55%SiCp/A356Al復合材料電阻點焊接頭微觀組織及性能

范明保，王永亮，殷金龍，王世君，李杏瑞

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062；2.鄭州大學，鄭州 450001)

0 前言

現代科學技術，特別是航空航天、能源、海洋工程及交通運輸工程技術的發展，對材料的性能提出了更高的要求，碳化硅顆粒增強鋁基復合材料(SiCp/Al)具有高比強度、高比模量、低熱膨脹系數、抗磨損能力強、高尺寸穩定性、高耐磨性及良好的導熱導電性、高溫性能與疲勞性能，復合材料的性能隨著SiCp體積分數的提高而變化[1-2]。高體積分數SiCp/Al復合材料在航空航天、船舶、汽車、電子封裝及空間技術等領域具有廣泛的工程應用前景。SiCp/Al復合材料是目前普遍公認的最有競爭力的金屬基復合材料品種之一[3-5]。

文中采用電阻點焊方法連接55% SiCp/A356Al復合材料(體積分數)，通過優化焊接工藝參數，探究最佳接頭組合方式，理論上可以得到需要的熔核直徑、焊接質量和力學性能。并且通過分析焊接接頭宏觀形貌、微觀組織及形成原因，檢測力學性能等，進一步挖掘電阻點焊工藝方法的優勢，為此類材料在實際生產中的大規模推廣應用奠定良好的理論基礎[6-8]。

1 試驗材料與方法

試驗所使用的55% SiCp/A356Al復合材料由哈爾濱工業大學焊接研究所提供，采用真空壓力反浸漬法制備。

SiC顆粒尺寸分布：10～50 μm；形狀為多角狀，在A356Al基體中均勻分布，如圖1所示，將焊接試樣線切割成60 mm×20 mm×1.5 mm。

焊接方案1：采用優化后的焊接工藝參數對55% SiCp/A356Al復合材料直接進行電阻點焊，即兩片試樣直接搭接進行點焊連接，示意圖如圖2所示。

圖2 直接焊接示意圖

焊接方案2：在方案一的基礎上進行改進，在搭接區域加入一層鋁箔(厚度約為6 μm)后再施焊。示意圖如圖3所示。

圖3 加鋁箔夾層焊接示意圖

采用YS-500SA2單相交流固定式點焊機，冷卻水流量為3 L/min，焊前準備：包括打磨、丙酮清洗、吹干。調整工藝參數及材料搭接方式后立即施焊。使用AG-1250kN電子拉伸試驗機檢測點焊接頭抗剪力，加載速度為1 mm/min，用游標卡尺測量熔核直徑；使用PMG-3型光學顯微鏡及HVS-50型顯微硬度計分析點焊接頭微觀組織和顯微硬度；使用XRD分析焊縫組織中的物相組成。最佳點焊工藝參數見表1。

表1 55% SiCp/A356Al點焊工藝參數

2 試驗結果和分析

2.1 點焊接頭的外觀及微觀組織分析

母材在2種方案下焊接后得到的焊接接頭宏觀形貌如圖4所示。可以看出在最佳工藝參數下焊接，點焊接頭成形良好，無壓裂、燒損等缺陷。

根據焊縫組織微觀形貌及產生機理不同，可將焊縫分成3個區域：未焊接母材區、焊縫過渡區(焊縫過渡區：在焊縫外側，金相圖片中可見試樣1與試樣2接觸面中間縫隙連線隱約可見的區域，此區域尚未形成完全的熔核)、焊縫熔核中心區，將點焊接頭沿垂直焊縫的方向切下，制備成標準金相。

圖4 焊接接頭宏觀形貌

焊接接頭從未焊接母材到熔核中心的微觀組織如圖5、圖6所示。圖5a、圖6a可看出，未焊接母材區SiC顆粒分布雜亂無章，顆粒形狀各異，棱角分明。從圖5c、圖6c可看出，熔核中心區SiC顆粒形狀較圓潤，存在少部分棱角狀顆粒，直徑較大顆粒周圍均勻分布著小尺寸顆粒，SiC顆粒分布均勻。由此可見，未焊接母材區向熔核區過渡時，界面線逐漸消失，大小顆粒分布趨于均勻。焊接接頭組織致密，不存在氣孔、顯微裂紋缺陷。

