Cu/Al/Cu層狀金屬復合材料電子束焊接接頭特征

宋一諾， 曲杰， 王廷

(1.哈爾濱工業大學(威海)，山東省特種焊接技術重點實驗室，山東 威海 264209；2.浙江錢江機器人有限公司，浙江 臺州317500)

0 前言

隨著社會現代化生活水平日益提高，對材料的要求也逐步提升，單一材料已經不能滿足日常使用的需要[1]。復合材料一直被科研工作者關注，層狀金屬復合材料的出現為材料領域帶來了新的熱潮[2]。Cu/Al/Cu層狀金屬復合材料兼具金屬銅、鋁的優點，具有良好導熱性、較小接觸電阻，并且具有與純銅相差無幾的導電性。對于很多部件來說，純銅完全可以被Cu/Al/Cu層狀金屬復合材料取代。Cu/Al/Cu層狀金屬復合材料可以節約大量銅資源，使材料的密度減小，質量減輕，符合中國“以鋁節銅”的戰略趨勢，由此，Cu/Al層狀金屬復合材料在電器、化工和制冷行業有非常廣闊的應用空間[3]。

近年來，科研工作者對Cu/Al異種金屬的連接上做了大量的研究，主要的焊接方法包括攪拌摩擦焊、真空擴散焊、超聲波焊、釬焊等[4-7]。由于銅和鋁在熔點、晶格常數、線膨脹系數等物理化學性能方面存在較大差異，Cu/Al/Cu層狀金屬復合材料的連接相較于Cu/Al連接更加復雜。目前，對于Cu/Al/Cu層狀金屬復合材料的熔化焊還鮮見研究報道。電子束焊能量密度高、焊縫深寬比大，更適合異種金屬的焊接[8]。研究Cu/Al/Cu層狀金屬復合材料電子束焊縫微觀組織及接頭力學性能等特性，具有重要的理論和工程意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗選擇厚度為2.5 mm的Cu/Al/Cu層狀金屬復合材料為研究對象，其中上銅層、下銅層的厚度均為0.5 mm，Al層厚度為1.5 mm，材料結構如圖1所示。焊前先采用砂紙對板材表面進行打磨去除氧化膜，打磨光亮后用丙酮進行清洗。

圖1 材料結構與焊接過程示意圖

1.2 試驗方法

采用7 kW真空電子束焊機進行焊接。焊接工藝參數為：加速電壓70 kV，電子束流21 mA，焊接速度2 000 mm/min。焊后，沿垂直于焊縫方向橫向截取金相試樣，經砂紙逐級打磨并拋光，用Keller試劑浸蝕10 s。采用DSX 510光學數碼顯微鏡觀察焊縫宏觀形貌，Zeiss MERLIN Compact型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析焊接接頭的微觀組織形貌，并利用能譜儀(EDS)分析焊接接頭中元素的分布；使用維氏硬度計對焊接接頭不同區域的硬度進行測試，設置每個相鄰的測量點之間的距離為0.5 mm，載荷力與時間為0.098 N和10 s；在Instron 5967萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為0.5 mm/min，并使用SEM和EDS觀察分析斷口形貌和成分，采用X射線衍射儀分析物相。

2 試驗結果及討論

2.1 焊接接頭組織和成分

圖2為焊接工藝參數下所獲接頭的截面形貌。從圖2中可以看出，采用電子束焊可以實現Cu/Al/Cu層狀金屬復合材料的連接。焊縫橫截面呈現3個不同的特征區域，上銅層、下銅層和中鋁層的焊縫寬度明顯不同，中鋁層熔點低，焊縫明顯增寬，上銅層由于熱量較高，焊縫寬度明顯大于下銅層焊縫。由光學顯微鏡下不同區域的顏色對比可見，焊接過程中各層液態金屬之間發生了充分的混合，中間的液態鋁進入上銅層、下銅層熔池中，上銅層、下銅層的液態銅進入了中鋁層熔池，這為凝固過程中熔池內的冶金反應和界面的冶金反應提供了條件。

圖2 Cu/Al/Cu焊接接頭橫截面

從Cu-Al二元合金相圖中可知，該系統中除了鋁基固溶體、銅基固溶體外，還存在13種相[4]。鋁在銅中的溶解度隨溫度的下降而逐漸降低，在200～500 ℃下逐步形成Cu2Al，Cu3Al2，AlCu，Cu9Al4，Al2Cu等5種熱力學穩定的金屬間化合物[9]。根據焊縫組織形成的特征不同，現選取圖2焊接接頭中4個典型位置在SEM下進行進一步分析，分別是：上銅層界面a、中鋁層界面b、焊縫中心c和下銅層界面d。

圖3為圖2中a區上銅層界面顯微組織形貌。由圖3可以看出，該區由緊鄰銅母材界面細小鋸齒狀相(A點)、板條狀相(B點)和其周圍的灰暗色相(C點)組成，對上述幾個位置進行了EDS分析，結果見表1。結合Cu-Al二元相圖與前期科研工作者對銅鋁金屬間化合物成分和形態的研究結果[10]，緊鄰母材的鋸齒狀相(A點)為CuAl；板條狀相(B點)為Al2Cu；不連續地分布在α-Al+Al2Cu組成的灰暗色基體中。

圖3 上銅層界面顯微組織

表1 圖3中各相元素含量(原子分數，%)

圖4為圖2中b區鋁層界面顯微組織形貌?？梢悦黠@觀察到在母材和焊縫組織之間形成了厚度約為16 μm的化合物層。為了進一步確定不同相的元素組成，對圖4中D，E，F 點進行了能譜分析，結果見表2。D點結果顯示，靠近界面的化合物層主要成分為Al2Cu，E點為AlCu呈塊狀分布在Al2Cu基體中。

