摘要

總結了最近3年來的4次國際焊接會議有關釬焊技術的最新進展。本文主要介紹了輕合金(包括鋁合金、鈦合金、鎂合金)用新型釬料(或釬劑)，錫基、Au-Ge等低溫釬料，以及陶瓷釬焊用高溫釬料的最新研究成果；然后介紹新穎的納米復合釬料和納米疊層箔帶中間層擴散焊技術的最新研究；最后詳細介紹特殊的釬焊新工藝，包括超聲波輔助釬焊、氣體保護電弧釬焊、等離子釬焊等的研究都取得一系列新的結果及應用。

釬焊技術是采用（或過程中自動生成）比母材熔化溫度低的釬料，采取低于母材固相線而高于釬料液相線的操作溫度， 通過熔化的釬料將母材連接在一起的一種焊接技術。 釬焊時，釬料熔化為液態而母材保持為固態， 液態釬料在母材的間隙中或表面上潤濕、毛細流動、填充、鋪展、與母材相互作用（溶解、擴散或產生金屬金屬間化合物），冷卻凝固形成牢固的接頭，從而將母材連接在一起 。 近年來，隨著釬焊應用領域不斷擴大及相關研究技術、裝備的進步，釬焊逐漸成為國內外研究的熱點。

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特殊釬焊材料

 1-1 輕合金用特殊釬焊材料

美國研究者針對當前鈦合金釬焊中采用純鋁或標準的AWSBAlSi-4(Al-12Si)釬料對應的接頭強度低，以及Al-Cu-Si或Al-Ag-Cu系脆性釬料難制成箔帶或絲的問題，提出了Al-Mg和Al-Ag二元釬料，以及用Ni，Sn和Mg元素合金化的Al-Cu-Si和Al-Ag-Cu三元釬料。測試了其在600～710℃對鈦合金的潤濕性及釬焊接頭強度，其中Al-2。5Mg-0。3Cr，Al-21。5Ni-9Cu-9。6Si以及Al-4。2Cu-1。5Mg-0。5Si釬料對應接頭強度明顯高于Al-12Si釬料，并且前兩種釬料可以制成箔帶使用。如圖1所示，采用Al-Cu-Si箔帶釬料，釬焊接頭組織致密，釬縫成形良好，且其界面連續的金屬間化合物厚度明顯小于采用鋁或Al-Si釬料時的接頭。

              圖1 新研制的釬料對應的鈦合金接頭組織對比

  1-2 陶瓷用新釬料及釬焊新工藝

法國研究者通過在真空或中性氣氛下成功釬焊了世界上最大的以SiC陶瓷為基的望遠鏡的赫歇爾反射鏡面，并研發了一種在1300～1600℃大氣條件下用硅酸鈣玻璃做釬料對SiC進行釬焊修復的方法。因為無需使用保護氣體，這項技術成本很低。研究表明，溫度超過1300℃時，含23CaO-15Al2O3-62SiO2(質量分數，%)的玻璃潤濕性和填縫性很好；在1400～1500℃，保溫時間超過3min時玻璃在SiC基板上的接觸角接近20°。室溫下SiC釬焊接頭的平均抗剪強度為42MPa。圖2為釬焊的三明治結構的樣品。

圖2 釬焊的三明治結構 SiC/玻璃 /SiC樣品

北京航空材料研究院報道了用于Si3N4陶瓷連接的高溫新釬料研究進展。使用研制的PdCo(NiSiB)-V急冷態釬料箔帶，在1180℃/10min獲得的Si3N4/Si3N4接頭室溫3點彎曲強度高于200MPa。釬料中的元素V起到了活化作用，引發與Si3N4陶瓷的界面反應，因而促進了連接。相對于傳統的AgCu-Ti釬料以及專門針對Si3N4陶瓷的金基釬料，接頭的耐高溫性能得到明顯提高。大氣活性釬焊(RAB)是一種在空氣中使用含銅氧化物的改性銀基釬料連接金屬和陶瓷的很有前景的方法。

德國亞琛大學研究了大量氧化物改性釬料的性能。發現釬焊接頭的抗拉強度與釬料成分和釬焊溫度有關。Ag8Cu釬料1050℃釬焊的接頭強度大于100MPa，而1150℃和970℃分別只有大約60MPa和40MPa；Ag8Cu0。5Ti釬料1150℃釬焊的接頭抗拉強度為83MPa；Ag4Cu4Ni釬料1350℃釬焊接頭最大強度大約62MPa。其它釬料釬焊氧化鋁的接頭強度還要低一些。熱分析結果證實釬焊時發生了金屬———氧化反應，形成了CuO和NiO，并與氧化鋁相互作用。

