Ni-P镀层厚度对Cu/Al接头界面结构与力学性能的影响

为了研究Ni-P镀层厚度对Cu/Al接头性能的影响,采用Zn98Al钎料对不同镀层厚度的T2紫铜与3003铝合金进行了钎焊,获得一系列钎焊接头,研究了钎料在镀层铜板上的铺展润湿性能,并采用光学显微镜、扫描电子显微镜对接头中Cu侧界面结构形态、化合物层厚度及种类等进行分析,进一步研究了镀层厚度对接头力学性能及断口形貌的影响。结果表明,随着镀层厚度增加,钎料在镀层铜板上的铺展面积呈先升后降的趋势,与无镀层铜板相比,当镀层厚度为5~20μm时,钎料的铺展面积由62.4 mm^(2)增加到189.5 mm^(2),增加了近3倍,此时,钎料的铺展面积稳定、润湿性能较好,有助于获得优质接头;与无镀层接头相比,镀层厚度小于5μm时,接头Cu侧界面结构仍为粗大的Cu_(3.2)Zn_(4.2)Al_(0.7)化合物层,接头强度变化不大;当镀层厚度为5~20μm时,镀层有效阻隔了Cu,Al原子扩散,接头Cu侧界面结构转变为Ni-P镀层+较薄的Al3Ni化合物层,同时接头抗剪强度也增加到最大值39 MPa,与无镀层接头相比提高了约21.8%;当镀层厚度大于20μm时,接头Cu侧界面结构转变为部分熔解的不规则Ni-P镀层+Al_(3)Ni化合物层,此时接头抗剪强度开始急剧下降。综合考虑钎料的铺展润湿性能、接头Cu侧界面结构及接头力学性能,确定Ni-P镀层最佳厚度为5~20μm。

(Cu,Ni,Zr,Er)改性的Al−Si钎料钎焊Cu/Al接头的显微组织和力学性能

为了设计一种具有较低熔点、较好强度和塑性的Al−Si钎料钎焊Cu/Al接头,创新性地提出添加Cu、Ni、Zr和Er等元素对传统的Al−Si共晶钎料进行改性。对改性的Al−Si钎料及其Cu/Al钎焊接头的显微组织与力学性能进行研究。结果表明,Al−Si−Ni−Cu钎料主要由Al(s,s)、Al_(2)(Cu,Ni)和Si(s,s)组成。Al−10Si−2Ni−6Cu钎料合金具有较低的固相线(521℃)和液相线(577℃)温度、良好的抗拉强度(305.8 MPa)和断后伸长率(8.5%)。Al−10Si−2Ni−6Cu钎料钎焊的Cu/Al接头主要由Al_(8)(Mn,Fe)_(2)Si、Al_(2)(Cu,Ni)_(3)、Al(Cu,Ni)、Al_(2)(Cu,Ni)和Al(s,s)组成,其剪切强度为(90.3±10.7)MPa。当采用Al−10Si−2Ni−6Cu−0.2Er−0.2Zr钎焊Cu/Al时,接头强度可以进一步提升到(94.6±2.5)MPa。因此,(Cu,Ni,Zr,Er)改性的Al−Si钎料可以用于制备高质量的Cu/Al钎焊接头。

Al-Si-Ge钎料钎焊Cu/Al接头组织与性能研究

首次采用Al-5.6Si-25.2Ge钎料对Cu/Al异种金属进行了炉中钎焊,分别从钎料的熔化特性、铺展润湿性、Cu侧界面组织以及钎焊接头强度等方面进行了系统研究,并与Zn-22Al钎料钎焊结果进行对比。结果表明,Al-5.6Si-25.2Ge钎料具有较低的熔化温度(约541℃),同时在Cu、Al母材上均具有良好的铺展润湿性。Al-5.6Si-25.2Ge/Cu界面由CuAl_2/CuAl/Cu_3Al_2三层化合物组成,其中CuAl和Cu_3Al_2呈层状,厚度较薄,仅为1~2 mm;CuAl_2呈胞状,平均厚度约为3 mm。Zn-22Al/Cu界面结构为CuAl_2/CuAl/Cu_9Al_4,其中CuAl_2层平均厚度高达15 mm。接头抗剪切强度测试结果表明,Zn-22Al钎料钎焊Cu/Al接头抗剪切强度仅为42.7 MPa,而Al-5.6Si-25.2Ge钎料钎焊Cu/Al接头具有更高的抗剪切强度,为53.4 MPa。

