T2/Al 1060CMT焊接接頭組織及性能研究

劉佩媛，武小娟，孟凡玲

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

T2/Al 1060CMT焊接接頭組織及性能研究

劉佩媛，武小娟，孟凡玲

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

采用冷金屬過(guò)渡焊(CMT)技術(shù)對(duì)T2和Al 1060異種金屬的焊接工藝進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)選用S301焊絲采用搭接方式在不同焊接規(guī)范下得到焊接接頭，對(duì)接頭物相及形貌進(jìn)行觀察和測(cè)試，研究焊接熱輸入對(duì)焊縫組織、力學(xué)性能及斷裂特征的影響，測(cè)試焊縫的力學(xué)性能，討論影響焊縫金屬間化合物厚度的因素。結(jié)果表明：焊接接頭處生成一層致密的金屬間化合物，主要成分為CuAl2、Cu3Al2、CuAl和銅在鋁中的固溶體；隨著焊接熱輸入的減小，金屬間化合物層厚度不斷減小，但焊接熱輸入過(guò)小時(shí)，焊縫潤(rùn)濕性差；焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)斷口在接頭處為脆性斷裂；焊縫處維氏硬度高于兩側(cè)母材。

T2/Al 1060異種接頭；CMT焊；組織與性能

現(xiàn)代工業(yè)對(duì)材料的性能要求越來(lái)越高、對(duì)材料結(jié)構(gòu)的改進(jìn)要求也越來(lái)越強(qiáng)，單一金屬材料已經(jīng)無(wú)法滿足這些需求[1]。銅與鋁的復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)合了兩種金屬的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，由于鋁在地殼中含量豐富、密度遠(yuǎn)小于銅，故以鋁代銅可顯著降低零部件的重量及成本[2]。銅與鋁進(jìn)行焊接時(shí)，由于兩種材料自身具有強(qiáng)氧化性，焊接時(shí)接頭容易形成脆性金屬間化合物，接頭力學(xué)性能降低；另外，由于銅鋁物理性能參數(shù)差異較大[3]，也為銅鋁焊接帶來(lái)很大的困難。CMT(Cold Metal Transfer-冷金屬過(guò)渡)技術(shù)具有熱輸入量小、無(wú)飛濺、焊接速度快、裝配間隙容忍度高、焊接變形小、焊縫均勻一致的特點(diǎn)，特別適用于薄板連接[4]。目前，CMT技術(shù)已被很多領(lǐng)域所應(yīng)用，包括微電子器件、機(jī)車制造行業(yè)、航天領(lǐng)域、橋梁和鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。在鋁/鍍鋅鋼板和鋁/鎂異種金屬焊接方面，應(yīng)用CMT焊接技術(shù)已得到性能良好的焊接接頭，這為研究CMT焊在T2/Al 1060異種金屬焊接方面提供了技術(shù)支持和工藝參考。

銅鋁直接釬焊時(shí)，冷卻過(guò)程中釬縫有大量的CuAl2沿晶界析出[5]。Abdollah-Zad等人[6]研究了Al 1060與3mm純銅FSW焊接接頭微觀組織，得出接頭主要成分為CuAl2、Cu9Al4、CuAl。本文采用CMT法對(duì)銅板和鋁板進(jìn)行搭接實(shí)驗(yàn)，研究焊接熱輸入對(duì)金屬間化合物厚度以及對(duì)焊縫力學(xué)性能表現(xiàn)的影響，討論金屬間化合物層對(duì)焊縫維氏硬度的影響。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)所用材料為T2和Al1060。銅板和鋁板焊接試件的尺寸均為200mm×100mm×2mm。焊前先用丙酮去除母材表面的水漬和油污，用不銹鋼刷打磨銅板和鋁板，最后用酒精清理母材表面的灰塵。將銅板和鋁板固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的夾具上，采用TransPuls Synergic 4000型CMT焊機(jī)對(duì)純銅和純鋁板進(jìn)行搭接焊。CMT焊接系統(tǒng)自帶經(jīng)過(guò)優(yōu)化的專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)焊機(jī)的控制面板選擇焊絲種類，其焊接電流、電壓、送絲速度為一元化調(diào)節(jié)，通過(guò)選擇合適的焊接電流，得到不同的焊接規(guī)范。焊接時(shí)選用直徑Φ1.2mm的純鋁S301焊絲作為填充金屬，采用Ar保護(hù)，Ar流量為20L/min，焊接參數(shù)如表1所示。

