(a)
Cu
钎缝
（1）采用 Al-Si 系钎料进行了 Cu/Al 异种金属 的直接钎焊研究，在钎焊温度 610℃~625℃，保温 时间 2~3min，压力 0.4~0.8MPa 时可形成成型良好 的 Cu/Al 钎焊接头，扫描电镜分析发现，钎缝区存 在大量共晶组织 α(Al)-CuAl2 及弥散分布的针条状 析出组织。
比
(MPa)
(MPa)
(HB)
Al(1035)
660
2.71
946
226
71
0.33
140
100
32
Cu(C11000) 1083
8.9
385
390
108.5 0.35
215
-
35-45
合构件的广泛应用具有重要的实际意义。
水）对接头进行金相显蚀。采用金相显微镜及
JSM-6480 扫描电镜（SEM）对 Cu/Al 钎焊接头的显
7 H. T. Zhang, J. Cao, H. Lu. Interfacial Microstructure
copper-aluminium[J]. Materials Science and
and Phase Constitution of the Cu/Al Dissimilar Metals
本课题采用直接钎焊方法实现了用于电力接 头的铜铝板材可靠连接。并采用金相显微镜、扫描 电镜（SEM）、显微硬度计和能谱分析（EDS）等 手段对铜铝异种金属直接钎焊的界面反应以及钎 焊界面的组织性能进行了分析。本文对于解决铜铝 异种金属板材的大面积连接、推动铜铝异种材料复
1 实验材料及方法
试 验 采 用 材 料 为 工 业 纯 铝 1035 和 紫 铜 C11000。采用 Al-Si 系(AlSi12)钎料进行炉中钎焊。 母材的主要化学成分及热物理性能见表 1。钎焊试 板 的 尺 寸 分 别 为 纯 铝 50×50×3mm 和 紫 铜 50×50×2mm，焊前严格清除母材和钎料表面的氧化 膜和油污。将 Al-Si 钎料压制成厚度 1.0mm 的片状， 然后用不锈钢夹具按铜-钎料（钎剂）-铝片的次序 将待焊试件组装、夹紧，采用的钎剂为 HF-202，放 置在箱式电阻炉中进行钎焊。所采用的 Cu/Al 钎焊 工艺参数为：升温速度 14-16℃/min，钎焊温度 610 ℃~625℃，保温时间 2~3min，压力 0.4~0.8MPa， 随炉冷却至 100℃后出炉空冷。
-
0.05 0.03 0.6
0.05
-
0.05
-
- 0.35
Cu(C11000) - 99.0
-
0.005 -
-
-
-
0.002 -
0.005 0.06 -
热物理性能
熔点
密度 平均比热容 热导率 弹性模量 泊松 抗拉强度 屈服强度 布氏硬度
(°C)
(g·cm-3) (J·kg-1·K-1) (W·m-1·K-1) (GPa)
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较大，容易造成应力集中，降低接头的使用性能。 (a)
化合物的生长。
Al
钎缝
Cu
Cu
Cu
钎缝
（a）Cu 侧元素分布
(b)
3结论
图 5 铜铝钎焊界面裂纹
Al Si Cu
（b）钎缝区元素分布 图 3 Cu/Al 钎焊界面元素分布
关键词：Al/Cu 焊接；界面反应；显微组织；显微硬度
0 前言
铜铝异种金属的连接在航空航天、化工、电力、 制冷等领域具有广泛应用[1-3]。但铜铝异种金属熔 点、热膨胀系数等热物理性能差异较大，且铜、铝 易在高温下生成脆性金属间化合物（IMC），因此熔 焊方法很难实现铜铝的连接[4-6]。铜铝的连接目前采 用压力焊、钎焊等方法，直接钎焊方法具有成本低、 工艺简单的特点，可用于铜铝板材的大面积连接以 及具综合性能的铜铝复合板制备，因此解决铜铝异 种金属的直接钎焊问题具有广阔前景[1, 7-10]。
Joint Made by Contact Reactive Brazing[J]. Advanced Materials Research, 2010, 97-101: 3891-3894. 8 李亚江, 吴会强, 陈茂爱, 杨敏, 冯涛. Cu/Al 真空扩散 焊接头显微组织分析[J]. 中国有色金属学报, 2001,
基金项目:江苏高校优势学科建设工程资助项目；
微组织特征进行观察和分析，采用 MH-5 显微硬度 计测量 Cu/Al 钎焊界面区的显微硬度，通过 INCA
江苏科技大学博士启动基金（35061006）
能谱仪（EDS）分析钎焊界面区的元素分布。
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（b）针条状析出组织
图 2 Cu/Al 钎焊接头钎缝区组织