德國德累斯頓FraunhoferfuerKeramische研究所為適應固態氧化物燃料電池(SOFC)的連接技術需求，開展了大氣活性釬焊工藝研究，使用Ag-CuO體系釬料，研究了CuO含量對釬料在大氣環境中1000℃高溫下在YSZ陶瓷和Fe-Cr基合金表面潤濕性的影響，以及對陶瓷/金屬連接界面的長時間穩定性的影響。

與上述研究類似，烏克蘭于2009年報道了采用“金屬-氧”技術并使用Ag-Cu-O體系釬料對鐵電陶瓷BaTiO3釬焊。研究發現Ag-Cu合金在空氣環境或純氧氣環境的高溫條件下對BaTiO3的潤濕性相對于真空環境下得到明顯改善。之后他們先在陶瓷表面使用CuO粉末在空氣條件下加熱實現表面金屬化，再使用Ag+Pt混合粉加熱實現了BaTiO3與銀絲、鉑絲的連接。

  1-3  低溫釬料及低溫釬焊工藝

俄羅斯研究了錫基釬料的微合金化，采用一種微合金化釬料ПОС61和一種無鉛Sn-Ag-Cu系釬料進行了試驗[10]。對下列釬料進行了力學性能試驗。ПОС61，ПОС61+0。15Ge，Sn-2。5Ag-0。7Cu，Sn-2。5Ag-0。7Cu-0。15。結果表明，加入微量合金化元素Ge后的釬料強度明顯提高，其中ПОС61釬料室溫強度提高29%，120℃強度提高47%，而Sn-2。5Ag-0。7Cu釬料強度提高42%，同時釬料塑性保持同樣的水平。釬料中可見均勻分布的細小彌散的富鍺相，在富銀相附近聚集一些富鍺粒子。北京航空航天大學采用Sn-4Ag-2Ti-0。5Y無鉛釬料進行了Al2O3，ZrO2，AlN陶瓷與銅的超聲波釬焊研究[11]。結果表明，所有的斷裂都發生在陶瓷和金屬的結合界面區，其中，Al2O3-Al2O3釬焊接頭抗剪強度為38MPa，而ZrO2-Cu釬焊接頭的抗剪強度為40MPa，Al2O3-Cu，ZrO2-ZrO2，AlN-AlN，AlN-Cu釬焊接頭的抗剪強度介于31～35MPa之間。除錫基低溫釬料的研究外，德國有研究人員使用Au-12Ge釬料進行了Al2O3陶瓷與鈦合金的釬焊研究，其中Al2O3表面依次進行了金屬化處理CrNi/Ti(50～60nm)/Au(2μm)，而鈦合金表面依次為Ni(4μm)/Au(2μm)，使用25μm厚度的Au-12Ge釬料。在低于400℃的釬焊溫度下實現了對Al2O3/鈦合金的連接，接頭強度達到108MPa±15MPa。日本東京ToKai大學報道了對裝飾用金剛石和金屬拋光卡具的低溫釬焊工藝。采用Ag-Cu共晶粉和釩氫化物粉末對金剛石表面進行真空金屬化，在溫度為1080K保溫240s，形成V4C3化合物后，Ag-Cu共晶熔化，銀粉沉積在金剛石表面。再用Zn-5Al釬料在大氣中超聲波釬焊金剛石。在金剛石表面形成釩碳化物時產生連續的放熱反應，形成的碳化物包括V4C2。67，V4C3，和V8C7等。臺灣高雄金屬研究發展中心報道了一種SUS316L不銹鋼/A1050鋁合金雙金屬板軋制復合-低溫釬焊技術[14]。500℃時對雙金屬板進行退火熱處理，保溫60min。然后采用低溫釬焊工藝，在大氣環境、無釬劑條件下進行釬焊。釬焊溫度為480℃，試件具有良好的結合強度，約為209～293kg/cm2。研究認為采用軋制復合-低溫釬焊技術制造的其它雙金屬復合板，如Al/Ti，Al/Cu，Al/Nb等，將在換熱器、能源和輕結構等工業領域具有良好的應用前景。