表1 焊接參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，橫向切取銅鋁CMT焊接頭試樣，拋光后，采用掃描電鏡(SEM)及能譜測(cè)試儀(EDS)對(duì)接頭的顯微組織進(jìn)行觀察和定量分析，并用X射線衍射儀(XRD)對(duì)焊縫金屬間化合物進(jìn)行定性分析。再橫向切取10mm×100mm的拉伸試樣，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣接頭的抗拉強(qiáng)度。切取焊接接頭區(qū)域，由焊縫中央開(kāi)始左右方向每隔0.25mm取一點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，焊縫兩側(cè)母材區(qū)取點(diǎn)間隔為0.5mm。將測(cè)量值繪制成曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

銅鋁異種金屬焊接的困難在于焊縫極易生成大量的金屬間化合物，這種脆性相嚴(yán)重降低了接頭的力學(xué)性能。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)純銅和純鋁板焊接接頭的顯微組織進(jìn)行觀察，鋁的熔點(diǎn)為660℃，銅的熔點(diǎn)為1084℃，所以在電弧作用下，只有上層鋁板和鋁焊絲熔化，而銅板幾乎未熔，形成了典型的搭接接頭，如圖1所示。

圖1 搭接焊縫接頭示意圖

2.1 焊接熱輸入對(duì)焊縫成形的影響

焊接熱輸入是指熔焊時(shí)，單位長(zhǎng)度上由焊接能源輸入給焊縫上的能量，計(jì)算見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：Q為焊接熱輸入，J/mm；v為焊接速度，mm/s；U為電弧電壓，V；I為焊接電流，A；η為熱傳導(dǎo)系數(shù)，表示實(shí)際傳給工件的熱能與熱源產(chǎn)生的總能量之比。焊縫產(chǎn)生金屬間化合物的主要原因是焊接時(shí)較多的熱輸入量，控制熱輸入量即可有效控制焊縫生成的金屬間化合物層的厚度。用掃描電鏡對(duì)銅鋁異種金屬的焊縫進(jìn)行觀察，分別放大50倍、500倍、1000倍，掃描結(jié)果如圖2所示。

(a)2-3號(hào) 50倍掃描照片

(b)2-3號(hào) 500倍掃描照片

(c)2-3號(hào) 1000倍掃描照片

(d)2-6號(hào) 50倍掃描照片

(e)2-6號(hào) 500倍掃描照片

(f)2-6號(hào) 1000倍掃描照片

從圖2可以看出，在不同焊接參數(shù)下，焊縫處均生成兩層明顯的鋸齒狀金屬間化合物，近銅側(cè)厚度較小，近鋁側(cè)厚度較大。測(cè)量六個(gè)試樣的金屬間化合物厚度，每個(gè)試樣取三個(gè)點(diǎn)，求出平均值，結(jié)果如表2所示。

結(jié)合表1和表2數(shù)據(jù)，繪制金屬間化合物厚度與焊接熱輸入的關(guān)系曲線，如圖3所示。

表2 不同焊接熱輸入對(duì)應(yīng)的接頭金屬間化合物層厚度 μm

圖3 焊接熱輸入與金屬間化合物厚度的變化關(guān)系

由圖3可以看出，6個(gè)焊接試樣，隨著焊接熱輸入的逐漸增大，接頭處金屬間化合物厚度不斷增大。由公式(1)可知，增大焊接電流或減小焊接速度，均使焊接熱輸入增大。焊接熱輸入小時(shí)，金屬間化合物厚度較小，但同時(shí)潤(rùn)濕性差，只有部分區(qū)域連接上；隨著熱輸入的不斷增大，潤(rùn)濕性提高，但同時(shí)金屬間化合物層厚度也不斷增大。這主要是因?yàn)楣虘B(tài)相變過(guò)程中原子擴(kuò)散需要一定的孕育期和驅(qū)動(dòng)力，焊接過(guò)程中，金屬間化合物在孕育期即形成牢固的接頭。如果焊接加熱時(shí)間超過(guò)了孕育期，潤(rùn)濕性得以提高，但無(wú)法避免金屬間化合物的生成。孕育期tH及金屬間化合物層厚度δ關(guān)系見(jiàn)式(2)和式(3)[7]。

(2)

δ2=R(t-tH)

(3)