圖5 直接焊接接頭微觀組織及截面示意圖

分析其原因，主要是由于55% SiCp/A356Al復合材料增強相顆粒含量極高，硬度較大，且試樣存在一定厚度，在電極壓力作用下受力較均勻，SiC顆粒流動性差，流動范圍小，顆粒分布均勻。在SiC顆粒移動過程中由于受到高溫影響，形狀突出的棱角部分強度下降，在流動過程中與其他顆粒或基體產生摩擦，逐漸趨于圓滑。在最佳焊接工藝參數下焊接，點焊接頭未觀察到明顯缺陷。

圖6a顯示未焊接母材中間有一層較厚的類金屬狀物質，經分析這一層物質是鋁箔與雜質的混合體，原因是焊接時電極作用力會使試樣兩端發生翹曲變形，焊后使接頭兩端存在縫隙，在制作金相過程中摻進雜質，置于顯微鏡下既呈現此形貌。

圖6 加鋁箔焊接接頭微觀組織及截面示意圖

電阻點焊接頭的抗剪力大小和熔核直徑尺寸能夠有效反映接頭性能。該試驗拉伸過程焊接接頭不經任何處理，直接將接頭裝卡兩端固定在拉伸試驗機上獲得的抗剪力，并將經過拉伸后形成的紐扣狀斷口進行熔核直徑檢測，結果參見表2。分析得出，采取方案2(試樣中間夾鋁箔)后焊接接頭較方案1抗剪力與熔核直徑增大，并且焊接電流減小，冶金結合更加良好。

表2 點焊接頭抗剪力與熔核直徑

總體來說，該試驗連接界面會發生3種結合反應，不同的結合會造成界面連接強度差異，如圖7所示。3種結合反應分別為：①SiC顆粒/SiC顆粒屬于弱連接。此種形式的連接表示SiC顆粒與SiC顆粒直接硬接觸，SiC顆粒本身強度極高，處于固態，接觸界面基本無結合力，即稱為弱連接；②鋁合金基體/SiC顆粒屬于亞弱連接。此種形式的連接表示SiC顆粒鑲嵌在鋁合金基體中，增強相顆粒直接與集基體接觸，與母材本身結構類似，這種界面結合方式具有一定的結合力，屬于于亞弱連接；③鋁合金基體/鋁合金基體屬于強連接。此種形式的連接表示鋁基體與鋁基體直接接觸，鋁合金基體本身具有較低的熔點，基體直接發生那融合具有較強結合強度力，屬于強連接。

界面結合為弱連接時，由于SiC顆粒強度極大、熔點高，相互接觸時基本不發生冶金結合反應，冶金結合效果極差，不利于焊縫熔核，焊接接頭力學性能降低。界面結合為強連接時，由于鋁箔本身具有良好的焊接性，夾在試樣中間有利于基體與增強相顆粒的熔核，故冶金結合效果較好。

由于該試驗所用焊接試樣SiC顆粒體積分數高達55%，所以采用方案一進行直接焊接時，發生①，②結合反應的概率明顯大于發生③方式，即連接界面主要發生弱連接與亞弱連接，如示意圖7a所示(P為顆粒；M為金屬基體)。在兩個試樣中間夾入一層鋁箔時界面結合反應方式與方案一大不相同，因為加入鋁箔后，SiC顆粒與SiC顆粒無法直接接觸，不會發生弱連接反應。此種情況下，只有鋁基體與基體和SiC顆粒直接接觸，故主要發生強連接與亞弱連接結合反應，如示意圖7b所示。

圖7 SiCp/Al復合材料連接界面示意圖

在最佳工藝參數下，采用方案2(試樣中間夾鋁箔)更有利于焊接接頭冶金結合，提高力學性能提高。另外，由于鋁箔加入使接觸電阻增加，在熱輸入相同的條件下，所需的焊接電流減小，產熱相對增多，熔核直徑增大。

