工藝參數(shù)對6061-T6鋁合金真空擴(kuò)散焊接接頭形貌和性能的影響

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

0 引 言

真空擴(kuò)散焊接是指在一定溫度和壓力下使相互接觸的材料表面產(chǎn)生微觀塑性變形而緊密貼合，以保障材料表面之間的原子互擴(kuò)散，產(chǎn)生原子量級上的結(jié)合而形成整體接頭的一種方法[1]。該技術(shù)的優(yōu)點在于焊后無需再加工、焊接質(zhì)量好、自動化程度高[2]。鋼、銅、鈦合金等金屬易于進(jìn)行擴(kuò)散焊接，鋁合金則因表面存在一層致密的氧化膜而難以進(jìn)行擴(kuò)散焊接。鋁合金表面氧化膜的熔點為2 050 ℃，遠(yuǎn)高于鋁合金的。在擴(kuò)散焊接溫度(0.6Tm～0.9Tm，Tm為鋁合金的熔化溫度)下，該氧化膜既不揮發(fā)，也不會溶入基體，反而阻礙了焊接界面附近鋁原子的擴(kuò)散[3-4]。因此，為了實現(xiàn)鋁合金的擴(kuò)散焊接，必須采用機(jī)械打磨、等離子清洗或化學(xué)清洗等方法去除表面氧化膜；而為了防止二次氧化，還需在處理好的表面涂敷一層有機(jī)保護(hù)劑[3-4]。有機(jī)保護(hù)劑會在擴(kuò)散焊接溫度下蒸發(fā)，無殘留物。目前，鋁合金的擴(kuò)散焊接研究主要集中在鋁合金與其他金屬材料以及鋁合金基復(fù)合材料上，如SiCp/2024Al復(fù)合材料擴(kuò)散焊接[5]、鋁銅異種材料擴(kuò)散焊接[6]、鋁鎂異種材料擴(kuò)散焊接[7]、TC4鈦合金/1060純鋁異種材料擴(kuò)散焊接[8]等；而同種鋁合金材料，特別是6系鋁合金的擴(kuò)散焊接研究較少[9-11]。

為此，作者采用改進(jìn)的化學(xué)清洗方法[9]去除6061-T6鋁合金表面氧化膜后，在不同工藝參數(shù)下對其進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接，研究了焊接溫度、焊接壓力和保溫時間對接頭界面形貌和剪切強(qiáng)度的影響，分析了剪切斷裂形式，確定了最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為厚度2 mm的6061-T6鋁合金板[12]，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.4Si，0.7Fe，0.3Cu，1.0Mg，0.2Cr，0.3Zn，0.2Ti。在試驗材料上截取出尺寸為40 mm×10 mm×2 mm的待焊試樣，采用600#砂紙打磨+化學(xué)清洗以及不經(jīng)打磨直接化學(xué)清洗兩種方式進(jìn)行表面處理,以清除表面氧化膜。化學(xué)清洗工藝均為丙酮脫脂→質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液浸洗(溫度60～80 ℃，浸泡時間3 min)→體積分?jǐn)?shù)為10%的硝酸溶液中和出光(浸泡時間3～5 min)→清水沖洗。化學(xué)清洗后的試樣表面涂上二乙二醇二丁醚有機(jī)保護(hù)劑以防止二次氧化。為了便于后續(xù)剪切強(qiáng)度的測試，接頭形式設(shè)計為搭接接頭，其形狀和尺寸見圖1。采用ZC-ZK-YL150型真空超塑成形/擴(kuò)散連接機(jī)床進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接，焊接溫度為500～560 ℃，焊接壓力為1.0～5.0 MPa，保溫時間為0.5～3 h。

圖1 搭接接頭的形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of lap joint

在焊接接頭連接界面處橫向線切割出金相試樣，經(jīng)砂紙打磨、拋光并用Keller試劑(95 mL H2O+2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1.0 mL HF)腐蝕后，在XJL-03型光學(xué)顯微鏡(OM)下觀察連接界面微觀形貌。使用UTM5000型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸剪切試驗，試樣形狀和尺寸如圖1所示，拉伸速度為1.5 mm·min-1。采用JSM-6360LV型掃描電鏡(SEM)觀察剪切斷口形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 表面處理方法對界面形貌的影響

