銅及銅合金真空擴(kuò)散焊接工藝優(yōu)化及接頭組織性能分析

劉 敏 楊自鵬 張麗娜 郭博聞 王華賓 李 躍

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銅及銅合金真空擴(kuò)散焊接工藝優(yōu)化及接頭組織性能分析

劉 敏1楊自鵬2張麗娜1郭博聞1王華賓1李 躍1

(1. 首都航天機械有限公司，北京 100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

采用真空擴(kuò)散焊接技術(shù)進(jìn)行了銅及銅合金焊接工藝試驗，研究了焊接溫度、保溫時間、焊接壓力、鍍層（Ni）對接頭界面組織及性能的影響，并測量分析了接頭金相、力學(xué)性能與顯微硬度。結(jié)果表明：通過鍍鎳有效消除了零件表面粗糙度帶來的不利影響，提高了擴(kuò)散界面的接觸面積，焊合率超過95%；連接界面銅與鎳擴(kuò)散充分且均勻；接頭拉伸強度與母材等強，斷口位于母材側(cè)，為韌性斷口。

真空擴(kuò)散焊；焊接工藝；銅及銅合金；界面組織；性能

1 引言

銅及銅合金因其良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性以及在特定介質(zhì)中良好的耐腐蝕性受到電子、化工、能源動力、航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1]。紫銅晶格結(jié)構(gòu)為面心立方，密度約為鋁的3倍，導(dǎo)電率和熱導(dǎo)率約為鋁的1.5倍。紫銅現(xiàn)有的焊接工藝如氣焊、釬焊、手工電弧焊、TIG焊、電子束焊等[2]無法實現(xiàn)大面積連接復(fù)雜構(gòu)件的焊接。擴(kuò)散焊在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部多點連接、面連接方面具有較大的優(yōu)勢，因此擴(kuò)散焊在大面積銅及銅合金[3～5]的連接方面應(yīng)用前景廣闊。

本文主要研究焊接溫度、焊接時間、焊接壓力及表面鍍鎳對銅及銅合金真空擴(kuò)散焊接的影響，分析接頭組織與力學(xué)性能，為工程應(yīng)用提供借鑒。

2 試驗方法

擴(kuò)散焊接影響因素主要有溫度、壓力、保溫時間、工作介質(zhì)及零件表面狀態(tài)[6]。零件表面粗糙度及配合間隙是形成零件實際接觸面積的一個重要影響因素，通過提高零件加工精度可以有效降低零件表面粗糙度對擴(kuò)散焊接過程的影響，但精加工使生產(chǎn)效率降低，因此擴(kuò)散焊接試驗常采用表面改性，如電鍍、等離子噴涂等工藝降低對零件表面粗糙度和配合間隙的影響[7]。

2.1 試驗材料及設(shè)備

試驗材料選用鋯無氧銅或紫銅，鋯無氧銅為產(chǎn)品用材料，具有較高的強度和良好的加工性能，其化學(xué)成分和物理性能見表1、表2。試驗設(shè)備選用美國真空工業(yè)公司（CVI）的Workhorse II型3520真空擴(kuò)散焊設(shè)備，焊接真空度≤5×10-5torr。

表1 T3紫銅的化學(xué)成分及熱物理性能

表2 CuZr0.15與紫銅T3物理性能

2.2 試驗方法

焊接試板制作成平板與溝槽式平板試片與的銅棒；試件加工盡可能保證待焊面無間隙。在光潔度為a3.2μm的待焊面鍍鎳5～10μm，零件表面光潔度為a1.6μm不作鍍層。

2.3 工藝參數(shù)制定及優(yōu)化

建立焊接溫度、焊接壓力、保溫時間、中間層金屬4因子的正交試驗表，焊后沿試件軸線進(jìn)行剖切取樣，對焊縫縱截面進(jìn)行金相組織分析、EDX成分分析、接頭力學(xué)性能測試，研究焊接溫度、焊接壓力、保溫時間、中間層對銅及銅合金真空擴(kuò)散焊接接頭質(zhì)量及性能的影響。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 焊接參數(shù)對接頭界面結(jié)構(gòu)及性能的影響

3.1.1 焊接溫度的影響

擴(kuò)散連接時，擴(kuò)散溫度高于銅的再結(jié)晶溫度，連接界面附近的母材會發(fā)生再結(jié)晶，晶粒得到細(xì)化。圖1對比不同焊接溫度下焊縫一側(cè)金相組織。在焊接壓力和保溫時間相同的情況下，焊接溫度升高有利于接頭界面元素擴(kuò)散的同時導(dǎo)致晶粒長大、試樣細(xì)化區(qū)變窄。

