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1、减小表面氧化膜对LD2扩散焊接头不利影响的工艺研究熊江涛，张赋升，李京龙（西北工业大学 材料学院，西安 710072）摘要：相对于界面微孔消失而言，试件待焊表面的Al2O3氧化膜是铝合金扩散焊过程主要的障碍,因此传统恒温、恒压扩散焊铝合金时所需要的时间较长，而扩散焊过程中长时间的保温不仅降低了生产效率，而且降低了母材的机械性能指标。本文在LD2扩散焊试验中采用机械清理，同时，在一定温度和真空环境下施加瞬间大压力的方法，减小了Al2O3氧化膜的不利影响，提高了接头的焊合率。关键词：扩散焊；铝合金；焊合率0. 前言为了提高推重比，铝合金被广泛的应用于航空、航天飞行器制造领域。同时，在铝合金部件装配
2、等要求焊接变形严格的场合，真空钎焊作为传统焊接方法被广泛应用。但是，由于在于选择熔点低、并具有一定力学性能和抗腐蚀性能的低熔点钎料方面存在难点，同时铝合金对真空钎焊参数的细微变化十分敏感，因此未焊透、熔蚀和钎料流失等缺陷经常出现在铝合金钎焊接头中1。目前一些研究者采用在钎料中加入稀土元素或采用快速凝固Al-Cu-Si薄带钎料的方法使接头的、强度提高至焊后母材强度的90%以上，但目前这些方法尚处于试验阶段2,3。扩散焊作为一种具有优越品质的焊接方法，可以较好的实现铝合金的可靠连接，同时克服了上述铝合金真空钎焊的缺点。同时由于扩散焊不采用任何中间夹层，因此接头的延伸率与抗腐蚀能力均优于真空钎焊。但
3、是由于铝合金表面覆盖着一层致密、同时与基体结合牢固的Al2O3氧化膜。相对于界面微孔消失而言，氧化膜对形成良好扩散焊接头的阻碍作用更明显。因此要想得到良好的接头，就必须使Al2O3氧化膜在扩散焊过程中分解（分解产物进入环境气氛或进入基体）。但Al2O3十分稳定，其（固，相）的标准生成焓为-1675.7 KJ/mol 4。Al2O3的高稳定性使得其具有很高的熔点（标准大气压下为1767）和很低的分解压力（620和1000时分别为1.310-45Pa、1.310-28Pa），因此在扩散焊的真空度条件下，分解产物进入环境气氛是不可能的。因此Al2O3氧化膜的消失只能通过其分解产物基体进入基体，这一过
4、程是通过表面氧化膜内氧原子向基体的扩散实现的。但由于Al2O3中的氧原子在铝合金扩散焊温度下的自扩散系数较小，所以为了加快上述扩散，必须破坏表面致密氧化膜的连续性，或尽量减小氧化膜的厚度。另一方面，在Al2O3没有完全溶于基体的情况下，破坏表面氧化膜的连续性，可使基体中的Al原子扩散进入接头界面，并以AlAl2O3的连接形式取代Al2O3 Al2O3的连接形式。Al2O3 Al2O3连接是陶瓷与陶瓷的连接，铝合金扩散焊温度通常只有500600，这一温度很难实现Al2O3 Al2O3的扩散焊。而牛济泰5，LIN.C.T 6等人的工作均表明，铝合金扩散焊温度下可以实现AlAl2O3的连接。由上述可
5、知，在铝合金扩散焊时，破坏表面氧化膜的连续性或减小其厚度十分必要。Zuruzi.A.S 7采用了增加待焊表面粗糙度和让两待焊表面产生相对运动的方式来破坏表面氧化膜提高接头强度。Wu.Y.E 8采用脱水乙醇液膜，防止表面清理后的被焊试件发生二次氧化，从而提高焊接质量。1. 试验过程扩散焊试验所用材料为LD2，焊前母材为带状锻造组织，并存在合金成分的宏观偏析，晶粒细小。图1为焊前母材金相组织。100m图1 焊前LD2母材金相Fig.1 Metallograph of pre-diffusion bonding LD2LD2的化学成分如表1所示，表1 LD2的化学成分Table 1 Chemical
6、 composition of LD2Si (%)Fe (%)Cu (%)Mn (%)Mg (%)Zn (%)Ti(%)其他(%)LD20.501.20.500.200.60.150.350.450.90.200.150.10LD2扩散焊试验采用的设备为西北工业大学研制的DJH-1多功能真空扩散焊机。设备采用的加热方式为感应加热，极限真空度为7.210-4Pa，工作真空度2.010-3Pa；最高工作温度1100，温度控制精度3；设备采用双汽缸加压，可实现分阶段加压。最大压力40000N，压力控制精度为1千克力。试验件尺寸为2020，焊前试件表面未经砂纸打磨，以避免金刚石颗粒嵌入试件待焊表面。同
7、时为了让待焊表面保持一定的粗糙 铣切，表面粗糙度Ra6.5m丙酮超声波清洗装卡试件进行焊接浸泡在丙酮溶液中图2 试件的制备过程Fig.2 Process of preparing test piece度，用不加冷却液铣切的方式清理表面氧化膜，铣切后的试件直接放入丙酮中进行清洗。具体的焊前准备过程如图2所示。TR200粗糙度仪测量试件表面粗糙度。将浸泡在丙酮中的清洁。试件取出，直接进行装卡 试件装卡时，两接触表面的加工纹路相互垂直，装卡后的试件如图3所示。为了研究一定温度下瞬时大压力对接头焊合率的影响，进行了两组试验。第一组，试件装卡后，对被焊件加0.5MPa预压。以0.4/S的加热速度升温，2
8、00时保持5min，使试件放气。同时为了促使表面氧化膜破碎，在试件加热到270时保持1min，对其施加30MPa的瞬时大压力，该压力持续时间为0.20.4秒。加热到530时，加4MPa焊接压力，分别保持45min、60min、90min。第二组，除在270不施加瞬时大压力外，其它焊接参数与第一组相同。上压头被焊工件感应圈下压头待添加的隐藏文字内容1图3 试件焊接装卡示意图Fig.3 Assembled test piece2. 试验结果与讨论试件焊后的主要检验指标为接头轴向变形量与焊合率。通过试验分析，选定了5组试验，焊后各试件进行剖切、腐蚀，在光学显微镜下放大800倍进行观察、拍摄，各接头金
9、相如图4所示（箭头所指位置为接头）。用日本生产的MOVIAS100 型影片处理与分析系统测量各接头焊合率，通过螺旋测微器对焊接前后的试件厚度进行测量计算接头轴向变形率。接头变形率与焊合率如表2所示。表2 接头焊合率与变形率Table 2 Rate of wielded region and Deformation rate in joints试件序号焊合率（%）变形量（%）第一组45min560.68第一组60min810.84第一组90min901.06第二组45min480.60第二组60min750.82第二组90min850.98通过表2、图4，首先可以看出，无论那组试件，随着焊接时间