为分析钎缝中心区的元素分布形态，对钎缝中 心区进行了元素线扫描测试，如图 3(b)所示，Cu-Al 界面生成的 IMC 相在钎缝区弥散分布，未聚集成片 状，不会显著降低钎缝区的力学性能，原 Al-Si 钎 料中的 Si 元素在钎缝中存在局部偏析现象，存在极 少量的初晶 Si。 2.3 显微硬度
(b) 过渡层
Cu
钎缝
过渡层
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图 4 Cu/Al 钎焊界面附近的显微硬度
金属间化合物相也是微观裂纹的萌生及扩展通道，
5 张满, 薛松柏, 姬峰, 娄银斌, 王水庆. CuAl2 相对铜
导致接头的强韧性下降，可以通过调整加热温度、
Cu/Al 直接钎焊接头组织性能研究
夏春智 1, 梁秋会 1，李亚江 2 (1. 江苏科技大学 先进焊接技术省级重点实验室，镇江 212003; 2. 山东大学 材料液固结构演变与加工教
育部实验室，济南 250061)
摘要：采用 Al-Si 钎料对 Cu/Al 异种金属进行了直接钎焊研究，采用金相显微镜、扫描电镜（SEM）及 INCA 能谱仪、显 微硬度等测试方法对钎焊界面区的微观组织及性能进行了分析。试验结果表明：在钎焊温度 610℃~625℃，保温时间 2~3min，
用电火花切割方法切取并制备 Cu/Al 异种金属 钎焊接头试样，采用 NaOH 水溶液（10gNaOH+60ml
表 1 实验母材 Al(1035)和紫铜(C11000)的化学成分及热物理性能
材料
Al Cu Zn
化学成分 /wt.%
Pb Mg Ti Fe
V
Bi
Mn
S
O
Si
Al(1035) 99.35 0.10 0.10

（a）共晶组织
(b)
针条状析出相
Cu
钎缝
Al
过渡层
图 1 Cu/Al 钎焊接头金相组织
采用扫描电镜（SEM）对 Cu/Al 钎焊接头钎缝 区的显微组织进行观察，如图 2 所示。钎缝区组织 均匀，有大量共晶组织及针条状析出组织，元素分 析发现，钎缝区的共晶组织主要为 α(Al)-CuAl2 共 晶相，钎缝中的针条状析出组织主要为 AlCuSi 相， 分布于 Cu 母材侧的钎缝区，未观察到针条状析出 组织聚集现象，对钎缝区性能影响较小。 2.2 界面元素分布
2.4 微观裂纹起源与扩展 Cu/Al 钎焊界面区形成脆性金属间化合物组
织，易引起应力集中，导致微观裂纹，是 Cu/Al 钎 焊接头破坏的主要形式之一[6]。图 5 所示为铜铝界 面微裂纹的产生及扩展过程，微观裂纹产生于含铜 量高的 CuAl2 金属间化合物层，沿 IMC 相界面扩展， Cu/Al 钎焊界面的金属间化合物层贯穿整个 Cu/Al 接头界面，这种微观裂纹危害很大，容易造成整个 连接界面的破坏失效，应通过控制钎焊温度、保温 时间、外部压力等措施抑制 Cu/Al 钎焊界面金属间
Engineering A, 2004, 374(1-2): 224-233.
2
C. Berlanga-Labari, A. Albístur-Goñi, P.
Balerdi-Azpilicueta, M. Gutiérrez-Peinado, J.
Fernández-Carrasquilla. Study and Selection of the
采用 INCA 能谱仪对 Cu/Al 钎焊界面的元素分 布进行了分析，Cu 侧元素分布如图 3(a)所示，Cu 母材侧出现了宽约 10μm 的过渡层，过渡层内含有 大量的 Cu、Al 元素，形成 Cu-Al 的金属间化合物 （IMC）相，IMC 层厚度与接头性能密切相关，IMC 厚度越小，接头性能越好。界面区 A 点的元素分析 结果表明，A 点成分为 at%，Al：64.71%，Cu：35.29%， 为 CuAl2 相。从靠近 Cu 母材侧钎缝区域可以发现， 有大量 Cu 元素过渡到钎缝中，并与钎料中的 α(Al)
Cu/Al 钎焊界面附近的显微硬度测试结果如图 4 所示，采用的测试设备为 MH-5 型显微硬度计， 加载载荷为 25gf，加载时间为 10s。图 4(b)所示为 采用不同外部压力时的显微硬度测试结果。
Cu 母材的显微硬度为 55～63MPa，钎缝区由 于生成了脆硬组织，显微硬度变化较大，外部压力 为 0.4MPa 时，钎缝区显微硬度为 200～300MPa； 而外部压力为 0.8MPa 时，钎缝区显微硬度明显升 高，部分区域高于 800MPa，表明有大量脆硬金属 间化合物（IMC）组织生成。钎焊时对钎焊样品施 加一定压力，有利于钎料充分铺展及杂质排出钎 缝，形成无空洞、气孔等微观缺陷的钎焊接头。但 外部压力较大时，Cu 母材与熔化的 Al-Si 钎料接触 更紧密，钎焊冶金反应充分，钎缝区形成的 IMC 相 增多。由于 IMC 相与母材及钎缝的热物理性能差别