圖1 焊接溫度對微觀組織的影響

圖1所示試樣6、試樣9細(xì)晶區(qū)寬度分別為1125μm、656μm，接頭力學(xué)性能測量結(jié)果表明：采用試樣9參數(shù)雖然產(chǎn)生了晶粒粗化現(xiàn)象，但接頭強度高于試樣6，基本接近母材強度；試樣9的晶粒粗化現(xiàn)象尚未影響到接頭的力學(xué)性能，在滿足使用要求的前提下，認(rèn)為焊接溫度宜選用+50℃作為正式產(chǎn)品擴(kuò)散焊溫度參數(shù)值。

3.1.2 焊接保溫時間的影響

保溫時間對晶粒長大、界面元素擴(kuò)散起重要作用。對比分析見圖2，焊接保溫時間有利于組織分布及細(xì)化區(qū)晶粒尺寸一致；但時間太長會導(dǎo)致界面附近晶粒粗化嚴(yán)重。因而適當(dāng)控制保溫時間，既可獲得均勻化的微觀組織，又能控制晶粒的粗化現(xiàn)象。

圖2 保溫時間對接頭微觀組織的影響

測量不同保溫時間下試樣細(xì)化區(qū)寬度，試樣11細(xì)化區(qū)最寬，為1425.8μm。三組參數(shù)下的擴(kuò)散連接接頭進(jìn)行力學(xué)性能拉伸試驗，接頭強度隨著焊接時間的增加而增強。綜合焊縫處微觀組織、細(xì)化區(qū)大小及接頭強度的變化趨勢，確定作為保溫時間的優(yōu)化參數(shù)，在該溫度和壓力條件下，雖然引起晶粒粗化，但擴(kuò)散充分，力學(xué)性能高。

3.1.3 壓力的影響

壓力可消除或減小焊接表面不平，增大連接面的實際接觸面積。相對于溫度和時間，壓力對接頭力學(xué)性能提高的貢獻(xiàn)較小，連接面實現(xiàn)接觸后，主要通過材料內(nèi)部原子的擴(kuò)散實現(xiàn)連接。試驗結(jié)果表明，溫度和保溫時間一定的情況下，隨著壓力的增大，接頭變形量增大。階梯加壓，即在正式焊接溫度前采用較大壓力1，正式焊接時壓力降低可有效減少試件變形量，不同加壓方式獲得的焊接接頭如圖3所示。

圖3 正常加壓與階梯加壓獲得的接頭變形

拉伸試驗結(jié)果也表明：采用階梯加壓獲得的接頭焊合情況良好，接頭強度與母材等強。

3.1.4 鍍層的影響

圖4 鍍層對擴(kuò)散焊接頭的影響

鍍鎳試件界面結(jié)合如圖4a所示，界面焊合率達(dá)到了90%以上，銅、鎳擴(kuò)散均勻，無空洞缺陷。無鍍層擴(kuò)散焊接接頭晶界遷移，但接頭焊合率低，分析原因，在焊接參數(shù)一致的條件下，無鍍層、面光潔度為a1.6mm的擴(kuò)散焊接頭表面狀態(tài)如圖4b所示，試件有效連接區(qū)域僅為發(fā)生蠕變的凸起區(qū)域，焊接參數(shù)必須增大到一定值后，才能使待焊表面發(fā)生進(jìn)一步屈服和蠕變，消除待焊表面光潔度對焊合率帶來的不利影響，但焊接規(guī)范的增大引起試件整體變形增大。

3.2 接頭組織及成分分析

圖5為待焊接面鍍鎳、優(yōu)選工藝下的焊縫組織電鏡掃描結(jié)果，焊縫擴(kuò)散均勻緊密，整個焊縫無空洞等缺陷，從圖中可以明顯地看出中間層金屬向母材進(jìn)行了擴(kuò)散；焊縫寬度約50μm，鎳元素從焊縫中間向兩側(cè)擴(kuò)散，母材中的Cu向接頭中擴(kuò)散，但Cu活性不及鎳元素強，因此焊縫中心區(qū)Cu含量最低。