圖4 中鋁層界面顯微組織

表2 圖4各相元素含量(原子分數，%)

為了進一步分析中鋁層焊接接頭元素擴散情況，對中鋁層界面進行了線掃描，結果如圖5所示。線掃描結果表明，從鋁母材到焊縫，Al元素含量逐漸降低，而Cu元素含量的變化正好相反，并在金屬間化合物層內Al，Cu元素含量相對穩定，出現明顯的臺階，證實了此處有金屬間化合物的生成，在塊狀組織區中Al，Cu元素含量起伏較大，說明焊縫中的金屬化合物呈塊狀不連續分布。

圖5 中鋁層界面元素線掃描結果

圖6為圖2中c區焊縫中心顯微組織形貌?？拷鄢刂行牡南喔嗟某尸F等軸趨勢，均勻分布于灰暗色的網狀基體組織中。對圖中G，H點EDS測試，結果見表3。G點為Al2Cu，H點為α-Al及Al2Cu形成的共晶組織。

圖6 焊縫中心顯微組織

表3 圖6各相元素含量(原子分數，%)

圖7為圖2中d區下銅層顯微組織形貌，白色的I點除了沿母材延伸出一定厚度外，其余呈雪花狀分布在灰白色基體(J點)中。對各相進行EDS(表4)分析后發現，為AlCu相分布在Al2Cu的基體中。同時，K點成分表明，在焊接過程中有大塊的銅未完全熔化時經電子束攪拌作用卷入了焊縫底部。

圖7 下銅層界面顯微組織

表4 圖7各相元素含量(原子分數，%)

圖8為下銅層界面面掃描結果，可以看出Al，Cu元素分布明顯不均勻，也進一步證明了在凝固過程中，熔融狀態鋁銅的運動趨勢。

圖8 圖7面掃描分析圖

2.2 焊接接頭力學性能

2.2.1拉伸性能

由于銅-鋁異種材料物理化學性能存在極大的差異，故其焊接接頭的力學性能與同種材料接頭性能存在極大的差異。經室溫拉伸試驗后發現，焊接工藝參數下得到的焊接接頭抗拉強度為44 MPa。斷裂后重新組合的接頭如圖9所示，斷裂時并未發現明顯頸縮，為脆性斷裂。接頭裂紋起始于下銅層焊縫與母材界面處，并沿該方向正斷于焊縫中心。說明Cu/Al/Cu層狀金屬經電子束焊接后，焊縫的性能大幅度降低。

圖9 斷裂后重新組合的接頭

在異種金屬焊接中，接頭的微觀組織、金屬化合物的數量、形貌和分布共同決定著接頭的抗拉強度[4]。采用掃描電鏡觀察拉伸試樣斷口微觀形貌，并利用X射線衍射儀分析斷口界面的物相組成。拉伸斷口形貌如圖10所示，斷口光亮，表面整體較為平整，可以觀察到塊狀組織和其周圍的網狀結構。為了進一步驗證相的成分，圖11給出了斷口處的X射線衍射圖譜，表明整個接頭斷口主要由Al2Cu組成，Al2Cu的脆性較大且力學性能較差，因而也間接證明了焊縫中心分布大量的Al2Cu相。這也進一步說明了焊接接頭中形成的金屬化合物嚴重降低了焊接接頭的性能。

圖10 拉伸斷口形貌

圖11 斷口X射線衍射圖譜

2.2.2焊接接頭顯微硬度

銅鋁異種金屬電子束焊接接頭的硬度主要與焊接時生成的硬脆金屬間化合物含量有關。圖12給出了焊接接頭不同位置的顯微硬度?？梢园l現，在焊接工藝參數下，不論是銅層焊縫還是鋁層焊縫顯微硬度變化均是焊縫遠高于母材，呈現“中間高、兩邊低的狀態”。在焊縫與母材的界面處，由于形成了金屬化合物層，導致其顯微硬度急劇升高，最高可達540.8 HV，出現在上銅層焊縫界面處；在焊縫中心處，由于生成的金屬間化合物Al2Cu呈等軸狀均勻分布在α-Al及Al2Cu形成的共晶組織基體中，導致焊接接頭的顯微硬度在300～330 HV范圍出現一定的波動，共晶體的顯微硬度約192 HV。

圖12 焊接接頭不同位置處顯微硬度

3 結論

(1)Cu/Al/Cu層狀復合材料采用電子束焊焊接后，上銅層、下銅層和中鋁層的焊縫寬度明顯不同，中鋁層熔點低，焊縫明顯增寬，上銅層由于熱量較高，焊縫寬度明顯大于下銅層焊縫。

(2)焊接過程中熔化的金屬進行了充分混合，在焊縫與母材交界處存在金屬化合物層，鋁層主要是Al2Cu，銅層主要是AlCu，Al2Cu；靠近銅母材處，晶粒垂直于母材方向向中間生長；在焊縫中心位置，晶粒逐漸變為等軸塊狀，為Al2Cu均勻分布在α-Al和Al2Cu共晶組織中。由于銅鋁的密度差異，下銅側焊縫中組織成分并不均勻，越靠近其底部，Cu元素含量越高；并且有大塊未熔化的銅在電子束攪拌作用下被卷入熔池底部。

(3)金屬間化合物的產生，提高接頭硬度的同時嚴重影響了接頭的抗拉強度。經拉伸試驗，焊縫的抗拉強度為44 MPa，呈脆性斷裂，斷裂于焊縫中心位置。接頭的顯微硬度曲線呈現中間高、兩邊低的趨勢，焊縫中心顯微硬度值約為 300～330 HV，與母材相比有大幅度提升。