鋁/鍍鎳鋼焊接頭的組織形貌及力學(xué)性能分析

林坤藝，皮 鈞，吳聰苗

（集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建廈門(mén)361021）

鋁/鍍鎳鋼焊接頭的組織形貌及力學(xué)性能分析

林坤藝，皮 鈞，吳聰苗

（集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建廈門(mén)361021）

采用超聲焊接對(duì)0.1 mm鋁/鍍鎳鋼片進(jìn)行焊接研究，調(diào)整焊接工藝并獲得不同的焊接接頭。利用力學(xué)性能測(cè)試、硬度測(cè)試和接頭焊縫組織試驗(yàn)，觀察分析接頭強(qiáng)度和硬度的變化，總結(jié)了接頭形成的機(jī)理。結(jié)果表明：焊接時(shí)間與焊接振幅相對(duì)于焊接壓強(qiáng)對(duì)接頭強(qiáng)度的影響較大；焊接振幅對(duì)接頭硬度的影響程度大于焊接時(shí)間，說(shuō)明焊接振幅可提高金屬晶粒的細(xì)化程度；超聲焊接可破碎金屬表面氧化膜，且焊接結(jié)合區(qū)未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的熔化現(xiàn)象，而結(jié)合面的金屬鍵合作用和物理冶金反應(yīng)對(duì)接頭的形成過(guò)程起了關(guān)鍵作用，是實(shí)現(xiàn)固相連接的基礎(chǔ)。

超聲金屬焊接；鋁/鍍鎳鋼；強(qiáng)度；焊接機(jī)理

超聲金屬焊接是對(duì)焊件加壓并將高頻振動(dòng)向下傳遞，使焊件結(jié)合面相互摩擦而形成固態(tài)連接的焊接技術(shù)，可在較薄的金屬材料上實(shí)現(xiàn)焊接，彌補(bǔ)傳統(tǒng)焊接技術(shù)的不足。目前該技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，例如鋁制車(chē)身結(jié)構(gòu)、電池極片等金屬焊接[1-2]。鋁/鍍鎳鋼作為鋰電池金屬極片的原材料，具有良好的導(dǎo)電性、耐腐性及焊接性，可采用微電阻[3]或通過(guò)激光對(duì)極片進(jìn)行微焊[4]，但該方法會(huì)產(chǎn)生大量熱，破壞極片表面；而采用超聲焊接不需對(duì)焊件表面進(jìn)行預(yù)處理，無(wú)須使用通電、加熱等工藝，不會(huì)對(duì)焊件表面造成嚴(yán)重破壞，且焊接強(qiáng)度牢固。

許多國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)超聲焊接的接頭進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5]對(duì)0.1 mm厚鎳片的焊接頭進(jìn)行力學(xué)測(cè)量，得到焊接振幅對(duì)接頭強(qiáng)度影響最大的結(jié)論。文獻(xiàn)[6]對(duì)鋁合金接頭強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，認(rèn)為接頭強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，超過(guò)該范圍后接頭強(qiáng)度迅速下降。文獻(xiàn)[7]對(duì)接頭結(jié)合面表面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Al易產(chǎn)生塑性流動(dòng)粘附在焊接區(qū)域的Ni表面上，得到Ni表面粘附的Al顆粒越多則焊接接頭越牢固的結(jié)論。文獻(xiàn)[8]對(duì)1 mm厚的鋁/銅片進(jìn)行超聲焊接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在焊接能量為1000 J時(shí)，結(jié)合區(qū)會(huì)出現(xiàn)明顯的漩渦狀塑性變形，有助于焊接接頭的形成。

本文對(duì)鋁/鍍鎳鋼片采用超聲技術(shù)進(jìn)行搭接式焊接，分別在焊接頭上采用力學(xué)測(cè)試、硬度測(cè)試和金相組織觀察等方法，分析得到影響接頭強(qiáng)度和硬度的關(guān)鍵參數(shù)，并總結(jié)超聲焊接接頭的形成機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為鋰電池金屬極片：鋁合金和鍍鎳鋼片。鋁合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1，鍍鎳鋼片采用低碳型冷軋鋼帶表面鍍鎳，化學(xué)成分見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)采用搭接方式進(jìn)行超聲金屬焊接，遵循較軟金屬置上的原則將鋁片置上，材料尺寸為40 mm×10 mm×0.1 mm，焊接面積為8 mm×2 mm（圖1）。

