異種金屬Al-Cu電阻釬焊接頭微觀組織研究

劉 勇，韓曉輝，葉結(jié)和，李帥貞，王素環(huán)

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

0 前言

銅具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、塑性加工性能、釬焊性及耐蝕性，鋁合金是高速列車制造中使用的主要原材料，高速列車的某些部件需要銅的這些優(yōu)異性能來(lái)滿足其特殊的使用要求，但是Al-Cu異種金屬的焊接存在種種困難，主要有以下幾點(diǎn)：熔點(diǎn)相差大，鋁的熔點(diǎn)約600℃，銅的熔點(diǎn)約1 085℃[1]，兩者焊接時(shí)溫度差太大導(dǎo)致不能同時(shí)熔化；易氧化，在焊接過(guò)程中鋁母材在高溫下會(huì)在表面生成氧化膜，從而阻礙銅母材與鋁母材之間發(fā)生冶金反應(yīng)；易產(chǎn)生裂紋，焊縫中會(huì)生成金屬間化合物，易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，并且兩種材料的熱膨脹系數(shù)差別很大，導(dǎo)致在外力作用下裂紋擴(kuò)展；易腐蝕，由于兩種材料之間存在電位差，在焊接接頭處容易形成電化學(xué)腐蝕；易形成氣孔，在高溫焊接條件下空氣中的水蒸氣會(huì)被熔化的液態(tài)金屬吸收，加熱結(jié)束開(kāi)始冷卻時(shí)溶解在液態(tài)金屬中的氣體沒(méi)有足夠的時(shí)間從焊縫中溢出，最后以氣孔的形式保存到焊縫中。

常規(guī)的關(guān)于Al-Cu異種金屬的焊接方法有真空擴(kuò)散焊、等離子弧焊、釬焊及電子束焊等[2]。以上焊接方法，熔化焊熱量比較分散，不能夠得到良好的焊接接頭；壓力焊雖然可以得到性能良好的焊接接頭，但是對(duì)工件表面處理要求嚴(yán)格，不適宜工廠大規(guī)模焊接生產(chǎn)；釬焊在工廠中應(yīng)用最廣泛，但是技術(shù)仍然不太成熟，釬料和釬劑均有待改善。電阻釬焊是利用電流通過(guò)焊件所產(chǎn)生的電阻熱來(lái)加熱焊件和熔化釬料形成接頭的焊接方法。與其他的釬焊方法相比較，電阻釬焊具有加熱迅速、生產(chǎn)率高、熱量集中、熱影響區(qū)小、勞動(dòng)條件好、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)[3]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)Al-Cu電阻點(diǎn)焊和釬焊的研究較多，但有關(guān)Al-Cu電阻釬焊方面的文獻(xiàn)甚少，因此深入研究電阻釬焊會(huì)為高速列車異種金屬的焊接供重要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 母材成分

本次試驗(yàn)所選用材料為紫銅T2，化學(xué)成分見(jiàn)表1；鋁合金1050A，化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 紫銅T2的化學(xué)成分Table 1 The chemical composition of red copper %

表2 1050A的化學(xué)成分Table 2 The chemical composition of 1050A %

1.2 釬料和釬劑

分別試驗(yàn)了不同種類的釬料。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)銀基釬料的熔化溫度比較高，接近鋁合金熔化溫度，易出現(xiàn)釬料未熔化而鋁合金母材已經(jīng)發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象，所以本試驗(yàn)選用Al-Zn釬料作為研究對(duì)象。試驗(yàn)中所用釬料為9802，化學(xué)成分見(jiàn)表3，釬料形狀為薄片狀。所用焊劑為焊劑1310P，化學(xué)成分見(jiàn)表4，焊劑狀態(tài)為膏狀。

2 試驗(yàn)方法

2.1 焊前準(zhǔn)備

焊前先將母材加工成試件，如圖1所示，焊接切割后的試樣分別在300、600、1 200目水磨砂紙上進(jìn)行打磨，去除其表面氧化層，在超聲波清洗槽清洗20 min后用電吹風(fēng)快速吹干。一般是在完成清洗后2～3 h內(nèi)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，以防止時(shí)間過(guò)久造成二次氧化或污染。