式中：A為系數(shù)；H為有效活化能，J；R為金屬間化合物層長(zhǎng)大速度的參數(shù)；T為焊接溫度，℃；t為退火時(shí)間(焊接結(jié)束后未進(jìn)行退火熱處理，t=0)，s。若想避免接頭處金屬間化合物的生成，需將焊接時(shí)間控制在孕育期內(nèi)，若焊接時(shí)間固定，則需增大孕育期時(shí)間。當(dāng)焊接熱輸入減少時(shí)，焊接溫度降低，由式(2)～(3)可知，焊接溫度降低使孕育期tH增大，則金屬間化合物厚度減少。綜合以上分析得出結(jié)論：減小焊接電流和增大焊接速度可減少金屬間化合物層厚度。

2.2 接頭微觀組織分布

為進(jìn)一步確定焊縫生成的金屬間化合物成分，用能譜分析儀(EDS)進(jìn)行定點(diǎn)分析，分別在接頭生成的兩層金屬間化合物處取點(diǎn)，得到表3數(shù)據(jù)。

表3 焊縫金屬間化合物分析結(jié)果 %

通過(guò)表3數(shù)據(jù)初步判斷，近Cu側(cè)鋁銅的原子個(gè)數(shù)比接近2∶1，雖然這一層金屬間化合物靠近Cu側(cè)，但其中Al的含量較高，這恰恰反應(yīng)出，采用搭接焊時(shí)，由于銅鋁熔點(diǎn)相差較多，Cu側(cè)基體基本未熔，這一結(jié)果也與預(yù)想相符；近Al側(cè)的鋁銅原子個(gè)數(shù)比接近4：1。為進(jìn)一步確認(rèn)接頭處金屬間化合物成分，用X射線衍射儀(XRD)對(duì)接頭組織進(jìn)行分析，衍射結(jié)果如圖4所示。

圖4 焊接接頭XRD結(jié)果

結(jié)合表3中銅側(cè)鋁銅原子個(gè)數(shù)比及圖4中銅側(cè)XRD曲線可以清晰判斷，焊接接頭生成了CuAl2以及CuAl。將鋁側(cè)的XRD結(jié)果與純鋁標(biāo)準(zhǔn)峰相比較，接頭鋁側(cè)的局部X射線衍射曲線如圖5所示。

圖5 鋁側(cè)衍射峰與純鋁標(biāo)準(zhǔn)峰的比較

圖5中直線代表純鋁的衍射線條，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鋁峰普遍略向左偏移，根據(jù)布拉格定律[8]

2dsinθ=nλ

(4)

式中：θ為入射角，(°)；λ為X射線入射波長(zhǎng)，nm；d為晶面間距，mm；n為系數(shù)。當(dāng)θ變小時(shí)，若λ不變，則d值增大。銅和鋁在液態(tài)無(wú)限相互溶解，在固態(tài)有限相互溶解[5]。所以d值的增大表明鋁側(cè)接頭處固溶了一部分銅。分析圖4中Al側(cè)的衍射曲線可知，產(chǎn)生相Cu3Al2(含鋁原子百分比38.5%～39.9%)和相CuAl2(含鋁原子百分比43.4%～44.3%)[7]，再混合銅在鋁中的固溶體，三種物質(zhì)平均鋁原子百分比可達(dá)80%，符合表3中Al側(cè)鋁原子個(gè)數(shù)比。故接頭生成的金屬間化合物主要成分為CuAl2、Cu3Al2、CuAl和銅在鋁中的固溶體。

2.3 力學(xué)性能表現(xiàn)

為檢測(cè)鋁銅焊接接頭的力學(xué)性能，對(duì)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。將焊好的試樣切割成10mm×100mm的拉伸試樣，焊縫位于拉伸試樣中心，拉伸速率為0.5mm/min，拉伸6個(gè)試樣，拉伸試樣斷裂位置均在焊縫處，如圖6所示，斷口屬于典型的脆性斷裂。再用掃描電鏡對(duì)接頭組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部有氣孔，這可能是由于接頭凝固速度過(guò)快，氣體來(lái)不及溢出，或是過(guò)飽和的氫溢出形成氣孔。因此，接頭處較厚的脆硬金屬間化合物層及內(nèi)部組織的缺陷對(duì)其力學(xué)性能影響很大，致使接頭連接強(qiáng)度降低。