表1 鋁合金的化學(xué)成分

表2 鍍鎳鋼片的化學(xué)成分

圖1 超聲焊接試樣尺寸

1.2 焊接工藝方法

采用不同的焊接工藝（表3）焊接得到鋁/鎳焊接接頭。先用CETR UMT樣品測(cè)量?jī)x對(duì)其抗剝離載荷值進(jìn)行測(cè)量，將接頭兩端分別向上折90°并固定在力傳感器上（圖2a），分析焊接工藝對(duì)接頭強(qiáng)度的影響；再用維氏顯微硬度計(jì)對(duì)接頭部分進(jìn)行硬度測(cè)量（圖2b），分析焊接工藝對(duì)接頭組織的細(xì)化程度；然后，用常溫固化透明性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)接頭焊縫截面部位進(jìn)行封裝，依次用粗砂紙和細(xì)砂紙進(jìn)行預(yù)磨，并對(duì)鑲嵌塊平面進(jìn)行機(jī)械拋光；最后，用一定比例的硝酸溶液腐蝕、干燥，采用3D激光掃描顯微鏡觀察，分析接頭焊縫截面的組織形貌。

表3 焊接工藝參數(shù)

圖2 焊接接頭力學(xué)測(cè)試及硬度測(cè)試

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭力學(xué)性能

如圖3a所示，在焊接振幅固定為10 μm時(shí)，不同壓強(qiáng)下的剝離強(qiáng)度隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，最大剝離強(qiáng)度可達(dá)31.3 N。如圖3b所示，在焊接時(shí)間固定為300 ms時(shí)，不同壓強(qiáng)下的剝離強(qiáng)度隨著焊接振幅的增加而增大，這與焊接時(shí)間的影響變化趨勢(shì)相似，說(shuō)明焊接振幅和焊接時(shí)間對(duì)剝離強(qiáng)度的影響較大。如圖3c所示，在焊接振幅固定為10 μm時(shí)，不同焊接時(shí)間下的剝離強(qiáng)度隨著焊接壓強(qiáng)的增大而整體變化不大，甚至有明顯的下降趨勢(shì)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可發(fā)現(xiàn)，焊接時(shí)間與焊接振幅的變化會(huì)嚴(yán)重影響剝離強(qiáng)度，而焊接壓強(qiáng)對(duì)剝離強(qiáng)度的影響較小。

2.2 接頭硬度分析

焊件微觀硬度隨焊接時(shí)間不同的曲線變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。焊件外圍線的鎳合金硬度值均為86 HV，隨著靠近焊接中心，每條曲線均有所上升，但趨勢(shì)稍有不同。當(dāng)焊接時(shí)間為350 ms時(shí)，上升趨勢(shì)最大，中心線較外圍線硬度提高了25%；而在焊接時(shí)間為250、300 ms時(shí)，中心線較外圍線均提高了14%。焊件外圍線的鋁合金硬度值均為42 HV，隨著靠近焊接中心，每條硬度值曲線也隨之升高。當(dāng)焊接時(shí)間為350 ms時(shí)，曲線變化趨勢(shì)最大，中心線較外圍線提高了47%；而當(dāng)焊接時(shí)間分別為250、300 ms時(shí)，硬度值分別提高了20%和33%。

圖3 焊接工藝對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

焊件微觀硬度隨焊接振幅不同的曲線變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。鎳合金在焊接振幅為13 μm時(shí)，其中心線硬度最高可達(dá)113 HV，比外圍線硬度值提高了31%；當(dāng)焊接振幅分別為8、10 μm時(shí)，其微觀硬度值均提高了17%。鋁合金在焊接振幅為13 μm時(shí)，其中心線硬度最高可達(dá)72 HV，比外圍線處提高了59%；而當(dāng)焊接振幅分別為8、10 μm時(shí)，其硬度值分別提高了21%和34%。

圖5 焊接振幅對(duì)接頭微觀硬度的影響

焊件表面硬度值發(fā)生變化是由于在超聲振動(dòng)焊接過(guò)程中，其振動(dòng)效應(yīng)作用于焊接區(qū)域，粗大的晶粒沿剪切方向被粉碎，且隨著塑性變形量持續(xù)增大，晶粒被細(xì)化成更小單位，該過(guò)程使焊接區(qū)域邊緣線及中心線的硬度值高于外圍線。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，鋁面的硬度值比鎳面提升得更多，其原因是焊接過(guò)程中鋁件表面直接與上聲極 （工具頭）接觸，高頻振動(dòng)所帶來(lái)的塑性變形和摩擦熱溫升使上部分材料（鋁合金）的溫度高于下部分材料（鍍鎳鋼片），鋁面瞬間溫度上升得更快，其冷卻速度也大于鎳面，因此鋁面的組織硬度提高得更多[9]。綜合焊件硬度的測(cè)量數(shù)據(jù)說(shuō)明，無(wú)論鋁面還是鎳面的維氏硬度值，焊接振幅對(duì)接頭硬度的影響程度都大于焊接時(shí)間，焊接振幅所提供的振動(dòng)能量更能有效地細(xì)化焊接區(qū)域內(nèi)的金屬晶粒，振幅越大細(xì)化效果越好，接頭硬度也越高，能有效提高接頭質(zhì)量。

