铜-铝双金属轴承超声预熔覆-钎焊复合连接

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31038

材料工程与机械制造

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铜-铝双金属轴承超声预熔覆-钎焊复合连接

宋娜¹(), 刘静¹, 茄菊红¹, 强巍¹, 李卓霖², 易苏柳², 王浩然²

^1.中国航发西安动力控制科技有限公司，西安 710077
^2.哈尔滨工业大学材料结构精密焊接与连接全国重点实验室，哈尔滨 150001 3．哈尔滨工业大学（威海）山东省特种焊接技术重点实验室，威海 264209

收稿日期:2024-08-03 修回日期:2024-08-31 接受日期:2024-10-09 出版日期:2024-11-08 发布日期:2024-11-07
通讯作者: 宋娜 E-mail:583108875@qq.com
基金资助:
铜-铝轴承双金属连接工艺技术研究（（KJ）HFQT2305GCB001）

Ultrasonic pre-cladding and soldering for composite connecting of copper-aluminum bimetallic bearings

Na SONG¹(), Jing LIU¹, Juhong QIE¹, Wei QIANG¹, Zhuolin LI², Suliu YI², Haoran WANG²

^1.AECC Xi’an Power Control Technology Corporation，Xi’an 710077，China
^2.State Key Laboratory of Precision Welding & Joining of Materials and Structures，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China
^3.Shandong Provincial Key Lab of Special Welding Technology，Harbin Institute of Technology，Weihai，Weiha 264209，China

Received:2024-08-03 Revised:2024-08-31 Accepted:2024-10-09 Online:2024-11-08 Published:2024-11-07
Contact: Na SONG E-mail:583108875@qq.com
Supported by:
Study on Process Technology of Bimetallic Connection of Copper-Aluminum Bearings(（KJ）HFQT2305GCB001)

摘要/Abstract

摘要：

采用Zn-6Al钎料，分别对铝合金基体和铜合金衬套待连接的表面超声预熔覆钎料层，在热装配后进行二次钎焊，实现了轴承组件的连接。通过扫描电子显微镜及能谱仪对预熔覆钎料层后的铝合金、铜合金界面微观组织以及二次钎焊后的接头微观组织进行了表征和分析。同时探究了钎焊保温时间对接头微观组织和力学性能的影响。对比研究了超声预熔覆-钎焊复合连接与直接超声辅助钎焊连接两种方法下接头力学性能差异。此外对通过超声预熔覆-钎焊复合连接制作的轴承试样，使用水浸超声C扫描系统检测焊合率。结果表明，预熔覆后的Al/Zn-6Al、Cu/Zn-6Al界面结合良好，且二次钎焊后形成了无明显缺陷、界面结合良好的Cu/Zn-6Al/Al接头。随着二次钎焊保温时间增加，接头抗剪强度下降，当钎焊保温时间为30 s时，接头最大强度达到135.8 MPa，断裂发生在接头组织中的CuZn₅相处。然而，利用直接超声辅助钎焊连接时，随着超声时间增加，接头抗剪强度呈现先升后降的趋势。当超声作用时间4 s时，接头最大强度达到65.9 MPa，断裂位置位于Cu₅Zn₈相与CuZn₅相交界处。对比于超声预熔覆-钎焊复合连接的接头，其接头抗剪强度较低。此外经检测，通过超声预熔覆-钎焊复合连接的轴承试样的端面焊合率约为99.3%，孔内焊合率约为99.5%，且无贯穿性缺陷。

关键词: 铝合金, 铜合金, 超声预熔覆, 钎焊, 轴承连接

Abstract:

The Zn-6Al solder was used separately to ultrasonically pre-clad the aluminum alloy matrix and the copper alloy bushing surfaces to be connected. The connection of the bearing was achieved by secondary soldering after hot assembly. The interface microstructure of aluminum alloy and copper alloy after pre-cladding a solder layer as well as the microstructure of the joints after the secondary soldering were characterized and analyzed by scanning electron microscopy and energy spectrometry. Meanwhile， the effects of soldering holding time on the microstructure and mechanical properties of joints were investigated. The differences in the mechanical properties of the joints under two methods of ultrasonic pre-cladding and then soldering and direct ultrasonic-assisted soldering were comparatively investigated. Furthermore， the bonding rate of bearing specimens fabricated by ultrasonic pre-cladding and soldering composite connections was tested using a water immersion ultrasonic C-scan system. The results indicated good bonding of the Al/Zn-6Al interface and Cu/Zn-6Al interface after pre-cladding， and the Cu/Zn-6Al/Al joints with no obvious defects formed after secondary soldering. The shear strength of the joint decreased with the increase of the secondary soldering holding time. When the soldering holding time was 30 s， the maximum strength of the joint reached 135.8 MPa， with fracture occurring in the CuZn₅ phase of the joint. However， when using direct ultrasound-assisted soldering method， the shear strength of the joints initially increase and then decrease as the ultrasonic time increases. When the ultrasonic action time was 4 s， the maximum strength of the joint reached 65.9 MPa， with the fracture location located at the junction of the Cu₅Zn₈ phase and the CuZn₅ phase. The shear strength of the joints was lower than the joints obtained by ultrasonic pre-cladding and then soldering. In addition， the bearing specimens connected by ultrasonic pre-cladding and then soldering had a weldability of about 99.3% on the end faces and 99.5% in the holes， with no penetrating defects.

Key words: aluminum alloys, copper alloys, ultrasonic pre-cladding, soldering, bearing connections

中图分类号:

V232.7

宋娜, 刘静, 茄菊红, 强巍, 李卓霖, 易苏柳, 王浩然. 铜-铝双金属轴承超声预熔覆-钎焊复合连接[J]. 航空学报, 2025, 46(8): 431038.

Na SONG, Jing LIU, Juhong QIE, Wei QIANG, Zhuolin LI, Suliu YI, Haoran WANG. Ultrasonic pre-cladding and soldering for composite connecting of copper-aluminum bimetallic bearings[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(8): 431038.