圖6 銅鋁接頭的拉伸試樣

圖7 搭接接頭硬度測(cè)試示意圖

2.4 金屬間化合物層對(duì)維氏硬度的影響

硬度是衡量材料機(jī)械性能的重要指標(biāo)之一。本實(shí)驗(yàn)采用顯微維氏硬度計(jì)來(lái)測(cè)量焊縫、熱影響區(qū)及母材的硬度，找出硬度的變化規(guī)律。從f號(hào)試樣上切取焊接接頭組織，通過(guò)對(duì)焊縫、熱影響區(qū)及母材連續(xù)打點(diǎn)測(cè)量硬度值，依照?qǐng)D7所示的點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試[9]。其中，焊縫中的點(diǎn)間距為0.25mm，母材上的點(diǎn)間距為0.5mm。由于試樣在銅側(cè)的焊縫有明顯的硬度改變，故本實(shí)驗(yàn)采用50g、10g負(fù)荷交替使用，負(fù)荷持續(xù)時(shí)間5s。

用測(cè)量值畫出焊接接頭的顯微硬度分布與離焊縫中心距離之間的關(guān)系曲線，如圖8所示，虛線代表熔合線的位置。

(a)鋁側(cè)焊縫硬度分布

(b)銅側(cè)焊縫硬度分布

圖8a為鋁側(cè)焊縫的硬度分布，從圖中可以看出，鋁側(cè)母材硬度分布均勻，到達(dá)熔合線時(shí)，硬度迅速增大，這是因?yàn)楹缚p處生成了致密連續(xù)的金屬間化合物，又硬又，進(jìn)入焊縫內(nèi)部后，硬度分布均勻，但整體數(shù)值高于母材；圖8b銅側(cè)焊縫的硬度分布也符合這一規(guī)律。由圖8可知，焊縫處平均硬度略高于兩側(cè)母材硬度，熔合線附近由于生成金屬間化合物導(dǎo)致硬度急劇增加，無(wú)法形成滿足使用要求的銅鋁接頭。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)控制焊接工藝參數(shù)影響焊接熱輸入。隨著焊接熱輸入的不斷減小，焊接接頭處金屬間化合物層厚度不斷減小，但熱輸入較小時(shí)，焊縫潤(rùn)濕性較差，接頭不連續(xù)。焊接接頭處生成兩層明顯的鋸齒狀金屬間化合物，近銅側(cè)厚度較小，近鋁側(cè)厚度較大，主要成分為CuAl2、Cu3Al2、CuAl和銅在鋁中的固溶體。

(2)兩側(cè)母材硬度及焊縫處硬度均勻分布，焊縫處硬度高于兩側(cè)母材，熔合線附近由于生成金屬間化合物導(dǎo)致硬度急劇增加，嚴(yán)重影響接頭的機(jī)械性能。

(3)對(duì)焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，結(jié)果顯示斷裂均發(fā)生在焊縫處，為典型的脆性斷裂，這說(shuō)明以S301焊絲為填充金屬時(shí)，采用CMT焊接方法，接頭生成金屬間化合物層厚度過(guò)大，并且內(nèi)部存在氣孔等焊接缺陷。這主要是填充金屬成分過(guò)于單一，不利于異種金屬的熔合。

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Microstructure Characteristics and Mechanical Properties of Cold Metal Transfer Welding T2/Al 1060 Dissimilar Metals

LIU Peiyuan,WU Xiaojuan,MENG Fanling

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Weldability of dissimilar metal between T2 and Al 1060 was researched through CMT.Overlap welding was tried with S301 as welding wire to get welded joint under different welding conditions.The phase and morphology of the welded joints were observed and tested,the influence of heat input to the weld microstructure,mechanical properties and fracture characteristics were studied,testing weld mechanical properties of joints and discussing the factors that affect the thickness between the weld metal compounds.The results show that the welded joints generated a layer of dense intermetallic compound,the main component is CuAl2,Cu3Al2,CuAl and the copper solid solution in aluminum.As the welding heat input is reducing,the thickness of the intermetallic compound layer continuously decreases,the heat input is excessively small,and the weld has poor wettability.The fracture occuring in the weld is regarded as brittle fracture.Vickers hardness in weld is higher than the parent material on both sides.

dissimilar metal between T2 and Al 1060;CMT;microstructure characteristics and mechanical properties

2014-11-10

遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(L2013094)

劉佩媛(1990—)，女，碩士研究生；通訊作者：武小娟(1973—)，女，副教授，研究方向：材料成型連接技術(shù).

1003-1251(2015)06-0024-05

TB31

A