2.2 界面反應分析

SiC顆粒增強鋁基復合材料的增強相與基體之間的理化特性差異極大，熔焊時焊縫成形較差，且在高溫下易發生界面反應。一般情況下，高溫界面反應產物會形成細小晶須狀的反應物 Al4C3相及初生Si相，化學反應式為[9-13]：

4Al(l)+3SiC(s)→Al4C3(s)+3Si(s)

(1)

55% SiCp/A356Al復合材料直接焊接母材區與熔核區界面的微觀形貌如圖8所示，可以看出熔核中心 SiC顆粒與基體接觸部位結合緊密，經過XRD分析，可以確定焊縫中白色光亮部分的 A356Al基體，其中夾雜著彌散分布的粒度不同的深灰色SiC顆粒，焊縫熔核區組織中無其他特征相 Al4C3和初生Si出現，未發生界面反應。

圖8 界面微觀形貌

分析以上現象產生原因，這主要是由于電阻點焊不同于其他熔焊方法，加熱時間短，焊接時間僅有0.3 s，同時，冷卻速度快、可控性好，在極限短的熱循環下能夠顯著抑制增強相 SiC顆粒與 A356Al基體間的界面反應。

2.3 接頭顯微硬度

接頭微觀組織分布存在著變化，致使硬度分布存在差異，點焊接頭進行硬度測試，不僅可以反映接頭組織的變化情況、評估接頭的力學性能，還能根據硬度變化的范圍估算熔核的尺寸[14]。

使用 HVS-50型顯微硬度計，測定2種方案下獲得的焊接接頭“母材—接頭熔核區—母材”的顯微硬度。試驗條件為：加載載荷為F= 49 N，加載載荷保持時間為t= 15 s。考慮焊接接頭的形狀尺寸及熔核線鋁基體分布比較集中，硬度與復合材料本身和熔核區周圍區域可能存在較大差異，取3條線為打點線，沿熔核線和熔核線周圍區域測量點之間的平均距離取 600 μm，沿熔核垂線方向測量點之間的平均距離取 200 μm。焊縫截面取點如示意圖9所示。

圖9 焊縫截面硬度取點示意圖

經測定該試驗2種方案獲得的焊接接頭硬度無明顯差異，這里僅給出采用方案2焊接接頭的顯微硬度測定結果，如圖10所示。由圖10a可以看出直接焊接時，熔核垂線硬度分布較為均勻，硬度值較大且線上不同位置波動幅度較小。原因是 55% SiCp/A356Al復合材料焊接接頭碳化硅顆粒密度較大，且分布均勻，母材與熔核區硬度差別不明顯。該現象與接頭微觀組織分布相符合。而圖10b顯示熔核線硬度分布曲線則有明顯先上升后下降的趨勢，這主要是由于在熔核線以外部界面接觸可能存在縫隙，同時熔核線外部界面連接處鋁箔夾層硬度較低，在熔核區存在微量的鋁箔時冶金結合更加優良，這就有了熔核線硬度曲線先上升后下降的特點。另外，由圖10b還可以看出在靠近中間部位兩條線硬度值相似，說明焊縫熔核中心區與母材硬度差別不大。

根據圖10b熔核線硬度分布情況，還可以大致估算出熔核直徑大小，硬度明顯下降則表示處于熔核邊緣，熔核線處硬度值較高的曲線范圍對應的距離接近于表2的測量值。

圖10 方案2點焊接頭不同位置顯微硬度分布曲線

3 結論

(1)采用電阻點焊對55% SiCp/A356Al復合材料進行焊接。結果表明，復合材料的電阻點焊是可行的。

(2)55% SiCp/A356Al復合材料中間夾鋁箔進行電阻點焊，更有利于焊接接頭冶金結合，使接頭性能提高，熔核直徑增大。接頭平均抗剪力可達2 165.6 N，平均熔核直徑9.5 mm；點焊接頭顯微硬度與母材無明顯差異。

(3)使用優化后的最佳工藝參數焊接，接頭SiC顆粒增強相和基體之間沒有發現界面反應現象。