图/表 16

图 1

表 1

图 2

图 3

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表 2

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表 3

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图 10

图 11

图 12

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参考文献 24

1	马芳，刘璐. 航空轴承技术现状与发展［J］. 航空发动机， 2018， 44（1）： 85-90.
	MA F， LIU L. Present situation and development of aviation bearing technology‍［J］. Aeroengine， 2018， 44（1）： 85-90 （in Chinese）.
2	RAOELISON R N， RACINE D， ZHANG Z， et al. Magnetic pulse welding： Interface of Al/Cu joint and investigation of intermetallic formation effect on the weld features［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2014， 16（4）： 427-434.
3	肖勇. 超声波辅助Cu/Al液相钎焊接头冶金连接机制及性能研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2014： 2-11.
	XIAO Y. Study on the metallurgic bonding mechanism and properties of liquid phase brazed Cu/Al joints with the assistance of ultrasound［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2014： 2-11 （in Chinese）.
4	MAI T A， SPOWAGE A C. Characterisation of dissimilar joints in laser welding of steel-kovar， copper-steel and copper-aluminium［J］. Materials Science and Engineering A， 2004， 374（1-2）： 224-233.
5	WEI H， LATIF A， HUSSAIN B， et al. Influence of tool material， tool geometry， process parameters， stacking sequence， and heat sink on producing sound Al/Cu lap joints through friction stir welding［J］. Metals， 2019， 9（8）： 875.
6	CHEN S， WANG D， LI R， et al. Effect of a zinc interlayer on a Cu/Al lap joint in ultrasound-assisted friction stir welding［J］. Journal of Materials Engineering and Performance， 2019， 28： 5245-5254.
7	GAO P， ZHANG Y， MEHTA K P. Metallurgical and mechanical properties of Al-Cu joint by friction stir spot welding and modified friction stir clinching［J］. Metals and Materials International， 2020， 27： 3085-3094.
8	CHENG Q， ZHANG P， SHI H， et al. Study on microstructure and mechanical properties of aluminum-copper dissimilar metals joints by nanosecond laser spiral welding［J］. Transactions of the Indian Institute of Metals， 2022， 75（10）： 2517-2528.
9	XUE Z， HU S， ZUO D， et al. Molten pool characterization of laser lap welded copper and aluminum［J］. Journal of Physics D： Applied Physics， 2013， 46（49）： 495501.
10	DIMATTEO V， ASCARI A， LIVERANI E， et al. Experimental investigation on the effect of spot diameter on continuous-wave laser welding of copper and aluminum thin sheets for battery manufacturing［J］. Optics & Laser Technology， 2022， 145： 107495.
11	CAI F， ZHANG L， LI Y， et al. Study on microstructure and mechanical properties of Cu/Al joints brazed by flux-cored Al-Si filler metal［J］. Vacuum， 2022， 201： 111066.
12	LEI Z， ZHANG X， LIU J， et al. Interfacial microstructure and reaction mechanism with various weld fillers on laser welding-brazing of Al/Cu lap joint［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2021， 67： 226-240.
13	HUANG M L， HUANG Y Z， MA H T， et al. Mechanical properties and electrochemical corrosion behavior of Al/Sn-9Zn-xAg/Cu joints［J］. Journal of Electronic Materials， 2010， 40（3）： 315-323.
14	XIA C， LI Y， PUCHKOV U A， et al. Microstructure and phase constitution near the interface of Cu/Al vacuum brazing using Al-Si filler metal［J］. Vacuum， 2008， 82（8）： 799-804.
15	YANG J， OLIVEIRA J P， LI Y， et al. Laser techniques for dissimilar joining of aluminum alloys to steels： A critical review［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2022， 301： 117443.
16	许志武，李政玮，罗潇雨，等. 铝合金表面液态钎料声致铺展前沿氧化膜行为及其破除机制［J］. 稀有金属材料与工程， 2018， 47（11）： 3426-3432.
	XU Z W， LI Z W， LUO X Y， et al. Oxidation behavior at the frontier of ultrasonic-induced solder spreading on the aluminum alloy surface［J］. Rare Metal Materials and Engineering， 2018， 47（11）： 3426-3432 （in Chinese）.
17	李国栋. 超声作用下镁合金钎料性能及其钎焊过程研究［D］. 北京：北京工业大学， 2014： 96-102.
	LI G D. Study of ultrasonic vibration on the properties of magnesium solder and its soldering process［D］. Beijing： Beijing University of Technology， 2014： 96-102 （in Chinese）.
18	许志武. 液态钎料与铝基复合材料超声润湿复合机理及其应用研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2008： 113-137.
	XU Z W. Mechanism and application of ultrasonic wetting composite between liquid solder and aluminum matrix composites［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2008： 113-137 （in Chinese）.
19	王健，杨晓雨，李卓霖，等. 细晶铝合金低温超声辅助TLP钎焊工艺及机理［J］. 航空学报， 2022， 43（12）： 426236.
	WANG J， YANG X Y， LI Z L， et al. Process and mechanism of low-temperature ultrasonic assisted TLP soldering of fine grain aluminum alloy［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（12）： 426236 （in Chinese）.
20	LI Z L， DONG H J， SONG X G， et al. Homogeneous （Cu， Ni）₆Sn₅ intermetallic compound joints rapidly formed in asymmetrical Ni/Sn/Cu system using ultrasound-induced transient liquid phase soldering process［J］. Ultrasonics Sonochemistry， 2018， 42： 403-410.
21	LIU X， LI Z， XU Z， et al. Effect of ultrasonic power on the microstructure and mechanical properties of TC4 alloy ultrasonically brazed joint using Zn filler［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2022， 119： 4677-4691.
22	LI Y， CUI Z， ZHANG H， et al. Effects of TiZn₃ and TiZn₁₆ components on the microstructure and mechanical performance of Ti-6Al-4V alloy joints formed via ultrasonic assisted brazing using pre-galvanized workpieces［J］. Ultrasonics， 2022， 125： 106782.
23	XU C， YUAN X. The study of microstructure， corrosion resistance and mechanical properties of ultrasonic assisted welding-brazing of Ti-Mg［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2022， 17： 467-477.
24	KOLENAK R， KOSTOLNY I， DRAPALA J， et al. Characterizing the soldering alloy type Zn-Al-Cu and study of ultrasonic soldering of Al7075/Cu combination［J］. Metals， 2020， 11（1）： 27.

