鋁/銅異種金屬電阻熱輔助超聲波縫焊工藝特性

于江，潘俊林，苗惺林，張洪濤，高建國，蘇昭方

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,威海,264209；3.山東經(jīng)典重工集團(tuán)股份有限公司,濟(jì)寧,272000)

0 序言

鋁/銅異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)兼具鋁合金和銅合金的各自優(yōu)勢(shì)，例如：高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性等，被廣泛應(yīng)用于電力電子、新能源汽車和航空航天等多個(gè)重要工業(yè)領(lǐng)域[1-4].同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也常常涉及到鋁合金和銅合金的焊接，因此獲得高質(zhì)量的鋁銅焊接接頭對(duì)其應(yīng)用具有重要意義.目前國內(nèi)外學(xué)者采用多種焊接方法進(jìn)行鋁/銅異種金屬焊接，包括熔化焊、釬焊、激光焊、擴(kuò)散焊等[5-8].鄧呈敏等人[9]研究了外加縱向直流磁場(chǎng)的鋁銅熔釬焊，結(jié)果表明，加入磁場(chǎng)降低了銅側(cè)界面層厚度，并且改變界面層形狀由平直變成彎曲，起到“機(jī)械咬合”作用.Zhang 等人[10]研究了熱補(bǔ)償工藝下的鋁/銅電阻點(diǎn)焊，結(jié)果表明，過高熱輸入下所得接頭的拉剪強(qiáng)度有所降低.王財(cái)靈等人[11]通過超聲波固相焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬連接，結(jié)果表明，鋁/銅界面處塑性流動(dòng)較大，機(jī)械互鎖作用明顯.然而，由于鋁合金和銅合金的物理性質(zhì)差異較大，焊接過程容易形成脆性的Al-Cu 金屬間化合物，影響焊接接頭強(qiáng)度，因此，基于熔化焊和激光焊等高能量焊接方法較難獲得高質(zhì)量鋁/銅異種金屬焊接接頭[12]，同時(shí)，焊接過程存在熱應(yīng)力問題，接頭中極易形成裂紋等焊接缺陷.釬焊和擴(kuò)散焊工藝需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，焊接效率相對(duì)降低，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到較大限制.

以超聲波縫焊技術(shù)為主的固相連接技術(shù)具有低溫、能耗少、無飛濺等一系列特點(diǎn)，焊接過程主要依靠超聲壓頭通過高頻振動(dòng)產(chǎn)生的能量傳遞到工件之間，在壓力作用下利用焊接界面處相對(duì)摩擦形成的高溫和塑性變形實(shí)現(xiàn)原子間的結(jié)合[13-16].課題組前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于一定厚度的板材單獨(dú)的超聲波縫焊技術(shù)僅能獲得部分位置連接的焊接接頭，但超聲波縫焊前置額外加入鎢極氬弧焊電弧預(yù)熱工件促使材料軟化，有利于焊接過程能量傳遞，可獲得穩(wěn)定的、可靠的焊接接頭[17].

文中嘗試通過電阻熱輔助超聲波縫焊(簡(jiǎn)稱電阻-超聲波縫焊)的方式實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬焊接，并研究電阻熱對(duì)焊接接頭焊縫成形、界面形貌、界面溫度和力學(xué)性能的影響規(guī)律.旨在提供一種新型復(fù)合焊接方式，為單獨(dú)超聲波縫焊焊接異種金屬能量不足提供新思路.

