超生波焊接制備功能梯度材料

朱政強，吳宗輝，曾 純，王 倩

(南昌大學 機電工程學院，江西 南昌 330031)

超生波焊接制備功能梯度材料

朱政強，吳宗輝，曾 純，王 倩

(南昌大學 機電工程學院，江西 南昌 330031)

采用超聲波焊接的方法成功制備了功能梯度材料，它具有簡便、環保、快速成型的特點。實驗以鋁合金6061、3003、純鈦、鈦合金Ti-6Al-4V和純鎳為材料，利用超聲波焊接方法制備Al／Ti／Ni功能梯度材料。通過金相顯微分析、顯微硬度分析、EDS分析對其焊接界面的微觀結構、顯微硬度、焊縫原子擴散程度進行測試和表征。結果表明：接頭的結合形式常伴有機械嵌合，結合程度趨于金屬間的鍵合，接頭總體硬度值增大，在焊縫處達到峰值，界面兩側金屬元素能在不到0.2 s的焊接時間下實現界面間的元素相互擴散和滲透，達到梯度材料的設計要求。

功能梯度材料；超聲波焊接；金相分析；顯微硬度分析；EDS分析

0 前言

功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，簡稱FGM)最初是在1984年由日本學者新野正之等人根據航天技術發展的需要而提出的一種新型非均勻復合材料。功能梯度材料的組成和顯微結構不僅是連續分布，而且是可控制的，它通過連續(或準連續)改變兩種材料的結構、組成、密度等因素，使其內部界面減少甚至消失，中間部分的組成和結構連續的呈梯度變化，從而使材料的性質和功能也沿厚度方向呈梯度變化[1-3]。它可以克服不同材料結合的性能不匹配因素，充分發揮材料的優勢。制備方法主要包括粉末冶金法、自蔓延高溫合成法(SHS)、氣相沉積法(CVD和PVD)、電沉積法、激光熔覆法、溶膠—凝膠法等，而超聲波焊接為以后制備功能梯度材料提供了新方法并具有重大的指導意義。用超聲波焊接制備功能梯度材料的優勢是能根據梯度材料的具體性能要求(耐熱性或硬度等呈梯度變化)選擇各種材料(包括物理性能相差懸殊的材料)簡便、環保、快速成型。試驗所設計的功能梯度材料的特性是硬度逐層上升呈梯度變化，在航空航天工業中具有重要的應用價值。

1 試驗材料與方法

試驗選用鋁合金6061、3003、純鈦、Ti-6Al-4V和純鎳五種材料。各合金的化學成分和力學性能如表1、表2所示。 選用NC－4000型超聲波金屬 焊機，功率4 kW，工作頻率20 kHz，試驗原理如圖1所示。制成的試樣用Axioimager A1m金相顯微鏡進行顯微分析，采用HXS－1000Z顯微維氏硬度測試試樣的硬度，最后用SJ－EDSX射線能譜分析儀進行EDS分析。

表1 各合金的化學成分%

表2 材料的力學性能

圖1 超聲波焊接實驗原理

2 試驗結果和分析

2.1 顯微分析

圖2 各焊縫的連接情況

各焊縫顯微組織如圖2所示。由圖2可見，焊縫1、3、4連接緊密，甚至分不清界面，界面結合已達到金屬間的“鍵合”。所謂鍵合指超聲波作用下界面間的氧化物破碎，兩側以純潔金屬接觸，在靜壓力、摩擦功和有限的溫升綜合作用下，使得焊接區域金屬原子被瞬間激活，當原子距離達到0.3～0.5 nm[4]級時有可能通過公共電子形成了原子間的電子橋，最終實現金屬間的鍵合。

焊縫1、焊縫3、焊縫4連接緊密的最主要原因是其各自焊縫兩測金屬硬度相近，在靜壓力、摩擦功和有限溫升的綜合作用下，使焊接區域金屬原子極易被瞬間激活，最終實現金屬間的鍵合。焊縫2出現了明顯的機械嵌合，這種嵌合呈鋸齒狀，鋸齒狀的結構對超聲波焊接接頭的形成非常有利[5]。首先，將兩種材料的貼合改為嵌合，大大增加了材料之間的接觸面積，有利于材料原子之間的相互擴散；其次，在機械嵌合的作用下。兩種金屬材料原子相互靠近，當距離達到足夠小時，就可能由于相互作用力而緊密結合，形成具有重要意義的金屬間“鍵合”。

2.2 鋁、鎳、鈦合金功能梯度材料顯微硬度分析

在剛磨好的金相試樣上測量15個點的顯微硬度值，測試采用：試驗力0.245 N(25 gf)，保壓時間15 s，力施加速度0.05 mm／s，各點平均間距0.1 mm。硬度擬合曲線如圖3所示。