2.3 接頭微觀組織分析

2.3.1 焊接時(shí)間對(duì)微觀組織的影響

在焊接實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持焊接振幅為10 μm、焊接壓強(qiáng)為0.15 MPa，觀察不同焊接時(shí)間下獲得的接頭截面微觀組織形貌，結(jié)果見(jiàn)圖6。可看出，隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭結(jié)合區(qū)的金屬塑性變形量隨之變大。當(dāng)焊接時(shí)間為250 ms時(shí)，焊接結(jié)合區(qū)的鋁界面出現(xiàn)了厚度約為0.5～1 μm的裂痕，該裂痕呈現(xiàn)出波浪形狀；隨著焊接時(shí)間延長(zhǎng)至300 ms，鋁界面上的裂痕厚度變小且金屬表面氧化物被去除；進(jìn)一步將焊接時(shí)間延長(zhǎng)至350 ms，接頭處無(wú)裂痕現(xiàn)象，且由于焊接能量充分輸入，焊件界面間的劇烈塑性流動(dòng)產(chǎn)生了厚度約為10～20 μm的變形層，結(jié)合面未出現(xiàn)類(lèi)似犬牙交錯(cuò)的機(jī)械嵌合。

圖6 焊接時(shí)間對(duì)焊縫微觀組織形貌的影響

由于鋁合金本身物理屬性較軟，施加在焊接工具頭的壓力使?jié)L齒結(jié)構(gòu)壓入金屬表面，促使焊接界面處兩金屬之間發(fā)生劇烈摩擦。在此過(guò)程中，焊接界面處的鋁合金表面發(fā)生嚴(yán)重變形并出現(xiàn)微小裂痕。隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，提供給工件結(jié)合處的超聲能量持續(xù)輸入，摩擦運(yùn)動(dòng)不僅粉碎金屬表面氧化膜，所產(chǎn)生的熱量也提高了工件界面的溫升，降低了工件材料的屈服強(qiáng)度，工件易產(chǎn)生塑性流動(dòng)，而微小裂痕在劇烈的塑性變形中消失，促使兩純凈金屬相互貼近（約0.3～0.5 nm）并發(fā)生金屬鍵合，從而實(shí)現(xiàn)固相連接，這階段金屬鍵合對(duì)焊點(diǎn)的形成起了很大的作用。

2.3.2 焊接振幅對(duì)微觀組織的影響

在焊接實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持焊接時(shí)間為300 ms、焊接壓強(qiáng)為0.2 MPa，觀察不同焊接振幅下焊接接頭截面的微觀組織形貌，結(jié)果見(jiàn)圖7。當(dāng)焊接振幅為8 μm時(shí)，焊接界面未能完全形成連接，是因?yàn)楣ぜ砻嬉妆谎趸瑢⒁来胃采w水氣膜、吸附膜和氧化膜，其中氧化膜相對(duì)穩(wěn)定，不易被破壞，而超聲能量較弱的情況下則無(wú)法完全將表面氧化膜去除，形成有效連接；將焊接振幅提高至10 μm時(shí)，工件界面間的氧化膜和污染物被超聲能量破壞去除，焊接界面已基本形成了有效連接；將焊接振幅繼續(xù)提高至13 μm時(shí)，結(jié)合處形成了厚度約為10～15 μm的擴(kuò)散過(guò)渡層，接頭強(qiáng)度進(jìn)一步提高，形成牢固的焊點(diǎn)。

圖7 焊接振幅對(duì)焊縫微觀組織形貌的影響

焊接振幅提高的實(shí)質(zhì)是增大兩工件表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)振動(dòng)速度，即兩者的摩擦速度增加，不僅有利于粉碎金屬表面的氧化膜，且瞬間高溫摩擦熱可使純凈金屬表面迅速發(fā)生塑性變形，促使金屬原子間互相貼近（約0.3～0.5 nm），實(shí)現(xiàn)兩工件間的金屬互相鍵合。更為重要的是，在壓力作用下，劇烈的界面摩擦運(yùn)動(dòng)帶來(lái)瞬間高溫，使原子熱運(yùn)動(dòng)能借助高溫能量增強(qiáng)原子的擴(kuò)散能力，而界面間的擴(kuò)散過(guò)渡層增加，有利于接頭的均勻性和牢固性[10]。這階段焊接界面間的物理冶金反應(yīng)起了重要的作用，促進(jìn)了焊件焊點(diǎn)的形成。

