一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料

本发明涉及一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料，属于异种金属材料焊接。

背景技术：

0、技术背景

1、铝(al)和铜(cu)及其合金由于具有优良的耐腐蚀性能、高机械强度和优良的电气和传热性能，已被广泛应用于电力、制冷、化工、汽车和航空航天等领域。已探明的铜资源储量并不丰富，在上述领域中，为了控制成本、减轻产品重量，合理使用资源。经常遇到铝与铜异种金属的焊接问题。由于这两种金属在物理属性、机械性能和电、热属性上的差异较大，因此这两种异种金属材料的焊接在抗腐蚀、机械力学性能、导电导热特性等方面仍是一个挑战。

2、钎焊是焊接铝/铜异种材料的常用方法，但铝和铜焊接时，接头焊缝熔合界面很容易成为裂纹萌生和扩展的首选位置。目前al/cu钎焊使用钎料主要是zn-al系钎料，其焊接温度低于al-si系钎料，可以降低al母材的过烧率，同时耐蚀性比sn-zn系更强，有适配的无腐蚀性csf-alf3钎剂。在zn-al系钎料中，zn-15al拥有着比zn-2al和zn-10al更好的流动性，降低了钎料中的缩孔率，但在使用zn-15al钎料钎焊cu/al时，接头中产生大量的al-cu脆性imcs，严重恶化cu/al钎焊接头的力学性能。为了获得较高强度的力学性能的接头，控制al-cu脆性imcs的生成量及形态成为急需解决的问题。

3、cn103317253 b公开了一种铝/铜钎焊用zn-al-cu基钎料及其制备方法，按重量百分比计包括如下组分：铝5～16％、铜3.5～12％、锗0.5～5％、钛0.01～0.1％、锶0.01～0.2％、稀土镧和铈0.01～0.1％，余量为锌。该专利提高了铝/铜钎焊接头的剪切性能和耐蚀性能，接头抗剪切强度最高达到76.1mpa，管式接头最长能经受840h盐雾腐蚀。

4、文献(doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.09.078)中yan等的研究表明，在铝/铜焊接过程中添加ni金属箔作为中间层可以抑制al元素的扩散，减少界面脆性imc的生成，同时ni元素的加入可以细化焊缝组织，减少界面孔洞裂纹等缺陷。含ni箔的al/cu接头拉伸强度提高了27.1％，断裂面位于al2cu+alni金属间imc区，由于硬而脆的al2cu金属间imc的存在限制了接头强度的进一步提升。单独添加ni元素一定程度上细化了接头中的脆性imcs，但是未能完全解决接头中脆性al2cu生成问题。

5、cn 114774843b公开了一种zn-al-cu-ni-bi多元素粉末共渗剂及其应用，其应用领域是指所述zn-al-cu-ni-bi多元素粉末共渗剂通过机械助渗在金属基材上形成厚度30-150μm的多元合金渗层，所述的金属混合粉末无法直接应用于异种金属的焊接工艺。目前还没有zn-al-cu-ni-la-ce焊料的相关研究以及含ni焊料用于铝/铜异种金属焊接的先例。

6、目前，在铝/铜异种金属焊接技术领域还没有能够彻底解决接头中脆性al2cu生成问题的焊料，本发明所述一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料在有效减少焊接缺陷、提升接头的力学性能同时兼顾接头耐腐蚀性的改善，有效提升了铝/铜焊接结构在恶劣工况环境下的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料，细化焊缝组织，抑制脆性imcs的生成，减少界面孔洞裂纹等缺陷，提高铝/铜焊接结构的力学性能同时兼顾接头耐腐蚀性。在zn15al钎料的基础上添加cu元素后，钎料中的α-al枝晶被细化成柱状晶和等轴晶；同时抑制了铜侧焊缝的元素扩散，减薄界面imc层。但是焊料中添加过多的cu会增加焊料的硬度，在焊缝冷却过程中容易萌生裂纹。本发明所述的焊料在添加cu元素的基础上通过大量实验确定了cu的最佳含量范围，有效细化焊缝组织的同时降低界面应力，减少界面裂纹孔洞等缺陷。