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区域	Zn	Al	可能相
A	94.16%	5.84%	Zn-Al共晶
B	98.60%	1.40%	η-Zn
C	62.65%	37.35%	α-Al
D	93.25%	6.75%	Zn-Al共晶

区域	Al	Cu	Zn	可能相
A	2.02%	15.63%	82.35%	CuZn₅
B	44.51%	1.62%	53.87%	富Al相
C	2.97%	14.25%	82.78%	CuZn₅
D	2.51%	39.22%	58.27%	Cu₅Zn₈

区域	Al	Cu	Zn	可能相
A	59.86%	3.28%	36.86%	α-Al
B	9.68%	15.36%	74.96%	CuZn₅
C	7.25%	14.16%	78.59%	CuZn₅
D	49.71%	38.16%	12.13%	Al_4.2Cu_3.2Zn_0.7
E	6.14%	22.57%	71.29%	CuZn₅

[1]	高同州, 贺小帆, 王晓雷, 李紫光, 朱振涛, 詹志新. 基于CDM理论与SVM模型的2014-T6铝合金疲劳寿命预测[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 228952-228952.
[2]	郭伟, 石文泽, 卢超, 胡博, 刘远. 金属薄板厚度激光电磁超声谐振测量方法[J]. 航空学报, 2024, 45(23): 429795-429795.
[3]	应岳峰, 陈琪昊, 王卫东, 毛欣宇. 焊丝超声振动对铝合金熔化极气体保护焊缝成形及气孔的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 428711-428711.
[4]	王相宇, 王锦辉, 仇文豪, 牛金涛, 付秀丽, 乔阳. 不同冷却条件下钛铝合金切削加工材料去除机理和加工表面完整性[J]. 航空学报, 2024, 45(13): 629471-629471.
[5]	李坤, 左春林, 廖若冰, 吉辰, 蒋斌, 潘复生. 增材制造铝合金残余应力研究现状及展望[J]. 航空学报, 2024, 45(12): 29380-029380.
[6]	唐论, 余圣甫, 郑博, 史玉升, 陈颖. 圆柱面点阵自生Al₂O₃铝合金粉芯丝材开发及应用[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 626864-626864.
[7]	林忠钦, 于忠奇, 戴冬华, 樊晓光, 余圣甫, 顾冬冬, 李淑慧, 史玉升. 复杂高筋薄壁构件旋压-增材复合制造技术发展与展望[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 627493-627493.
[8]	金士杰, 王志诚, 田鑫, 孙旭, 林莉. 基于半跨模式波的铝合金板底面缺陷TOFD检测[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 426674-426674.
[9]	邹田春, 巨乐章, 管玉玺, 李泽钢, 陈红呈. 铺层方式对CFRP⁃Al胶接接头疲劳行为的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 428264-428264.
[10]	何盼, 卢超, 石文泽, 朱颖, 陈果, 赵莉萍. 铝合金激光超声表面检测中EMAT接收性能对比[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 428085-428085.
[11]	张志强, 勾青泽, 路学成, 王浩, 曹轶然, 郭志永. 高强铝合金CMT+P电弧增材制造熔滴过渡行为[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 427881-427881.
[12]	张天刚, 黄嘉浩, 侯晓云, 张志强. 激光清洗铝合金表面复合漆层作用机制[J]. 航空学报, 2023, 44(11): 427656-427656.
[13]	赵可汗, 刘多, 朱海涛, 陈斌, 胡胜鹏, 宋晓国. 钎焊温度对C/C/AgCuTi+C_f/TC4接头组织及力学性能的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525007-525007.
[14]	王秒, 王微, 杨云龙, 檀财旺, 王刚. 钎焊时间对CoFeNiCrCu高熵钎料钎焊SiC陶瓷接头组织与性能的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525057-525057.
[15]	杨斯媛, 王颖, 王纪来, 杨振文, 王东坡. Al₂O₃陶瓷与GH3536真空钎焊接头界面组织与力学性能[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525806-525806.

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