5A06鋁合金/T2紫銅鑲嵌結(jié)構(gòu)件超聲波復合釬焊

于漢臣，張匯文，閆久春

（1.哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱150001；2.哈爾濱焊接研究所，哈爾濱150080）

0 引 言

銅及其合金導電、導熱性能優(yōu)異，且易于加工成型，但是密度較大且價格較高。鋁合金成本較低，密度約為銅的1/3，且熱電性能與銅合金差距不大。以鋁銅復合結(jié)構(gòu)替代全銅結(jié)構(gòu)，可減少銅合金的使用，減輕構(gòu)件的質(zhì)量，且性能可滿足多數(shù)指標要求[1]。

銅鋁之間的連接是“以鋁代銅”最突出的問題。銅與鋁均屬于易氧化金屬，熔點、熱脹系數(shù)差異很大，過度的化學冶金反應容易生成粗大的脆性化合物，故難以采用傳統(tǒng)熔化焊方法實現(xiàn)連接[2]；壓焊和爆炸焊工藝的焊接變形量很大；摩擦焊、擴散焊等工藝只適用于形狀規(guī)則的簡單構(gòu)件。釬焊具有變形量小、易操作的優(yōu)點，可以滿足復雜構(gòu)件的連接需求[3]。

銅-鋁釬劑的主要成分為氯化物和氟化物熔鹽。氯化物釬劑因吸潮的缺點，易造成銅-鋁接頭的電化學腐蝕[4]。氟化物釬劑的主要成分是氟鋁鹽，具有無腐蝕不潮解的優(yōu)點。氟鋁鹽主要分為KF-AlF3和CsF-AlF3兩類，KF-AlF3的共晶溫度高達558 °C，只能應用于部分高熔點鋁合金與銅之間的釬焊。CsF-AlF3熔鹽的熔點較低，對鎂含量高的合金活性較好，近年來逐漸成為了研究的熱點。但是CsF-AlF3化合物的價格遠高于KF-AlF3，使其不能像傳統(tǒng)Nocolok釬劑一樣廣泛應用[5]。而且利用釬劑進行大面積焊縫或鑲嵌結(jié)構(gòu)的釬焊時，易造成釬劑殘留物夾雜。

超聲波釬焊方法由于其獨特的焊接方式和操作的靈活性，能夠完成特殊及復雜結(jié)構(gòu)等構(gòu)件的精密焊接，已被廣泛應用于異種金屬材料的連接中。崔煒等[3]研究了Sn-Zn釬料釬焊銅/鋁的界面結(jié)構(gòu)，指出銅側(cè)界面化合物的厚度會顯著影響接頭強度。肖勇等[6]研究了Zn-Al釬料釬焊銅/鋁的工藝，通過調(diào)整釬料成分，控制釬焊溫度和超聲處理，實現(xiàn)了對銅側(cè)界面的Cu-Zn-Al化合物厚度和結(jié)構(gòu)的調(diào)控。

本文采用超聲波復合釬焊工藝，實現(xiàn)了5A06鋁合金和工業(yè)純銅的鑲嵌結(jié)構(gòu)的連接，重點研究了結(jié)構(gòu)不同位置結(jié)合界面的微觀結(jié)構(gòu)特征和強度。本文旨在提供一種低溫無釬劑釬焊銅鋁結(jié)構(gòu)的技術，該技術具有后續(xù)處理簡單、無殘留物夾雜和腐蝕的優(yōu)點，對構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式無苛刻要求，特別適用于較大尺寸焊接面積構(gòu)件的連接。

1 試驗材料及工藝

母材選擇5A06鋁鎂合金和工業(yè)純銅。工業(yè)純銅尺寸分別為直徑40 mm、高5 mm的柱體和30 mm×30 mm×5 mm的塊體。鋁合金尺寸為70 mm×70 mm×10 mm，根據(jù)工業(yè)純銅的尺寸，在中心制備有相應尺寸的凹槽，用于純銅的鑲嵌連接。釬料為自行煉制的Zn-5Al-3Cu合金（按質(zhì)量百分比）。釬料的熔點約380 °C，故設定釬焊溫度為400～450 ℃。