圖3 合金硬度曲線

由圖3可以看出，曲線上出現幾個波峰，這是因為硬度計的點打在近縫區，近縫區是焊接過程中塑性流動最劇烈、位錯密度最大的地方。因此越靠近近縫區焊縫硬度值越大。

2.3 鋁、鎳、鈦合金功能梯度材料EDS分析

本實驗主要目的是看超聲波金屬焊接是否能在不到0.2 s的焊接時間下實現界面間的元素相互擴散。圖4為整個焊接接頭能譜線掃描位置與譜線圖。可以清楚地看到三種能譜分布的元素分別是Al、Ti、Ni。但是發現3003和6061，Ti和Ti6Al4V的界面處并不能區分出各自的波譜。這是因為其兩側金屬的主要元素相同，界面結合達到了金屬間的鍵合。

3003與Ti、Ti6Al4V和Ni焊接接頭能譜線掃描位圖與譜線圖如圖5、圖6所示。可以看到，焊接區域出現了明顯的擴散現象，Al和Ti、Ti和Ni之間相互滲透、擴散。這證明了超聲波金屬焊接能在不到0.2 s的焊接時間內實現界面間的元素相互擴散。究其原因：(1)金屬在超聲波焊接的靜壓力、摩擦功和有限的溫升綜合作用下發生劇烈的塑性流動，造成間隙、空位和位錯的密度急劇增大，而金屬的擴散機制[6]主要來源于其內部結構的缺陷(間隙、空位和位錯)。特別是位錯其擴散激活能不到晶格擴散的一半，加速了擴散的速率。(2)靜壓力和摩擦造成的溫升使原子的擴散系數增大，加速了擴散的進行。

圖4 整個焊接接頭能譜線掃描位置與譜線圖

3 結論

超聲波焊接制備的功能梯度材料，其接頭的結合形式常伴有機械嵌合，結合程度趨于金屬間的鍵合，接頭總體硬度值增大，在焊縫處達到峰值，界面兩側金屬元素能在不到0.2 s的焊接時間內實現界面間的元素相互擴散和滲透，達到梯度材料的設計要求。

[1] To kita M.Development of large size ceramic／metal bulk FGM fabricated by spark plasma sintering[J].Materials Science Forum，1999(308)：83－88.

[2]Liew K M，He X Q，Kitipornchai S，et al.Finite element method for the feedback cont rol of FGM shells in the f requency domain via piezoelect ric sensors and ac2 tuators[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2004，193(3)：257－273.

[3]王 豫，姚凱倫.功能梯度材料研究的現狀與將來發展[J].物理，2000，29(4)：206－207.

[4]張銥洪.鋁片—銅管太陽能集熱板超聲波焊接機理研究[J].焊接技術，2007，36(5)：14－18.

[5]王 軍.鋁片一銅管太陽能集熱板超聲波焊接顯微試驗[J].焊接技術，2009，38(3)：9－12.

[6]李 見.材料科學基礎[M].北京：冶金工業出版社，2006.

Study on the functional gradient materials prepared by ultrasonic welding

ZHU Zheng-qiang，WU Zong-hui，ZENG Chun，WANG Qian
(School of Mechanical＆Electrical Engineering，NanchangUniversity，Nanchang，330031，China)

This article takes the lead in using ultrasonic welding method successfully to prepare Ti／Al／Ni functional gradient materials with 6061 aluminum alloy，pure titanium，titanium alloy，3003Ti-6Al-4V and pure nickel.This method is simple，environment-friendly and forming rapid，its welding interface microstructure，microhardness，weld atomic diffusion degree was investigated by metallographic micro-structure，micro-hardness and EDS analysis.The results showed that the combining form of the joint is often accompanied by mechanical tabling and combining degree tends to the bonding between metals.The total hardness value of joint increases and the maximum hardness value is the one of weld seams，the metal elements on both sides of the interface can diffuse and penetrate through the interface in less than 0.2 seconds welding time.This gradient materials can achieve the design requirements of gradient materials.

functional gradient materials；ultrasonic welding；metallographic analysis；microhardness analysis；EDS analysis

TG453+.9

A

1001-2303(2011)04-0072-04

2010-11-17；

2011-03-15

國家自然科學基金資助項目(50865007)；江西省教育廳2010年度科技計劃重點項目(GJJ10013)

朱政強(1976—)，男，江西人，副教授，博士，主要從事智能金屬結和快速制造的研究工作。

圖5 3003和Ti焊接接頭能譜線掃描位置與譜線圖

圖6 Ti6Al4v和Ni焊接接頭能譜線掃描位置與譜線圖