由圖2可知：采用砂紙打磨+化學(xué)清洗方法去除表面氧化物并擴(kuò)散焊接后，接頭區(qū)域僅存在少量閉合孔洞，焊縫明顯且連續(xù)，說明焊接面未能形成有效連接，推測是因為打磨過程中砂紙上的SiC顆粒脫落并嵌入焊接面，從而阻礙了原子的充分?jǐn)U散；采用直接化學(xué)清洗方法去除表面氧化物并擴(kuò)散焊接后，接頭區(qū)域的未閉合孔洞數(shù)量較少，部分區(qū)域未觀察到明顯焊縫，這說明原子擴(kuò)散較充分，界面結(jié)合較好。后文如無特指，待焊試樣的表面處理方法均為直接化學(xué)清洗方法。

圖2 兩種方法表面處理并真空擴(kuò)散焊接后接頭的OM形貌(焊接溫度520 ℃、焊接壓力4.0 MPa、保溫時間2 h)Fig.2 OM morphology of joints after surface treatment by two methods and then vacuum diffusion bonding (bonding temperature of 520 ℃, bonding pressure of 4.0 MPa, holding time of 2 h): (a) sandpapering+chemical cleaning and (b) direct chemical cleaning

2.2 焊接溫度對接頭形貌和性能的影響

由圖3可知：當(dāng)焊接溫度為500 ℃時，接頭焊縫明顯且連續(xù)，這是由于在較低的焊接溫度下原子難以進(jìn)行擴(kuò)散；當(dāng)溫度升高到520 ℃時，焊縫變窄且變得不連續(xù)，界面未閉合孔洞數(shù)量減少；當(dāng)焊接溫度升高到540，560 ℃時，接頭中幾乎觀察不到焊縫，說明焊接面原子發(fā)生充分?jǐn)U散，晶粒穿過焊接界面并長大；在540，560 ℃下接頭的焊合率相差不大，均達(dá)到94%，焊接面均形成了有效的冶金連接。

圖3 不同焊接溫度下真空擴(kuò)散焊接接頭的OM形貌(焊接壓力4.0 MPa、保溫時間2 h)Fig.3 OM morphology of vacuum diffusion bonded joints at different welding temperatures (bonding pressure of 4.0 MPa, holding time of 2 h)

一般而言，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越高，焊合率越高。擴(kuò)散系數(shù)D與擴(kuò)散溫度T的關(guān)系為

(1)

式中：D0為擴(kuò)散常數(shù)；U為激活能；R為氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1。

6061鋁合金擴(kuò)散焊接時的主要擴(kuò)散原子為鋁原子，其擴(kuò)散常數(shù)為0.1，激活能為9.4×104J·mol-1，代入式(1)可計算得到500 ℃時鋁原子的擴(kuò)散系數(shù)為6.781×10-13，560 ℃時的為4.322×10-12，提高了約6倍。

圖4 真空擴(kuò)散焊接接頭的剪切強(qiáng)度隨焊接溫度的變化曲線(焊接壓力4.0 MPa、保溫時間2 h)Fig.4 Shear strength vs bonding temperature curve of vacuum diffusion bonded joint (bonding pressure of 4.0 MPa, holding time of 2 h)

由圖4可知，擴(kuò)散焊接接頭的剪切強(qiáng)度隨著焊接溫度的升高而增大，但當(dāng)焊接溫度由540 ℃升至560 ℃時剪切強(qiáng)度增幅較小。綜上可知，當(dāng)焊接溫度在540，560 ℃時均能形成質(zhì)量良好的接頭。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，最優(yōu)焊接溫度在540 ℃為宜。

2.3 保溫時間對接頭形貌和性能的影響

由圖5和圖6可知：當(dāng)保溫時間為0.5 h時，焊接接頭的焊縫明顯，接頭剪切強(qiáng)度僅為40 MPa；當(dāng)保溫時間延長到1 h時，接頭部分區(qū)域已觀察不到焊縫，焊縫呈斷續(xù)狀，接頭剪切強(qiáng)度提高到57 MPa；當(dāng)保溫時間延長至2 h時，焊縫消失，焊合率達(dá)到94%，接頭剪切強(qiáng)度增至72 MPa；當(dāng)保溫時間延長至3 h時，接頭焊合率與保溫2 h時的相差不大，但界面連接處的晶粒發(fā)生明顯粗化，接頭剪切強(qiáng)度下降至67 MPa。此外，宏觀觀察還發(fā)現(xiàn)，保溫3 h時的擴(kuò)散焊接接頭發(fā)生了較大變形，厚度方向的變形率達(dá)到39%。綜上可知，保溫時間選擇2 h較佳。