10、的增加，焊合率与变形率均增大。其次，在焊接压力、焊接温度和保温时间等参数相同的情况下，第一组试件的焊合率高于第二组试件，既270时施加的30MPa瞬时大压力有助于LD2试件焊合率的增加。这一实验现象产生的原因在于，当试件温度为270时，母材的屈服强度已经较低，30MPa的压力可以使多数位于接头界面的初始接触区域产生更高的应力，进而出现塑性变形，这一变形可产生三方面的作用：第一，有利于界面氧化膜的破碎，从而使清洁的新生金属面产生紧密的物理接触。第二，当温度升到530的焊接温度时，Al原子可以从破碎的氧化膜处以较快的扩散速率进入接头界面微孔，进而形成12.5m12.5m （a）第一组45min （
11、b）第二组45min12.5m12.5m （c）第一组60min （d）第二组60min12.5m12.5m （e）第一组90min （f） 第二组90min图4 各试件接头形貌Fig.4 Metallographs of joints 的连接形式，从而饶过该温度下自扩散系数很低的Al2O3膜的封堵。第三，上述塑性变形减小了界面微孔的体积，这也有利于焊合率的提高。由于大压力保持的时间仅为0.20.4秒，所以，几乎没有蠕变。同时30MPa不足以使该温度下的试件产生宏观塑性变形。所以，与未施加瞬时大压力的试件相比，不会明显增大接头最终的轴向变形量。通过表2、图4可以看出第一组90min的试件的扩散
12、焊情况是最好的。与其他试件相比，接头界面微孔的数量与长度明显减少，接头界面的宽度与晶界宽度相当。同时该试件接头部位已经出现了再结晶的初始阶段（红圈区域）和晶界的迁移，所以有理由相信，进一步增加焊接时间可使接头界面完全消失。通过比较试件焊接前后的金相，发现LD2母材经过扩散焊后，亚细观的带状锻造组织有所长大，但整体的组织特征没有因为扩散焊而改变。3. 结论(1) 铝合金LD2的精密连接可以通过扩散焊方法实现。(2) 铝合金LD2扩散焊过程中影响接头质量的主要障碍是致密的表面氧化膜。氧化膜的存在是铝合金扩散焊时间较其它金属材料明显增加的主要原因。(3) 一定温度下施加瞬时大压力，有利于LD2焊合率
13、的增加，同时对接头的变形控制不会产生明显的不利影响。参考文献：1 胡刚, 康彗. 铝合金真空钎焊的发展. 焊接技术, 2001, 30（2）：132 路文江, 刘生满等. 快速凝固AL-Cu-Si薄带钎料真空钎焊锻铝的研究. 甘肃工业大学学报, 2002, 28（3）: 13 3 王少洪. 稀土元素在LD30铝合金真空钎焊中的作用. 中国稀土学报, 2002, 20（4）: 3273304 Atkins P W. Physical chemistry. 5th ed. Oxford University Press, 1994: C95 牛济泰. Al2O3p/6061Al复合材料焊接工艺参数
14、的优化及接头组织. 焊接学报, 1999, 20(1): 28336 Lin C T，Shen Y L，Becker R AND Suresh S. Grain morphology, texture, and microhardness gradients in aluminium diffusion-bonded to aluminium oxide. Acta Material, 1999, 47(2): 5015117 Zuruzi A S, Li H, Dong G. Effects of surface roughness on the diffusion bonding of A
15、l alloy 6061 in air. Materials Science and Engineering,1999(A270): 2442488 Wu Y E, Lo Y L. Surface protection for AA8090 aluminum alloy by diffusion bonding. Theoretical an Applied Fracture Mechanics. 2002(38):7179Study on reducing surface oxide film disadvantage influence on diffusion bonding alumi
16、num alloy LD2Xiong Jiangtao, Zhang Fusheng, Li JinglongAbstract: Compared interface voids, surface oxide film is more obvious obstruction to diffusion bonding aluminum alloy, therefore, diffusion bond aluminum alloy by the conventional process of constant temperature and constant pressure takes more
17、 time, and production efficiency and mechanical property of aluminum alloy is decreased by increase of diffusion bonding time. Machinery clearance and impressing instant great pressure are taken in the process of diffusion bonding LD2 by present study. The technology reduces surface oxide film disadvantage influence and increases the rate of welded region of joint.Keywords: diffusion bonding; aluminum alloy; the rate welded region作者简介:熊江涛, 1974年4月出生, 博士研究生。主要研究方向为扩散焊。发表论文4篇。电话：029-8493787Email: xjtao11