2、ni元素可以降低zn-al-cu基焊料的硬度，从而缓冲界面应力。ni元素对焊缝组织的细化效果非常显著，彻底抑制了焊缝中块状脆性al2cu的生成，显著减少cu侧裂纹缺陷的萌生。焊料la元素和ce元素进一步细化了焊缝组织，层片状共晶组织增多并细化，并且稀土进一步降低了焊料的硬度。同时焊料中稀土元素在腐蚀时会生成耐蚀产物，提升了接头的耐蚀性。从上述的目的出发，我们经过大量的试验，添加并且确定合金元素的最佳成分范围，获得了有效减少焊接缺陷、提升接头的力学性能同时兼顾接头耐腐蚀性改善的焊料。

3、本发明所述的一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料，其特征在于，按重量百分比包括如下组分：：铝13～16％，铜0.1～0.9％，镧0.1～0.5％，铈0.1～0.5％，余量为锌。

4、本发明与现有技术相比具有如下有益效果。

5、本发明所述的一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料(铜0.1～0.9％，镍0.1～0.5％，镧0.1～0.5％，铈0.1～0.5％)，相较于商用zn-15al钎料，钎料和焊缝组织显著细化，接头的强度和耐蚀性明显提升；相较于专利cn103317253 b公开的zn-al-cu基钎料(铝5～16％、铜3.5～12％、锗0.5～5％、钛0.01～0.1％、锶0.01～0.2％、稀土镧和铈0.01～0.1％)，合金元素种类较为精简，熔铸工艺简单，成分稳定。焊料中的cu含量较低，焊接过程中不会生成块状的脆性al2cu，保证焊料具有较低的硬度，有效细化焊缝组织的同时降低界面应力。ni元素彻底抑制了焊缝中块状脆性al2cu的生成，显著减少裂纹缺陷的萌生与扩展，传统空气炉中钎焊工艺条件下cu/al接头剪切强度即可高达98mpa。

技术特征：

1.一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料，其特征在于，按重量百分比包括如下组分：铝13～16％，铜0.1～0.9％，镍0.1～0.5％，镧0.1～0.5％，铈0.1～0.5％，余量为锌。

2.一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料，其特征在于：按重量百分比包括如下组分：铝13～16％，铜0.1～0.9％，镍0.1～0.5％，铈0.1～0.5％，余量为锌。

3.根据权利要求1～2所述的一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料，其特征在于：相较于商用zn15al焊料铸态组织中存在大量粗大的α-al枝晶，焊料铸态组织中存在大量α-al柱状晶和等轴晶，以及细小的层片状共晶组织，焊料组织显著细化且分布均匀。

4.根据权利要求1～2所述的一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料，其特征在于：焊料中铜含量低于1％，镍含量为0.1～0.5％，镍元素作为异质形核点焊接过程中不会生成块状的脆性al2cu，有效抑制焊缝冷却过程中裂纹的萌生。

5.根据权利要求1～2所述的一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料，其特征在于：焊料的硬度为80～90hv，熔点为400～450℃。焊料硬度较低，有效细化焊缝组织的同时降低界面应力，有效抑制接头中裂纹的萌生与扩展，提升接头的强韧性。

6.根据权利要求1～2所述的一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料，其特征在于：稀土镧和铈重量百分比合计不超过1％，焊料中不会生成块状稀土imc，细化焊料组织的同时提升接头的耐蚀性。

7.根据权利要求1～2所述的一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料，其特征在于：焊料通过熔铸方法进行制备。包括如下步骤：

8.根据权利要求1～2任一项所述的焊料及元素成分配比在异种金属焊接时的应用。

技术总结本发明公开了一种提升铝/铜焊接接头强韧性和耐蚀性的焊料，属于异种金属材料焊接技术领域。按重量百分比计包括如下组分：铝13～16％，铜0.1～0.9％，镍0.1～0.5％，镧0.1～0.5％，铈0.1～0.5％余量为锌。本发明为了解决现有焊料焊接铝/铜异种接头及构件总体强度低及耐蚀性差的问题。本发明所述焊料显著细化了焊缝组织，抑制了焊缝和界面脆性IMC的生成,有效减少了界面裂纹，孔洞等缺陷。采用本发明所述的焊料进行钎焊的铝/铜异种接头，在无气体保护、无外加能场辅助的空气炉中钎焊工艺条件下抗剪强度可达98.5MPa，相较于商用Zn15Al焊料焊接接头提升了43.65％。同时本发明所述的焊料有效降低了接头的电化学自腐蚀电流，有效提升了铝/铜异种金属焊接结构的可靠性。技术研发人员：杨栋华,李涛,许惠斌,胡杰,张春红,胡凯伦,刘杭,王振华受保护的技术使用者：重庆理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18