2.4 焊接壓力對接頭形貌和性能的影響

在焊接溫度540 ℃、焊接壓力1.0 MPa、保溫時間2 h條件下，所得擴(kuò)散焊接接頭在進(jìn)行金相制樣時，焊接面發(fā)生分離；而在焊接溫度540 ℃、焊接壓力不小于1.5 MPa、保溫時間2 h條件下未出現(xiàn)上述情況，且接頭中未觀察到明顯且連續(xù)的焊縫，如圖7所示。當(dāng)焊接壓力為1.5，2.5，4.0，5.0 MPa時，焊接接頭的焊合率分別為47.6%，75.9%，92.4%，94%，剪切強(qiáng)度分別為42，63，72，74 MPa。可見隨著焊接壓力的增大，焊合率和剪切強(qiáng)度均增大。當(dāng)焊接壓力由4.0 MPa增至5.0 MPa時，接頭剪切強(qiáng)度的增幅較小，這是因為焊接壓力越大，焊接面間微觀凸起部分的塑性變形越大，這會導(dǎo)致位錯密度的增大而不利于接頭的精密成形。此外，壓力越大，對擴(kuò)散連接機(jī)床的技術(shù)要求也越高。綜合考慮接頭塑性變形量和生產(chǎn)成本，焊接壓力選擇4.0 MPa較佳。

圖5 不同保溫時間下真空擴(kuò)散焊接接頭的OM形貌(焊接溫度540 ℃、焊接壓力4.0 MPa)Fig.5 OM morphology of vacuum diffusion bonded joints for different holding times (bonding temperature of 540 ℃, bonding pressure of 4.0 MPa)

圖6 真空擴(kuò)散焊接接頭的剪切強(qiáng)度隨保溫時間的變化曲線(焊接溫度540 ℃、焊接壓力4.0 MPa)Fig.6 Shear strength vs holding time curve of vacuum diffusion bonded joints (bonding temperature of 540 ℃, bonding pressure of 4.0 MPa)

2.5 剪切斷口形貌

由圖8可知：不同工藝參數(shù)擴(kuò)散焊接接頭的拉伸剪切斷裂形式均為脆性斷裂。當(dāng)焊接溫度為500 ℃、焊接壓力為1.5 MPa、保溫時間為1 h時，接頭剪切斷口上幾乎沒有出現(xiàn)韌窩，接頭韌性很差，這說明原子擴(kuò)散不充分，大量區(qū)域沒有焊合；升高焊接溫度、增大焊接壓力、延長保溫時間后，剪切斷口上的韌窩變多變深，表明接頭在剪切過程中的塑性變形程度增大，擴(kuò)散連接界面結(jié)合得越來越好。

3 結(jié) 論

(1) 未經(jīng)砂紙打磨直接進(jìn)行化學(xué)清洗去除表面氧化膜后，所得6061-T6鋁合金真空擴(kuò)散焊接接頭的界面結(jié)合質(zhì)量更好。

(2) 隨著焊接溫度的升高、焊接壓力的增大和保溫時間的延長，焊接接頭的焊縫變窄并最終消失，剪切強(qiáng)度和焊合率增大；但當(dāng)保溫時間延長到3 h時，焊縫附近晶粒粗化導(dǎo)致剪切強(qiáng)度降低，且接頭厚度方向發(fā)生較大變形；不同工藝參數(shù)下接頭的剪切斷裂形式均為脆性斷裂，焊接溫度的升高、焊接壓力的增大和保溫時間的延長均有利于焊接面的擴(kuò)散連接。

(3) 綜合考慮焊接性能及成本因素，6061-T6鋁合金真空擴(kuò)散焊接較優(yōu)工藝參數(shù)為焊接溫度540 ℃、保溫時間2 h、焊接壓力4.0 MPa。

圖7 不同焊接壓力下真空擴(kuò)散焊接接頭的OM形貌(焊接溫度540 ℃、保溫時間2 h)Fig.7 OM morphology of vacuum diffusion bonded joints at different bonding pressures (bonding temperature of 540 ℃, holding time of 2 h)

圖8 不同工藝參數(shù)真空擴(kuò)散焊接接頭的剪切斷口SEM形貌Fig.8 Shear fracture SEM morphology of vacuum diffusion bonded joints with different process parameters