焊接設備為精密超聲波復合釬焊系統(tǒng)，該釬焊系統(tǒng)可在無釬劑應用的大氣條件下實現(xiàn)釬焊連接，超聲波振幅范圍為5～18 μm。圖1是利用超聲波復合釬焊工藝連接銅-鋁鑲嵌結(jié)構(gòu)的工藝示意圖。首先利用加熱臺將鋁合金加熱至釬焊溫度，在凹槽中放置釬料合金，待釬料熔化后，在釬料熔體內(nèi)施加超聲，利用超聲空化效應去除鋁合金的氧化膜，使釬料潤濕凹槽表面，如圖1 (a)所示。隨后將銅試樣鑲嵌入凹槽，擠出多余的釬料，施加超聲波使釬料潤濕純銅，超聲波作用時間為10～30 s，如圖1 (b) 所示。停止超聲振動后，將鑲嵌結(jié)構(gòu)試樣從加熱臺取下空冷。

圖1 超聲波復合釬焊工件裝配示意圖

通過線切割切取接頭的截面，按照標準方法制作金相試樣。經(jīng)打磨拋光腐蝕后利用金相顯微鏡（OLYMPUSPMG3）和掃描電子顯微鏡（Quanta200F）觀測其組織；利用掃描電子顯微鏡配置的能譜分析儀（EDAX）對釬縫成分進行分析。

通過電子萬能材料試驗機（Instron-5569），采用剪切強度評價接頭的力學性能；利用Bareiss硬度計測量母材、釬縫中各相的維氏硬度。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 鋁/銅超聲波釬焊接頭組織結(jié)構(gòu)分析

圖2 是銅-鋁釬焊件的整體宏觀圖像。從整體宏觀圖像可以看出，側(cè)焊縫及底部焊縫內(nèi)部均不存在宏觀缺陷，填縫率可達100%，無夾雜或夾氣，焊接質(zhì)量良好。

圖2 焊接樣件宏觀形貌

采用金相顯微鏡對銅-鋁鑲嵌接頭的側(cè)焊縫和底部焊縫進行觀察，結(jié)果如圖3所示。圖3 (a) 是底部焊縫的界面照片。銅側(cè)和鋁側(cè)的氧化膜基本完全去除，并形成了良好的結(jié)合。焊縫中幾乎不存在任何缺陷，只有個別區(qū)域分布著微小氣孔。銅側(cè)界面的區(qū)域出現(xiàn)了不均勻溶蝕，溶蝕深度可達200 μm。該不均勻溶蝕行為與超聲波空蝕效應有關[7]。圖3 (b)是側(cè)焊縫的截面照片，結(jié)果表明，鑲嵌結(jié)構(gòu)的側(cè)焊縫和底部焊縫的組織結(jié)構(gòu)差異不明顯。釬料域的組織主要有4種結(jié)構(gòu)，分別為灰色不規(guī)則樹枝晶(富鋁相)、深黑色富鋅相、淺灰色塊狀組織和淺灰色長條狀化合物。

圖3 界面的金相組織結(jié)構(gòu)

圖4是掃描電子顯微鏡下銅-鋁焊縫組織的微觀結(jié)構(gòu)。表1是焊縫區(qū)域各相的EDS能譜分析結(jié)果。焊縫區(qū)域中α-Al以樹枝晶形式析出長大；基體B為Zn-Al-Cu-Mg四元共晶組織，呈現(xiàn)出典型的共晶組織花樣；C和D的主要元素為Cu和Al，以不同的截面呈現(xiàn)出不同的形狀特征。據(jù)文獻[8]、[9]的研究推斷，該相為CuAl2化合物，在釬縫中析出的主要原因為釬縫內(nèi)Al元素的濃度較高。在個別α-Al樹枝晶的晶間或Zn-Al-Cu-Mg四元共晶的邊緣區(qū)域存在灰色的相(E)，這些相為不均衡凝固過程中析出的η-Zn相。