1 試驗(yàn)方法

焊接試驗(yàn)所用母材為T2 紫銅和6061 鋁合金板材，試樣尺寸均為250 mm × 60 mm × 1 mm.圖1為鋁/銅電阻-超聲波縫焊示意圖.焊接接頭采用搭接方式，重疊區(qū)域?qū)挾葹?2 mm，焊接時(shí)選擇鋁合金位于上側(cè)，銅合金位于下側(cè).經(jīng)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，受焊接設(shè)備功率影響如果采用單獨(dú)超聲波縫焊直接焊接鋁/銅異種金屬，無法獲得有效連接的焊接接頭.試驗(yàn)選擇厚度為0.1 mm 的1060 純鋁箔作為中間層，是因?yàn)楹附舆^程中純鋁的加入可增加連接界面處的摩擦，促進(jìn)界面間的機(jī)械結(jié)合.所有材料在焊前均依次通過砂紙打磨、丙酮和酒精超聲清洗.如圖1 所示，在整個(gè)焊接過程中將電阻縫焊和超聲波縫焊復(fù)合產(chǎn)生的共同熱量實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬連接，其中所用超聲波縫焊機(jī)為實(shí)驗(yàn)室自行研制，額定功率2 kW.超聲波壓頭滾輪表面被預(yù)先加工交叉齒形紋理，促使超聲能量更好傳遞到焊接區(qū)域.試驗(yàn)所用電阻縫焊電源為FNY-75 型可移動(dòng)手持式滾焊機(jī)，焊接電源的正負(fù)極分別接到電阻縫焊焊輪上，電源輸出穩(wěn)定的焊接電流依次通過焊輪、6061 鋁合金、1060 純鋁箔、T2 紫銅、焊輪形成一個(gè)閉合回路.焊接時(shí)滾焊機(jī)和電阻縫焊電源同時(shí)開啟，焊輪在前，超聲波壓頭在后，通過滾焊機(jī)產(chǎn)生的焊接電流預(yù)熱工件，促進(jìn)材料的軟化，超聲壓頭在后實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬固相連接.基于前期探索性試驗(yàn)，選擇的焊接工藝參數(shù)如表1 所示.

圖1 鋁/銅電阻-超聲波縫焊示意圖Fig.1 Schematic diagram of Al/Cu with resistance heatassisted ultrasonic seam welding

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters

待焊接完成后，通過電火花線切割沿著垂直于焊接方向制備金相試樣和拉剪試樣(寬度為10 mm).經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的金相制樣程序(打磨、拋光)后，通過Zeiss Merlin Compact 型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)和EDAX Octane Plus 型能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)觀察鋁/銅焊接接頭微觀組織和界面形貌.同時(shí)，在室溫下采用WD-P4504 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試接頭的拉剪性能，拉剪速率為0.5 mm/min，每個(gè)焊接參數(shù)選擇3 個(gè)拉剪試樣結(jié)果平均值作為最終結(jié)果，并利用掃描電子顯微鏡觀察接頭的斷口形貌.圖2 為探究電阻熱對(duì)焊接區(qū)域界面溫度場(chǎng)影響的示意圖.通過AT4208 型多路測(cè)溫儀采集整個(gè)焊接過程下銅與中間層界面處溫度變化.

圖2 測(cè)溫示意圖Fig.2 Schematic diagram of temperature measurement

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭宏觀形貌

圖3 為單獨(dú)超聲波縫焊和電阻-超聲波縫焊下獲得焊接接頭的宏觀形貌.由圖3a 可知，單獨(dú)超聲波縫焊獲得的焊接接頭焊縫成形良好，在壓力作用下，超聲波壓頭表面齒形紋理在鋁合金表面留有鋸齒狀壓痕.從圖3b 可知，電阻熱加入后，電阻-超聲波縫焊獲得接頭的鋁合金表面除鋸齒狀條紋壓痕外，部分材料會(huì)粘在超聲波壓頭上，這主要是因?yàn)殡娮锜釙?huì)預(yù)熱母材，鋁合金表面發(fā)生軟化.

圖3 不同焊接方式下接頭的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the welded joints with different welding methods.(a) single ultrasonic seam welding；(b) resistance heat-assisted ultrasonic seam welding

2.2 焊接接頭微觀組織

2.2.1 單獨(dú)超聲波縫焊接頭

圖4 為無電阻熱輔助下單獨(dú)超聲波縫焊獲得的鋁/銅焊接接頭的界面結(jié)構(gòu)，鋁合金表面生成不同深度的鋸齒狀壓痕，最大壓痕深度約為75.8 μm，這主要是因?yàn)槌暡▔侯^沿著垂直于焊接方向產(chǎn)生縱向高頻振動(dòng)，并且壓頭表面存在齒狀條紋，在焊接壓力和高頻振動(dòng)的作用下，鋁合金表面會(huì)發(fā)生塑性變形，超聲波壓頭紋理會(huì)嵌入工件，從而形成鋸齒狀壓痕.由圖4b 可以看出，焊接接頭主要由3 個(gè)區(qū)域組成：6061 鋁合金、純鋁箔和T2 紫銅，6061 鋁合金與純鋁箔連接處形成界面I 區(qū)(6061Al/1060 Al 界面)，純鋁箔與T2 紫銅連接處形成界面II 區(qū)(1060Al/Cu 界面).從圖4可知，即使在超聲高頻振動(dòng)能的作用下，界面I 區(qū)僅部分位置發(fā)生連接，界面II 區(qū)中銅側(cè)和鋁側(cè)大部分位置并未形成有效連接，存在明顯的間隙，這主要是因?yàn)閱为?dú)超聲波縫焊形成的能量太小，連接界面處摩擦程度不夠，不足以實(shí)現(xiàn)整個(gè)界面連接，僅在部分位置形成連接.在一定溫度下，鋁/銅異種金屬之間會(huì)形成不同類型的脆性Al-Cu 金屬間化合物，進(jìn)而影響焊接接頭性能.因此，基于EDS 對(duì)中間層/銅界面進(jìn)行線掃描分析，線掃描方向如圖4 黑色箭頭所示.從圖5 可知，Al 和Cu 元素含量分別從0 增加至100%，形成平穩(wěn)的過渡，結(jié)果表明該界面處并未生成Al-Cu 金屬間化合物，可推斷焊接過程中中間層和銅側(cè)主要基于擴(kuò)散方式連接，界面處元素?cái)U(kuò)散距離為2 μm.此外，通過熱電偶對(duì)中間層和銅側(cè)界面溫度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖6 所示，最大界面溫度為140 ℃，根據(jù)Al-Cu 二元相圖可知，進(jìn)一步驗(yàn)證接頭界面處不會(huì)產(chǎn)生Al-Cu 脆性金屬間化合物.