表3 9802的化學(xué)成分Table 3 The chemical composition of 9802%

表4 1310P的化學(xué)成分Table 4 The chemical composition of 1310P %

圖1 焊接試樣示意Fig.1 Shows the welding specimen

2.2 焊接工藝

由于鋁和銅都極易氧化，并且在高溫下容易吸收氮、氫、氧等，極易形成脆性化合物，所以焊接過(guò)程中必須加氬氣保護(hù)。焊前將釬劑均勻涂抹于工件連接面邊緣，然后加裝釬料。焊接過(guò)程采用二次通電方式進(jìn)行，一次通電是對(duì)工件進(jìn)行預(yù)壓和預(yù)熱，預(yù)壓可以使焊件之間建立良好的接觸和導(dǎo)電通路，以保持接觸電阻的穩(wěn)定，同時(shí)預(yù)熱可以延長(zhǎng)焊接過(guò)程，有利于釬料的流動(dòng)和與母材的相互浸潤(rùn)。二次通電為焊接過(guò)程，參考釬料的熔化溫度選擇適當(dāng)?shù)暮附与娏鳌⒑附訒r(shí)間、壓力等參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊縫不同位置的顯微組織分析

圖2為Al-Cu電阻釬焊金相組織圖片。由圖2a可以看出，釬焊焊縫區(qū)由中間殘余釬料層與釬料與兩母材接觸面的擴(kuò)散層組成。觀察圖2b發(fā)現(xiàn)母材向釬料層擴(kuò)散，形成了新的組織[4]，在釬料層中交錯(cuò)混亂排列。圖2c與圖2d金相組織照片表明焊縫成形良好，釬料在鋁和銅接觸面的擴(kuò)散明顯，且釬料和母材之間結(jié)合緊密，未出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾渣和未釬透等缺陷。表明電阻釬焊過(guò)程中所選的釬料和釬劑能夠滿足試驗(yàn)要求，Al-Zn釬料（9802）能夠在母材鋁和銅之間相互潤(rùn)濕、擴(kuò)散，從而形成良好的焊接接頭。

圖2 Al-Cu電阻釬焊金相組織圖片F(xiàn)ig.2 Al-Cu resistance brazing metallographic picture

3.2 電子探針?lè)治?/h3>

用電子探針?lè)治隽蒜F縫中不同組織的元素含量。釬焊接頭釬縫區(qū)電子探針?lè)治鰣D如圖3所示，由圖 3可知釬縫5個(gè)區(qū)（即，I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)和V區(qū)）的各元素分布不均勻，有明顯的元素偏析現(xiàn)象[5]。針對(duì)這一現(xiàn)象，對(duì)焊5個(gè)區(qū)的元素進(jìn)行電子探針成分分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 焊縫各區(qū)中元素成分Table 5 Composition of elements in weld zones %

圖3 釬縫區(qū)電子探針?lè)治鰣D片F(xiàn)ig.3 Electron probe analysis image of weld area

由表5可知：（1）靠近母材銅側(cè)I區(qū)存在Al元素和Zn元素，并且與Cu形成了Cu-Zn、Al-Cu金屬間化合物。而該區(qū)Al、Zn元素含量較少是由于釬焊過(guò)程中各種金屬間化合物的生成阻礙了Al、Zn元素的進(jìn)一步擴(kuò)散[6]，使得靠近銅側(cè)的Al、Zn元素含量最少。（2）釬縫Ⅱ區(qū)出現(xiàn)了Al、Zn含量較高、Cu含量較低的偏析層。Zn在Al中的溶解度很大，在液態(tài)釬料中Zn快速溶解在Al中，形成共晶組織，這些共晶組織呈筍狀，從界面長(zhǎng)出，阻礙了液態(tài)釬料進(jìn)一步擴(kuò)散和潤(rùn)濕，最后導(dǎo)致釬料層中出現(xiàn)Al、Zn含量較高、Cu含量較低的偏析層。（3）釬縫Ⅲ區(qū)中Zn元素含量很低，這是由于釬料在擴(kuò)散和潤(rùn)濕時(shí)大量的Zn快速的溶解在Al中，與Cu形成共晶組織，同時(shí)由于Cu-Zn共晶組織沒(méi)有Cu-Al共晶組織穩(wěn)定，大部分Cu-Zn共晶組織會(huì)分解，降低了焊縫Ⅲ區(qū)中Zn的含量[7]。（4）釬縫Ⅳ區(qū)比較特別，Al元素的含量較少，還伴有新元素Si的出現(xiàn)。（5）靠近母材鋁側(cè)Ⅴ區(qū)中，Al、Zn含量最高、Cu含量較低，該現(xiàn)象表明釬焊過(guò)程中Al、Zn擴(kuò)散比較明顯，Cu元素的擴(kuò)散不明顯。

