鍍鎳層對(duì)銅鋁金屬間化合物的影響

張璐瑤,武小娟,孫煥煥,鄭成博,王 聰

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

銅和鋁都具有強(qiáng)氧化性,焊接時(shí)易在接頭處形成硬而脆的金屬間化合物,使接頭易發(fā)生脆斷,降低接頭的力學(xué)性能[1-2]。金屬間化合物的類型、數(shù)量、形態(tài)及分布均對(duì)接頭的性能有影響[3]。因此,減少及避免金屬間化合物的產(chǎn)生及控制其生長成為銅鋁異種金屬焊接的關(guān)鍵。

冷金屬過渡(Cold Metal Transfer,CMT)具有熱輸入小、焊接變形小、無飛濺、焊縫均勻一致等特點(diǎn),特別適合薄板連接[4]。Contreras R等[5]采用CMT焊接技術(shù)對(duì)鋁-鍍鋅低碳鋼進(jìn)行焊接,結(jié)果表明,采用CMT焊接將鋁合金連接到鍍鋅低碳鋼是可行的。李鎮(zhèn)等[6]研究了鍍鎳層對(duì)鋁/鋼異種金屬激光焊接質(zhì)量的影響,表明鍍鎳層能有效阻止鋁鐵間擴(kuò)散反應(yīng),為銅鋁的焊接提供了新思路?；瘜W(xué)鍍鎳可有效提高銅的耐磨性及腐蝕性[7-9],具有不受形狀限制、操作簡便、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文采用CMT焊接技術(shù)對(duì)銅板和鋁板進(jìn)行搭接實(shí)驗(yàn),通過對(duì)銅板進(jìn)行表面化學(xué)鍍鎳,研究鍍鎳層對(duì)金屬間化合物的厚度及焊縫力學(xué)性能表現(xiàn)的影響。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為T2和Al1060薄板,尺寸為200mm×100mm×2mm,采用CMT焊接方法搭接成形,兩種材料成分見表1。焊前需對(duì)T2銅板進(jìn)行鍍鎳處理,對(duì)不同鍍鎳層厚度下的銅板進(jìn)行焊接。

表1 Al1060與T2板的質(zhì)量分?jǐn)?shù) wt%

1.1 化學(xué)鍍鎳工藝

化學(xué)鍍鎳鍍液配方如表2所示。鍍前處理方法為:砂紙打磨→除油除銹→熱水洗→酸洗(體積分?jǐn)?shù)30%HCL,酸洗3min,溫度25℃)→冷水洗→活化(酸性氯化鈀溶液)→水洗→化學(xué)鍍鎳(pH=11,溫度90℃)。

表2 化學(xué)鍍鎳配方

1.2 CMT焊接

將鋁板搭接在銅板上并固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的夾具上,采用TransPlus Synergic 4000 型CMT焊機(jī)進(jìn)行焊接。焊接時(shí),采用直徑φ1.2mm 的鋁硅焊絲ER4043作為填充金屬,并用氬氣保護(hù),焊接參數(shù)如表3所示。

表3 焊接參數(shù)

1.3 形貌與物相分析

運(yùn)用倒置金像顯微鏡、日立公司S-3400N掃描電子顯微鏡(SEM)及X射線衍射儀(XRD)等儀器,對(duì)不同鍍鎳層厚度下焊接所得的接頭進(jìn)行形貌及物相分析。

1.4 力學(xué)性能測試

使用AG-250KNE萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭試樣進(jìn)行拉伸,焊縫位于拉伸試樣中心,拉伸速率為0.5mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍍鎳層厚度及表面形貌分析

利用金相顯微鏡對(duì)不同鍍鎳時(shí)間下試樣進(jìn)行鍍鎳層厚度檢測,用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)不同鍍鎳時(shí)間下的鍍鎳試樣表面形貌進(jìn)行觀察,如圖1所示。

圖1可見試樣截面具有明顯的鍍鎳層,試樣與鍍鎳層結(jié)合緊密且具有明顯的分界線。鍍鎳時(shí)間20min的試樣鍍層平均厚度是2.09μm;鍍鎳時(shí)間40min的試樣鍍層平均厚度是6.36μm;鍍鎳時(shí)間60min的試樣鍍層平均厚度是5.39μm。結(jié)合鍍層形貌變化可知,在40min前隨著鍍鎳時(shí)間的增加,鍍層厚度增加,鍍層形貌呈花狀;但施鍍時(shí)間超過40min后,鍍層厚度反而開始下降,且鍍層形貌花狀物明顯粗大;這是因?yàn)殡S著鍍鎳時(shí)間的增加,溶液中鎳離子減少,同時(shí)由于鍍液pH值降低,導(dǎo)致反應(yīng)速率的降低,出現(xiàn)逆反應(yīng)或其它副反應(yīng);在鍍鎳后期,鍍液顏色發(fā)生改變,銅板鍍鎳層明顯變色,銅板表面出現(xiàn)黑色的氧化鎳雜質(zhì),使鍍層厚度減小,表面形貌粗大。

