究[J].农业工程学报，1998，14（3）：60-63.
[2]陈定华，钱乙余，李严.钎焊填缝机理的研究不等间隙钎焊时钎料过程研究[J].焊接学报.1981，2（1）：1-8.
[3]徐胜，徐道荣.LD30铝合金接触反应钎焊的试验研究[J].焊接技术.2004，33（3）：12.
[4]董占贵，钱乙余.铝接触反应钎焊的成缝行为.焊接学报[J].2001，22（5）：14-16.
[5]董占贵.铝合金接触反应钎焊接头力学响应及中间层厚度的确定[J].焊接学报. 2002，23（1）：34-40.
[6]徐德生，殷世强.Al共晶接触反应钎焊缺陷分析[J].汽车工艺与材料.1998（10） ：25-26.