保温时间对Cu/Al钎焊接头界面组织和性能的影响

采用Zn-40Sn钎料通过感应钎焊实现了Cu/Al的可靠连接。研究了钎焊时间对接头界面组织和性能的影响规律。研究结果表明:随着钎焊时间的延长,母材侧反应层厚度增加,Cu,Al元素扩散加剧,金属间化合物增多。当感应电流I=12 A,钎焊时间t=15 s时,接头抗剪强度最高为45.5 MPa。接头断裂于铜侧金属间化合物层处,随着钎焊时间的延长,该处Al_(4.2)Cu_(3.2)Zn_(0.7)相增多,Cu-Zn相减少,断裂发生在二者混合区。通过合理的优化钎焊时间,在保证充分焊合的情况下尽量减少金属间化合物的含量可以获得强度较高的钎焊接头。

Al/Zn-3Al/Cu无钎剂钎焊接头界面冶金反应行为及性能研究

研究了采用Zn-3Al钎料钎焊Al/Cu异质金属时,钎焊温度对接头冶金反应行为及性能的影响。结果表明,在400℃超声钎焊时,接头的钎缝层由不均匀分布的α-Al和CuZn5树枝状晶以及Zn-Al共晶基体组成,接头的Cu界面处形成了较厚的扇贝状CuZn5金属间化合物层和Cu基扩散层。增加钎焊温度到440℃时,接头的钎缝层转变为由均匀弥散分布的CuZn5、α-Al和Al4.2Cu3.2Zn0.7相组成,接头Cu界面处的金属间化合物层则由CuZn5相转变为锯齿状的Al4.2Cu3.2Zn0.7相。进一步增加钎焊温度至480℃引起了接头显微组织的粗化和钎缝层中缩孔的形成。性能测试表明,与在400℃和480℃超声钎焊相比,在440℃超声钎焊获得的Cu/Al接头有着最佳的拉伸强度值(78.9 MPa)

Ni-P镀层对Cu/Al钎焊界面结构及性能的影响机制

为了研究Ni-P镀层对Cu/Al异种金属钎焊界面反应的影响,首次采用Zn98Al和BAl67CuSi两种钎料对含/不含Ni-P镀层的T2紫铜与3003铝合金进行了高频钎焊,获得4种不同的钎焊接头,分别对接头Cu侧界面结构、抗剪强度、断口形貌、显微硬度及弯曲形貌进行了系统研究,并与无镀层接头进行对比.结果表明,T2表面镀覆Ni-P后,Cu/Zn98Al/Al接头中Cu基体/钎缝界面结构由扩散层+8.8μm厚的Cu_(3.2)Zn_(4.2)Al_(0.7)化合物转变为1.5μm厚的Al3Ni化合物,而Cu/BAl67CuSi/Al接头中Cu基体/钎缝界面结构由扩散层+15μm厚CuAl_(2)转变为1.8μm厚Cu_(3)NiAl_(6);与无镀层接头相比,镀覆Ni-P后,Cu/Zn98Al/Al接头强度略有上升,Cu/BAl67CuSi/Al接头强度略有下降,但两种接头的韧性均明显增强,力学性能试验结果与接头Cu侧界面微观组织转变规律相符.最后建立了Cu/Al接头的界面反应模型,并阐明了Ni-P镀层对Cu/Al接头界面结构和力学性能的影响机制.