圖1 鍍鎳層截面厚度與鍍層形貌

2.2 焊接接頭組織形貌及物相分析

將焊接后的接頭部分切成5mm×10mm的試樣,用電子顯微鏡進(jìn)行顯微觀察,不同鍍鎳時(shí)間下接頭組織形貌如圖2所示。

圖2 焊接接頭處組織形貌

由圖2可以看出,焊接接頭處靠銅側(cè)存在向焊縫內(nèi)部生長的連續(xù)致密的金屬間化合物,且隨著鍍層厚度的變化,金屬間化合物的厚度呈現(xiàn)一定的變化趨勢。當(dāng)鍍層厚度由2.09μm增加至6.36μm時(shí),焊接接頭處的金屬間化合物厚度由28.17μm減少至17.05μm;當(dāng)鍍層厚度由6.36μm減少至5.39μm時(shí),接頭處金屬間化合物厚度由17.05μm增加至22.66μm。結(jié)果表明,焊接接頭處金屬間化合物的厚度隨著鍍鎳層厚度的增加而減少。為進(jìn)一步確認(rèn)焊接接頭處金屬間化合物的組成,對(duì)該區(qū)域進(jìn)行物相分析,其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,焊接接頭中存在Cu3.8Ni、Al3Ni2兩種含鎳相。表明鎳層與銅鋁形成固溶體與化合物,有效地阻斷了銅鋁之間的相互擴(kuò)散;鎳層厚度的增加致使接頭處鎳含量增加,增大了鎳與銅鋁形成固溶體與化合物的概率,減少了銅鋁間金屬化合物的形成。

圖3 接頭物相分析結(jié)果

2.3 焊接接頭拉伸性能測試

為檢測銅鋁焊接接頭的力學(xué)性能,對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。將焊好的試樣切割成25mm×100mm的拉伸試樣。不同鍍層厚度下接頭的平均抗拉強(qiáng)度如表4所示。

表4 不同鍍層厚度下接頭的平均抗拉強(qiáng)度

由表4可知,鍍鎳層厚度為2.09μm的試件平均最大抗拉強(qiáng)度為46MPa;隨著鍍鎳層厚度增加至6.36μm時(shí),平均最大抗拉強(qiáng)度為70.77MPa,接近母材Al1060的平均最大抗拉強(qiáng)度(78MPa);試件在鋁側(cè)拉斷而焊接接頭沒有斷裂。結(jié)合物相分析結(jié)果,鍍鎳層的存在有效減少了接頭處金屬間化合物的形成,金屬間化合物厚度小,脆性小,且因?yàn)楹附訜嵊绊憛^(qū)的存在,會(huì)使處于熱影響區(qū)的Al1060的抗拉強(qiáng)度發(fā)生改變。因此當(dāng)鍍鎳層厚度達(dá)到6.36μm時(shí),試件在鋁側(cè)焊接熱影響區(qū)處發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論

(1)隨著鍍鎳時(shí)間的增加,鍍層厚度逐漸增加;但當(dāng)鍍鎳時(shí)間超過40min,隨著鍍鎳時(shí)間的增加,鍍層厚度逐漸下降。鍍鎳40min時(shí),鍍層厚度最大為6.36μm。

(2)隨著鍍鎳層厚度的增加,焊接接頭處金屬間化合物的厚度減小,鍍鎳層厚度最大為6.36μm時(shí),接頭處金屬間化合物厚度最小為17.05μm。物相分析表明在接頭處存在Cu3.8Ni、Al3Ni2兩種含鎳相。鎳層與銅鋁形成固溶體與化合物,有效地阻斷了銅鋁之間的相互擴(kuò)散。

(3)當(dāng)鎳層厚度為6.36μm時(shí),焊接接頭平均最大抗拉強(qiáng)度為70.77MPa,接近母材Al1060的抗拉強(qiáng)度,且在鋁側(cè)熱影響區(qū)處斷裂,接頭呈現(xiàn)出良好的抗拉性。