4 結(jié)論

（1）采用超聲金屬焊接對(duì)鋁/鍍鎳鋼片進(jìn)行搭接式焊接，所得的接頭表面平整，能形成連續(xù)焊縫，接頭形成良好，且強(qiáng)度牢固。

（2）分析單因素變量法實(shí)驗(yàn)，得到焊接工藝對(duì)接頭剝離強(qiáng)度有很大的影響，而焊接時(shí)間和焊接振幅的影響程度明顯大于焊接壓強(qiáng)。分析接頭的微觀硬度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得知焊接振幅對(duì)接頭硬度的影響更大，增大焊接振幅能更有效地提高接頭組織的細(xì)化程度。

（3）通過(guò)對(duì)接頭微觀組織形貌進(jìn)行觀察分析，得到金屬表面氧化膜被破壞去除且表面未發(fā)生嚴(yán)重的熔化現(xiàn)象，而焊接中的金屬鍵合作用和物理冶金反應(yīng)在接頭的形成過(guò)程中起了關(guān)鍵作用，是實(shí)現(xiàn)固相連接的基礎(chǔ)。

[1] HETRICK E T，BAER J R，ZHU W，et al．Ultrasonic metal welding process robustness in aluminum automotive body construction applications [J]．Welding Journal， 2009，88（7）：149-158．

[2] TSUJINO J，MURAKOSHI T，SUGIMOTO E．Welding characteristics of aluminum，copper，nickel and aluminum alloy with alumina coating using ultrasonic complex vibration welding equipments[C]//2009 IEEE International Ultrasonics Symposium，2009：1211-1214．

[3] 戈軍委，陳玉華，謝吉林，等．燃料電池用鍍鎳鋼片微電阻點(diǎn)焊接頭組織性能研究 [J]．熱加工工藝，2014，43（19）：33-38．

[4] 陳玉華，戈軍委，龔偉懷，等．0.3mm厚鍍鎳鋼片激光微焊接研究[J]．熱加工工藝，2014，43（7）：224-226．

[5] PARK D S，KIM J H，SEO J S.Ultrasonic welding of Ni thin sheet[J]．International Journal of Mining，Metallurgy and Mechanical Engineering，2013，1（2）：168-172.

[6] GUTENSOHN M，WAGNER G，EIFLER D．Reduction of the adherence of aluminum on ultrasonic welding tools[J]．Schweissen Und Schneiden/welding and Cutting，2005，46（3）：96-101．

[7] 林坤藝，皮鈞，吳聰苗．分階振幅對(duì)薄金屬超聲焊接接頭強(qiáng)度的影響[J]．機(jī)械工程材料，2015，39（2）：22-25．

[8] 李東，趙楊洋，張延松．焊接能量對(duì)鋁/銅超聲波焊接接頭顯微組織的影響[J]．焊接學(xué)報(bào)，2014，35（2）：47-50．

[9] 馬成勇，田志凌，杜則裕，等．熱輸入對(duì)800MPa級(jí)鋼接頭組織及性能的影響[J]．焊接學(xué)報(bào)，2004，25（2）：23-27．

[10]袁志學(xué)，王淑平．塑性變形與軋制原理[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2008．

Analysis of Microstructure and Mechanical Properties for Welded Joints of Al/Ni Plated Steel

Lin Kunyi，Pi Jun，Wu Congmiao
（College of Mechanical and Energy Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，China）

The 0.1 mm of Al and Ni plating steel was welded by ultrasonic metal welding，to acquire different welded joint by control different welding parameters，had adopted the test of mechanical properties，hardness and the observation of welded joint to analyze the change of joint strength and hardness，and summarized the bonding mechanism of welded joint.The results show that welding time and welding amplitude is greater than welding pressure influence on joint strength.The influence degree of welding amplitude is greater than welding time，so it can show that welding amplitude will improve the refinement degree of metal grains.The metal surface oxidation film can be broken by ultrasonic metal welding yet these is not detected any serious melting phenomenon in metalbinding domain，nevertheless the metallic bonding and physical metallurgy plays a key role in the welded joint′s formation，and this is the premise of the solid-state bonding.

ultrasonic metal welding；Al/Ni plated steel；strength；welding mechanism

TG663

A

1009－279X（2016）06－0044-05

2015-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175225）

林坤藝，男，1988年生，碩士研究生。