圖4 界面的金相組織結(jié)構(gòu)

表1 圖4中銅-鋁焊縫區(qū)域各相EDS能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))%

圖5是銅-鋁釬縫鋁合金側(cè)界面放大圖像。鋁合金通過過渡層與釬料層形成了良好的界面結(jié)合，圖5中各相的EDS能譜分析結(jié)果如表2所示。界面組織成分與焊縫內(nèi)部相似，其中深顏色的顆粒E為單質(zhì)Si，其在整個焊縫中數(shù)量較少。界面的線掃描分析結(jié)果(圖5 (b))表明，界面過渡層為Zn元素向鋁合金內(nèi)部擴散所造成，同樣為固溶了Zn元素的α-Al，但是其Zn含量要比焊縫中的α-Al相要少，且局部界面處還存在CuAl2化合物。

圖5 接頭鋁側(cè)界面組織結(jié)構(gòu)

表2 圖5中銅-鋁焊縫區(qū)域各相EDS能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))%

圖6是銅-鋁釬縫銅側(cè)界面的微觀組織。銅側(cè)界面同樣形成了良好的冶金結(jié)合，并存在著反應層。反應層呈現(xiàn)兩種特征，如圖6 (a) 所示的反應層由一種化合物構(gòu)成；圖6 (b) 所示的反應層則呈現(xiàn)出多層的結(jié)構(gòu)，可能由2～3種不同的化合物構(gòu)成。圖6 (a)和(b)的界面反應層中，靠近銅側(cè)的化合物是相同的。如圖7 所示，對多層結(jié)構(gòu)的反應層進行放大觀察，化合物層厚度分布較均勻，約為2～3 μm。圖7中各相的EDS能譜結(jié)果如表3所示。近銅界面?zhèn)鹊幕衔餅镃uZn5化合物相，這與文獻[10]的結(jié)果一致。利用線掃描對銅側(cè)母材到釬縫中元素分布進行了分析，結(jié)果如圖8所示，在界面處隨著Cu元素含量的陡降，Zn、Al元素的含量上升。其中Zn元素的高峰更靠近基體，而Al元素的高峰則更靠近釬料。這說明界面處化合物應該為Cu-Zn化合物，而反應層中的其它化合物主要是CuAl2化合物和Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物，后一種化合物與文獻[11]描述的相一致。

圖6 接頭銅側(cè)界面組織結(jié)構(gòu)

根據(jù)微觀組織的特征，可以推測釬縫的形成過程。超聲波作用下，液態(tài)釬料合金中的空化效應破碎母材表面氧化膜，并發(fā)生母材向釬料內(nèi)部的適量溶解[12]；超聲波的聲流效應使得溶解元素迅速擴散，在液態(tài)釬料中均勻分布；冷卻過程中，CuAl2化合物和α-Al相固溶體隨機地生成于焊縫中，因此形成了一種較為均勻且類似于復合材料結(jié)構(gòu)特征的焊縫組織；繼而在兩側(cè)界面處并未發(fā)生由于元素偏析而形成的單一粗大組織，特別是銅側(cè)界面，并不存在連續(xù)的粗大的CuAl2和Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物。

圖7 接頭銅側(cè)界面組織結(jié)構(gòu)高倍圖片

表3 銅側(cè)界面組織成分表(質(zhì)量分數(shù)) %

2.2 鋁/銅 超聲波釬焊接頭力學性能分析

圖8 銅側(cè)界面線掃描能譜分析結(jié)果（圖6 中cd 線）

在超聲波復合釬焊的銅-鋁鑲嵌結(jié)構(gòu)中不同部位切取試樣進行剪切測試，得到接頭的剪切強度范圍為89～100 MPa。姬峰等[13]研究了銅側(cè)界面化合物厚度對銅-鋁釬焊接頭強度的影響，當化合物厚度約6～7 μm時，剪切強度最高達77 MPa。張滿等[14]采用Zn-5Al釬料和釬劑釬焊銅-鋁接頭，最高剪切強度約44 MPa。對比可知，采用超聲波釬焊連接銅/鋁接頭所獲得強度比較高，且工藝穩(wěn)定性好，這對于提高銅鋁復合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性顯得尤為重要。圖9為經(jīng)過剪切測試的接頭試樣的宏觀圖片，斷裂主要發(fā)生于接頭中的銅側(cè)界面附近，而個別斷裂區(qū)域位于鋁側(cè)界面附近。