圖5 接頭元素分布

3.3 接頭斷口分析

對優(yōu)選工藝下有中間層、無鍍層擴(kuò)散焊試件進(jìn)行拉伸試驗。拉伸數(shù)據(jù)表明：中間無鍍層試樣抗拉強度等同于母材抗拉強度，延伸率為20%，是母材延伸率的一半；中間鍍鎳層接頭拉斷發(fā)生在母材側(cè)，焊接接頭性能與母材等強或優(yōu)于母材。斷口掃描見圖6，無鍍層拉伸試件焊合區(qū)與機加工后紋路類似，成環(huán)形由內(nèi)向外擴(kuò)展；焊合部位斷口呈韌窩狀，為明顯的韌性斷裂；中間鍍鎳接頭斷口韌窩深且細(xì)小，為韌性斷裂。

圖6 擴(kuò)散焊接試件斷口圖

3.4 接頭顯微硬度測試

圖7 焊縫顯微硬度測量位置圖及硬度趨勢圖

對接頭進(jìn)行顯微硬度測量。測量的位置如圖7a所示的取樣位置，測量點沿著焊縫和垂直焊縫取點，涵蓋母材區(qū)、焊縫位置，圖4b為試樣的顯微硬度分布圖。由圖可見，有鎳層時，焊縫硬度高于母材，這是因為焊縫中心為NiCu固溶體，其硬度要高于母材。由于試驗用母材晶粒較大，細(xì)化作用對硬度的影響不明顯，因此遠(yuǎn)縫區(qū)和近縫區(qū)硬度差別不大。

3 結(jié)束語

a. 試驗獲得了優(yōu)選焊接工藝參數(shù)，采用階梯加壓的工藝規(guī)范進(jìn)行了銅及銅合金的真空擴(kuò)散焊接，獲得焊合良好、焊接變形小的連接接頭；

b. 擴(kuò)散機理表明：發(fā)生了銅、鎳元素向母材的擴(kuò)散，且鎳的擴(kuò)散速率大于銅的擴(kuò)散速率；

c. 金相分析結(jié)果表明：鍍鎳有效消除了零件表面粗糙度帶來的不利影響，提高了擴(kuò)散界面的接觸面積，焊合率超過95%；銅鎳擴(kuò)散充分、均勻；

d. 拉伸測試及顯微硬度結(jié)果表明：擴(kuò)散連接接頭強度達(dá)到母材強度；焊縫區(qū)域硬度因NiCu固溶體的生成高于母材區(qū)硬度；無鍍鎳層，接頭于擴(kuò)散界面處斷裂；鍍鎳擴(kuò)散焊接頭斷裂于母材一側(cè)，斷口呈韌窩斷裂。

1 周振豐，張文鉞. 焊接冶金與金屬焊接性[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1988

2 季杰，馬學(xué)智. 銅及銅合金的焊接性[J]. 焊接技術(shù)，1999(2)：13～15

3 Yu Zhishui, Wang Fengjiang, Li Xiaoling. Diffusion bonding of copper alloy to stainless steel with Ni and Cu interplayer[J]. Trans Nonferrous Met. Soc.China.2000：88～91

4 張麗娜，許青，遲宏波，等. CuZr0.15鋯無氧銅真空擴(kuò)散焊接工藝及力學(xué)性能[J]. 航天制造技術(shù)，2014(3)：6～9

5 魏瑞剛，張麗娜，金盈池，等. 徑向加壓銅噴嘴真空擴(kuò)散焊接工藝及應(yīng)用案例[J]. 航天制造技術(shù)，2017(1)：51～53

6 卡扎柯夫H Q. 材料的擴(kuò)散焊接[M]. 何康生，孫國俊譯. 北京：國防工業(yè)出版社，1982

7 Zhang Jian, Xiao Yuan, Luo Guoqiang, et al. Effect of Ni interlayer on strength and microstructure of diffusion-bonded Mo/Cu joints[J]. Materials Letters, 2012(66): 113～116

Vacuum Diffusion Welding Technology Optimization and Microstructure Analysis of Copper and Copper-alloy

Liu Min1Yang Zipeng2Zhang Lina1Guo Bowen1Wang Huabin1Li Yue1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076；2. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076)

Pure copper and copper-alloy welding experiments were carried out by vacuum diffusion welding technology. The influences of the welding temperature, time, stress and coating (Ni) on interface structure and properties were studied. The microstructure, mechanical properties and the micro-hardness of the joints were measured and analyzed. The results showed that the nickel plating decreased the influence of the surface roughness and enlarged the contact area of the diffusion interface; the bonding rate of the nickel plating joints reached 95%; the diffusion of copper-Ni was equable; the tensile samples always fracture on the pure copper base metal.

vacuum diffusion welding；welding technology；copper and copper-alloy；interface structure；properties

劉敏（1987），工程師，材料成型及控制工程專業(yè)，研究方向：特種焊接技術(shù)。

2018-04-08