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  納米復合釬料及特殊的釬焊新工藝

美國肯塔基州大學針對鉬合金和Mo-47。7Re合金開展了納米復合釬料的研究，釬料是加入鉬或鉬納米顆粒的Mo-53。5Ni(質量分數，%)，并與不添加納米顆粒的Mo-Ni釬料進行了對比[15]。在1350℃溫度下爐中釬焊，接頭成形情況相似，但是兩者的鋪展特征不同，納米復合釬料的熔點相對較低，更容易鋪展。納米粒子相對于傳統的合金粉末或塊體材料具有低熔點、高活性等特性，利用這些特性，適應于一些特殊場合的應用需求，開展低熔點釬料的研究將具有新穎性，而特殊納米復合釬料的研究與應用將顯示出低溫焊接和特殊性能等一系列優勢。

葡萄牙Minho大學分別采用鈦箔、Ti/Ni/Ti箔、Ni/Al納米疊層材料進行TiAl/TiAl的擴散焊研究(圖3)。通過工藝優化和接頭強度試驗，在800℃/10MPa/60min條件下接頭抗剪強度為226MPa，而在900℃/5MPa/60min條件下可獲得最高抗剪強度314MPa。連接過程中，多層膜將轉變成具有金屬間化合物相的納米結構中間層。多層膜的周期厚度影響接頭的質量和接頭強度，適宜的薄層可以使異種材料接頭的殘余應力降至最低。

圖3 使用 Ni/Al納米疊層箔材作中間層的 TiAl/Ti Al擴散焊接頭的組織形貌

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特殊的釬焊新工藝研究

特殊的釬焊新工藝研究最近也取得一系列新的進展，甚至獲得了新的應用。這些釬焊新工藝包括超聲波輔助釬焊、氣體保護電弧釬焊、等離子釬焊、激光釬焊等。德國開姆尼斯工業大學、漢諾威大學、哈爾濱工業大學、北京工業大學、北京航空航天大學等都對超聲振動輔助釬焊技術進行了研究。釬焊加熱方式可以是感應、火焰或電阻加熱，由于施加了超聲波振動，整個釬焊過程無需釬劑，可以在大氣下對多種母材或異種材料進行釬焊，包括鋁基復合材料、鋁合金、鎂合金、Ti-Al金屬間化合物、Ti/Al、玻璃-金屬、陶瓷-金屬等。例如德國采用錫基復合釬料來釬焊鋁基復合材料，接頭強度分別為14MPa和12MPa；而采用Zn-5Al釬料，在440℃、超聲振動110s的條件下進行釬焊，接頭的抗拉強度可達50～70MPa。

哈工大使用Zn-Al及Zn-Al-Si釬料對Ti/Al進行了超聲波感應釬焊連接，在前者接頭的界面上形成了TiAl3脆性相，而后者形成了Ti7Al5Si12相。分析認為使用不同的釬料會引起接頭界面物相的轉變，超聲波的作用以及釬料中添加硅是決定因素。德國亞琛大學認為，氣體保護熔化釬焊是第三個千年的關鍵焊接技術之一。所用設備與氣體保護熔化焊一樣，但需要用低熔點(900～1100℃)的青銅焊絲(直徑為1mm)，焊接過程采用短弧或脈沖電弧，保護氣體采用Ar+0.5%O2，熱輸入控制到很小，母材不熔化。釬焊接頭強度與熔化焊相當，釬縫的后續拋光工藝很容易實現。氣體保護釬焊不僅在汽車行業的應用變得越來越普遍，而且在其它需要發揮低熱輸入、小變形和對鍍鋅層很小的損害以及高釬焊速度等優勢的場合都是適用的。烏克蘭巴頓電焊研究所研究了低碳鋼薄板的非熔化極電弧釬焊和等離子釬焊。采用專用氬弧焊設備，能進給直徑為0.8～1。6mm的線材，送絲速度平穩調節范圍為0～600cm/min，可以從0～37。8cm/min速度移動焊槍。采用1mm厚的0.8КП鋼作為基體，采用銅基釬料，對接接頭間隙為0，0.3，0.5mm，焊槍端頭到基體距離為2mm。在所有工藝下，釬料都能很好地潤濕鋼板而且背面釬縫成形良好，其中ПМ—72焊料得到最好的結果。此外，采用等離子體加熱和脈沖釬焊可以進一步降低釬焊接頭區的熱輸入。工藝能保證釬焊接頭與基體等強，可用于鍍鋅鋼板的連接。

結束語

概述了最近3年來的4次國際焊接會議有關釬焊技術的最新進展。相關新型釬焊材料研究動向，釬焊新工藝，以及釬焊數值模擬技術的研究思路與應用方向都非常值得關注。及時分析國際焊接技術研究進展，開展前沿跟蹤性研究和再創新，是釬焊專業工作者面臨的任務。隨著國內外釬焊領域焊接技術研究的不斷深入，將會出現新的研究成果，并將陸續推向應用。

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