3.3 鋁側(cè)釬縫元素?cái)U(kuò)散行為分析

圖4為鋁側(cè)釬縫處的主元素線掃描，從圖中觀察到鋁元素含量在30 μm處（鋁母材與釬料擴(kuò)散層的界面結(jié)合處）突然減小，但是三種元素的能譜線在此處沒(méi)有發(fā)生交叉。這說(shuō)明在鋁側(cè)釬縫處這三種元素（Al、Cu、Zn）之間沒(méi)有發(fā)生冶金反應(yīng)，鋁母材與釬料層的結(jié)合原理是釬料中的鋁元素與母材表面的鋁元素在電極壓力的作用下熔化，金屬互相擴(kuò)散結(jié)合[8]。這個(gè)現(xiàn)象也可以從鋁側(cè)釬縫的微觀形貌照片得到驗(yàn)證，從微觀形貌圖中可以發(fā)現(xiàn)鋁母材向與釬料層的擴(kuò)散比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的過(guò)渡界面。

圖4 鋁側(cè)釬縫主元素掃描圖片F(xiàn)ig.4 Scanning image of the main element of aluminum side

3.4 銅側(cè)釬縫元素?cái)U(kuò)散行為分析

圖5為銅側(cè)釬縫處的主元素線掃描圖，觀察發(fā)現(xiàn)在釬料層與銅母材表面結(jié)合的擴(kuò)散層處元素分布比較復(fù)雜，銅元素能譜線與鋁元素能譜線交錯(cuò)、鋅元素能譜線與鋁元素能譜線交錯(cuò)。該現(xiàn)象表明在這個(gè)擴(kuò)散層上，釬料中的合金元素與銅母材表面發(fā)生了冶金反應(yīng)，形成復(fù)雜的Cu-Al與Al-Zn組織[9]，這種組織的出現(xiàn)會(huì)影響接頭的力學(xué)性能。從銅側(cè)的釬縫微觀形貌觀察發(fā)現(xiàn)，釬料層與母材有明顯的分層界面，這種Cu-Al與Al-Zn組織最易在界面處形成。

圖5 銅側(cè)釬縫主元素掃描圖片F(xiàn)ig.5 Scanning image of the main element of copper side

3.5 焊縫接頭的XRD分析

為了研究在釬縫處形成的固溶體或金屬間化合物的成分，對(duì)這些區(qū)域做了XRD分析，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)釬縫中除了鋁元素與銅元素外還有 AlCu4、CuZn、Cu5Zn8、CuAl2、CuO 等化合物，這說(shuō)明在焊接接頭的釬縫處兩種母材與釬料之間的主要元素發(fā)生了一定的冶金反應(yīng)，與釬縫主元素線掃描分析的結(jié)果一致。

圖6 焊縫接頭XRD分析圖Fig.6 XRD analysis diagram of weld joint

4 結(jié)論

（1）使用鋁鋅釬料可以在保證釬料熔化的前提下鋁母材不發(fā)生塑化變形，主要金屬元素與母材Al和Cu能相互擴(kuò)散、浸潤(rùn)，焊縫結(jié)合良好。（2）通過(guò)對(duì)焊縫微觀組織分析，發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)?shù)暮附右?guī)范下，擴(kuò)散層界面結(jié)合緊密、連續(xù)、界面組織良好、無(wú)氣孔、裂紋、未焊合等焊接缺陷，釬料和母材合金元素相互潤(rùn)濕擴(kuò)散良好。（3）焊接接頭的不同位置，元素?cái)U(kuò)散情況不同，出現(xiàn)了明顯的元素偏析現(xiàn)象。鋁側(cè)釬縫處母材與釬料層的連接機(jī)理是母材中的鋁元素與釬料中的鋁元素互相擴(kuò)散形成擴(kuò)散層；而銅側(cè)釬縫的連接機(jī)理為母材中的Cu與釬料中的Al、Zn元素發(fā)生冶金反應(yīng)生成金屬化合物[10]。（4）通過(guò)XRD物相分析，檢測(cè)出釬縫中金屬間化合物的主要成分是 AlCu4、CuZn、Cu5Zn8、CuAl2、CuO，與能譜分析得到的結(jié)果相吻合。

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