圖4 單獨(dú)超聲波縫焊鋁/銅接頭界面形貌Fig.4 Interface morphology of Al/Cu welded joints with the single ultrasonic seam welding.(a) interfacial morphology of the joints;(b) enlarged image of the A area

圖5 單獨(dú)超聲波縫焊下中間層/銅側(cè)界面處線掃描結(jié)果Fig.5 EDS line result of interlayer/Cu interface with the single ultrasonic seam welding

圖6 不同焊接時(shí)間下單獨(dú)超聲波縫焊中間層/銅側(cè)界面溫度Fig.6 Interface temperature of interlayer/Cu joint interface with single ultrasonic seam welding at different welding time

2.2.2 電阻-超聲波縫焊接頭

圖7 為電阻-超聲波縫焊下鋁/銅接頭的界面形貌.圖7a 為電阻熱輔助超聲波縫焊下鋁/銅異種金屬接頭界面結(jié)構(gòu)形貌.從圖7a 可以看出，鋁合金表面在焊接壓力和超聲波壓頭的共同作用下仍舊會(huì)生成不同深度的鋸齒狀壓痕，最大壓痕深度增加至約為107 μm，相對(duì)單獨(dú)超聲波縫焊獲得壓痕深度提高41%，這主要是因?yàn)樵诤附舆^程中電阻縫焊焊輪位于超聲焊壓頭前方，通過焊輪傳導(dǎo)的焊接電流會(huì)預(yù)熱待焊材料，導(dǎo)致鋁合金表面軟化程度和塑性得到提高，在隨后的焊接壓力作用下，超聲波壓頭嵌入鋁合金板材深度增加，壓痕深度提高.

圖7 電阻-超聲波縫焊下鋁/銅接頭界面形貌Fig.7 Interface morphology of Al/Cu welded joints with resistance heat-assisted ultrasonic seam welding.(a) interfacial morphology of the joints;(b) enlarged image of the B area

由圖7b 中B 區(qū)域放大圖像可知，接頭中仍舊由兩個(gè)連接區(qū)域組成：界面I 區(qū)(6061Al/1060Al 界面)和界面II 區(qū)(1060Al/Cu 界面).從圖7b 可知，界面I 區(qū)部分位置發(fā)生連接，但界面II 區(qū)相對(duì)單獨(dú)超聲波縫焊發(fā)生顯著變化，界面處并未產(chǎn)生明顯的間隙，鋁側(cè)與銅側(cè)形成有效連接，連接區(qū)域明顯增加，這主要是因?yàn)榭p焊電源輸出的電流通過待焊材料時(shí)，待焊材料自身電阻和界面電阻的作用下產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致自身塑性提高，同時(shí)，在電阻熱的作用下材料發(fā)生不同程度的軟化，超聲產(chǎn)生的高頻振動(dòng)能量有效傳遞至連接界面處.此外，在超聲波壓頭縱向往復(fù)振動(dòng)的作用下，Al-Cu 界面處產(chǎn)生一定程度的摩擦力，鋁/銅界面連接程度增加，再加上壓頭自身壓力的作用，鋁/銅界面處元素?cái)U(kuò)散程度增加，形成具有一定強(qiáng)度的焊接接頭.