不同焊接速度下Cu/Al/Cu纳秒激光焊接接头组织及性能研究

采用纳秒脉冲激光对铜/铝/铜三层薄片结构进行焊接,分析焊接速度对焊缝成形、微观组织与接头力学性能的影响。结果表明:较低的焊接速度容易引起气孔和裂纹等接头缺陷,较高的焊接速度造成焊缝中的气孔聚集于界面,合适的焊接速度有利于获得良好的熔透深度和较少的缺陷;焊缝中存在Cu Al_(2)、Cu_(9)Al_(4)与Cu_(4)Al_(3)等铝/铜二元化合物,且焊缝中生成的化合物的种类与焊接速度有关;当焊接速度为21 mm·s^(-1)时,界面较少的缺陷和钉状焊缝使得接头具有的最大剪切力为95.1 N。接头发生了三种断裂:焊点撕裂、焊缝剪切+熔核拔出复合断裂以及熔核拔出失效,焊点边缘的裂纹及脆性相是焊点撕裂失效的原因,界面处焊缝边缘的铜/铝化合物和气孔缺陷是复合断裂的原因,较浅的熔深和界面化合物导致了熔核拔出失效。

集磁器结构对磁脉冲辅助半固态钎焊接头组织和性能的影响

采用电磁-结构-流场耦合的多物理场耦合模拟方法,对比分析了等内径和带锥角两种集磁器条件下Cu/Al管的磁脉冲辅助半固态钎焊过程,考察了外管的变形行为和半固态钎料的剪切流变行为.结果表明,采用等内径集磁器时,钎料所受的剪切应力和相应的剪切流变速率在端部最高,底部次之,中部最弱,导致搭接区域内去膜效果存在差异,甚至影响界面冶金结合;而带锥角集磁器能更为合理地满足无钎剂钎焊对外管变形与钎料剪切流变的协调性需求,有效改善钎料流变行为,使剪切应力、剪切流变速率及去膜效果在整个搭接区域相对均匀,有利于提高界面连接质量.基于分析结果设计制造了改进的集磁器,进行了钎焊试验及相关测试分析.结果表明,相较于等内径集磁器,带锥角集磁器能有效改善Cu/Al接头的界面连接质量,细化搭接区域中部纤缝组织,并最终提高钎焊接头的抗剪强度.

Zn-Al钎料成分对Cu/Zn-Al/Al钎焊接头界面结构及性能的影响

分别采用Zn-15Al,Zn-22Al,Zn-28Al,Zn-37Al和Zn-45Al钎料钎焊获得Cu/Al接头.利用SEM,EDS和XRD研究了Zn-Al钎料成分对Cu/Al接头中Cu母材/钎缝界面结构的影响,并系统阐述了Zn-Al钎料成分-接头界面结构-接头抗剪切强度之间的关系.研究发现,Cu/Zn-15Al/Al接头中Cu母材/钎缝界面结构为Cu/Al4.2Cu3.2Zn0.7,且Al4.2Cu3.2Zn0.7界面层较薄,其厚度为2~3μm,接头具有较高的抗剪切强度,达66.3 MPa.随着钎料中Al含量的提高,在Cu/Zn-22Al/Al接头界面处Al4.2Cu3.2Zn0.7界面层的厚度逐渐增大,甚至在Cu/Zn-28Al/Al接头的Al4.2Cu3.2Zn0.7界面层附近出现少量的Cu Al2,接头的抗剪切强度逐渐降低.当采用Al含量较高的Zn-37Al钎料钎焊Cu/Al接头时,Cu母材/钎缝界面结构转变为Cu/Al4.2Cu3.2Zn0.7/Cu Al2;脆性Cu Al2层的出现,使接头抗剪切强度大幅下降,为34.5 MPa.当采用Al含量最高的Zn-45Al钎料钎焊Cu/Al接头时,Cu母材/钎缝界面结构转变为Cu/Cu Al2,接头抗剪切强度最低,为31.6 MPa.

凝固超声处理对Al/Zn-3Al/Cu钎焊接头显微形貌及性能的影响

主要研究了Al/Zn-3Al/Cu钎焊接头在凝固过程中实施超声处理时其钎缝层显微结构和性能的演变。研究结果表明,在未经凝固超声处理的钎焊接头中,钎缝层呈现出一种各向异性的显微结构;然而,在经过凝固超声处理的钎焊接头中,钎缝层有着均匀的显微结构,其由一种等轴的花瓣状Cu Zn5/Al复合物以及弥散其间的细小α-Al晶粒和Zn-Al共晶组织组成。性能测试结果表明,与未经凝固超声处理的钎焊接头相比,经过凝固超声处理的接头钎缝层的硬度增加了26.2%,热膨胀系数降低了38%。