圖9 銅鋁接頭剪切性能測試的斷裂試樣

圖10 為銅側(cè)界面附近的斷裂路徑，其中主裂紋位于界面化合物CuZn5與銅基體的界面處，這與文獻[11]的結(jié)果相類似。少量次裂紋主要分布于近主裂紋的Zn-Al-Cu三元共晶組織及塊狀的CuAl2化合物中，如圖9 (b)所示，且次裂紋之間并未相連。結(jié)果表明，接頭在變形開裂的過程中，三元Zn-Al-Cu共晶組織發(fā)生開裂，裂紋向釬縫內(nèi)部擴展。在主裂紋擴展過程中，部分CuAl2化合物內(nèi)部也發(fā)生了開裂，說明CuAl2化合物本身變形能力較差。

圖10 銅鋁接頭剪切性能測試的斷裂位置

圖11 銅鋁接頭剪切性能測試的斷裂位置

如圖12所示，對銅側(cè)界面的附近組織的硬度進行了測量。硬度數(shù)據(jù)如表4所示。近界面化合物難以獲取硬度數(shù)值，但是可以通過大塊化合物硬度數(shù)值了解到Cu-Al化合物屬于脆硬組織。硬脆化合物屬于對裂紋較為敏感的組織，所以界面硬脆化合物的存在肯定對接頭的性能產(chǎn)生影響。對于Cu-Al元素之間，界面化合物的產(chǎn)生很難避免，合理控制其厚度和種類將有助于提高界面結(jié)合強度。

力學測試結(jié)果表明，采用超聲波復合釬焊方法能夠?qū)崿F(xiàn)銅/鋁的連接，銅側(cè)界面的結(jié)合情況仍是整個接頭的薄弱環(huán)節(jié)，但是與文獻報道的銅-鋁接頭強度相比，本方法的接頭強度較高（95 MPa）。之所以能夠獲得高強度接頭的原因是：將超聲波引入釬焊過程，不僅空化效應有助于實現(xiàn)母材表面氧化膜的去除，而且聲流效應有助于液態(tài)焊縫中的成分均勻化，進而使得最終焊縫獲得均勻分布組織結(jié)構(gòu)及適宜的界面反應產(chǎn)物。

表4 銅側(cè)界面附近組織的硬度分布

圖12 銅鋁接頭中銅側(cè)界面附近組織硬度結(jié)果

3 結(jié)論

1）采用超聲波復合釬焊的工藝實現(xiàn)了5A06鋁合金和工業(yè)純銅鑲嵌結(jié)構(gòu)的連接。利用超聲的空化效應去除了銅、鋁的氧化膜，通過加速銅、鋁元素的溶解，使釬縫中銅、鋁元素比例遠高于釬料成分；利用聲流效應促進了釬縫組織的均勻化，使得接頭不同部位具有相似的微觀結(jié)構(gòu)。

2）釬縫由α-Al枝晶、CuAl2化合物、η-Zn相及Zn-Al-Cu-Mg共晶構(gòu)成。鋁合金側(cè)界面過渡層為Zn-Al擴散層，銅 側(cè) 界 面 形 成 了 連 續(xù) 的 由CuZn5或CuZn5、CuAl2及Al4.2Cu3.2Zn0.7構(gòu)成的單層或多層金屬間化合物層。

3）接頭剪切強度為89～100 MPa，主要斷裂在CuZn5和銅基體的界面處。界面附近的CuAl2和Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物具有較高的硬度。