圖8 為沿圖7 中黑色箭頭方向形成的線掃描結(jié)果.從圖8 可知，Al 和Cu 元素含量分別從0 增加至100%，該界面處并未生成Al-Cu 金屬間化合物，元素?cái)U(kuò)散距離增加至3.9 μm.圖9 為經(jīng)熱電偶測(cè)量的焊接過程下中間層/銅側(cè)界面溫度，從圖9 可知，在電阻熱的作用下，接頭界面溫度由原來的140 ℃增加至190 ℃，提高35.7%，這也是鋁/銅界面處元素?cái)U(kuò)散距離增加的原因，同時(shí)，該溫度下接頭中仍未生成脆性的金屬間化合物.

圖8 電阻-超聲波縫焊下中間層/銅側(cè)界面處線掃描結(jié)果Fig.8 EDS line result of interlayer/Cu interface with resistance heat-assisted ultrasonic seam welding

圖9 不同焊接時(shí)間下電阻-超聲波縫焊中間層/銅側(cè)界面溫度Fig.9 Interface temperature of interlayer/Cu joint interface with resistance heat-assisted ultrasonic seam welding at different welding time

2.3 接頭的拉剪性能

圖10 為通過單獨(dú)超聲波縫焊和電阻-超聲波縫焊獲得的鋁/銅焊接接頭的拉剪試驗(yàn)結(jié)果，其中接頭寬度為10 mm.單獨(dú)超聲波縫焊獲得的焊接接頭拉剪強(qiáng)度為45 MPa，但隨著電阻熱的加入，接頭的拉剪強(qiáng)度顯著提高至75 MPa，比單獨(dú)超聲波縫焊接頭強(qiáng)度提高約為66.7%.這主要是因?yàn)殡娮锜犷A(yù)熱工件，傳入工件熱量增加，機(jī)械嵌合程度增加，塑性變形程度增加，元素?cái)U(kuò)散距離增加.

圖10 鋁/銅接頭的拉剪強(qiáng)度Fig.10 Tensile-shear strength of Al/Cu joint

圖11 為電阻-超聲波縫焊下獲得的鋁/銅接頭拉剪斷裂試樣宏觀形貌.如圖11 所示，純鋁層處于撕裂狀態(tài)，一部分連接至鋁合金處，一部分連接至銅合金處.圖12 為圖11 中黑色C 區(qū)域的二次電子掃描圖像，由圖12 可知，純鋁夾層被嚴(yán)重撕裂，分別殘留在鋁合金和銅合金板材上，這主要是因?yàn)殡娮锜岬募尤?，提高中間層與銅合金界面處溫度，連接界面處塑性變形程度增加，中間層和銅連接程度增加，因而會(huì)導(dǎo)致部分純鋁層殘留在銅側(cè).

圖11 電阻-超聲波縫焊接頭斷口宏觀形貌Fig.11 Macro morphology of fracture surface of resistance heat-assisted ultrasonic seam welding

圖12 電阻-超聲波縫焊接頭斷口二次電子掃描圖像Fig.12 SEM image of fracture surface with resistance heat-assisted ultrasonic seam welding

3 結(jié)論

(1) 以純鋁箔作為中間層，采用電阻-超聲波縫焊方式實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬焊接，通過對(duì)比單獨(dú)超聲波縫焊接頭界面形貌可知，在高頻振動(dòng)作用下，超聲壓頭會(huì)嵌入鋁合金表面，形成不同深度的鋸齒狀壓痕，但電阻熱的加入，可預(yù)熱待焊材料，軟化母材，導(dǎo)致鋁合金表面壓痕深度增加，約為107 μm，相較于單獨(dú)超聲波縫焊獲得壓痕深度提高41%.

(2) 通過熱電偶測(cè)溫儀發(fā)現(xiàn)，電阻-超聲波縫焊方式下中間層/銅側(cè)界面溫度提高至190 ℃，比單獨(dú)超聲波縫焊方式下中間層/銅側(cè)界面溫度提高35.7%，這也促使接頭中間層/銅側(cè)界面處原子擴(kuò)散距離增加，由原來的2 μm 增加至3.9 μm.

(3) 采用電阻-超聲波縫焊獲得接頭的拉剪強(qiáng)度為75 MPa，比單獨(dú)超聲波縫焊獲得接頭拉剪強(qiáng)度提高63.7%；斷口形貌表明，在電阻-超聲波縫焊下獲得接頭斷口位置部分中間層殘留在銅側(cè)，說明電阻熱的作用能夠進(jìn)一步促進(jìn)中間層和銅側(cè)連接.