石 玗，周相龍，朱 明，李 廣，樊 丁

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鋁/銅異種金屬脈沖旁路耦合電弧MIG熔釬焊接頭的組織與力學性能

石 玗，周相龍，朱 明，李 廣，樊 丁

(蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050)

采用ER4047鋁硅焊絲對5052鋁合金與T2紫銅進行脈沖旁路耦合電弧MIG熔釬焊，并對接頭顯微組織、物相成分及力學性能進行分析。結(jié)果表明：通過控制焊接熱輸入可以獲得成形良好的鋁/銅熔釬焊搭接接頭。焊接接頭由鋁側(cè)熔合區(qū)、焊縫區(qū)和銅側(cè)類釬焊區(qū)組成，其中銅側(cè)類釬焊區(qū)可分為金屬間化合物層區(qū)和Al-Cu共晶區(qū)兩部分。焊縫區(qū)組織為珊瑚狀Al-Cu共晶體均勻分布在(Al)固溶體中；銅側(cè)金屬間化合物層主要由條塊狀Al2Cu組成。隨著焊接熱輸入的增大，金屬間化合物層的厚度在增大，而接頭的抗拉強度先增大后減小；當熔化的焊絲及鋁母材在銅母材上潤濕良好并且焊縫與銅母材之間金屬間化合物的厚度較小時，接頭抗拉強度達到最大值，為167.7 MPa。

鋁/銅異種金屬；熱輸入；顯微組織；金屬間化合物；力學性能

銅及其合金具有良好的導電、導熱以及耐腐蝕性能，因此在電力電子以及空調(diào)制冷等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但是，我國銅儲量并不豐富，需從國外大量進口，價格高。而鋁及其合金儲量大，產(chǎn)能過剩，價格低，同時也具有良好的導電和導熱性能。因此，采用以鋁代銅，或是部分取代銅不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且有助于解決鋁產(chǎn)能過剩的問題[2]。在電力電子和制冷構(gòu)件的設(shè)計制造中采用鋁/銅復合結(jié)構(gòu)不僅能夠節(jié)約材料、降低成本，而且可以充分發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢[3]。而鋁?銅異種金屬的連接是鋁/銅復合結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造中的重要環(huán)節(jié)，目前鋁/銅異種金屬主要采用釬焊、壓力焊、高能束焊等方法[4?10]來連接。釬焊和壓力焊，雖然可以獲得質(zhì)量性能都較好的接頭，但這些方法設(shè)備復雜、成本高、效率低并且焊接尺寸受到限制。熔釬焊方法的出現(xiàn)，能夠較好的解決這一問題，現(xiàn)已成為異種難焊金屬連接領(lǐng)域的研究熱點。

鋁銅熔釬焊過程中可以通過控制焊接熱輸入使低熔點的鋁熔化而高熔點的銅不熔化，借助熔鋁的潤濕鋪展來實現(xiàn)鋁銅的連接。FENG等[11]采用AlCu5焊絲進行了1060鋁合金和T2紫銅冷金屬過渡(CMT)熔釬焊搭接試驗，發(fā)現(xiàn)在銅/焊縫界面處由Al4Cu9、Al2Cu3和Al2Cu相組成的金屬間化合物層，隨著焊接熱輸入的增大，金屬間化合物Al2Cu的厚度明顯增大。接頭最大載荷為0.983 kN，并斷裂于鋁板熱影響區(qū)。周利等[12]采用Zn-2%Al藥芯焊絲開展了鋁/黃銅TIG熔釬焊搭接試驗，發(fā)現(xiàn)在黃銅側(cè)過渡區(qū)生成脆性的AlCu相，界面層中的金屬間化合物主要由Al4Cu9和CuZn相組成。隨焊接熱輸入的增大，界面層厚度先增大后減小，接頭拉伸載荷也是先增大后減小。程東海等[13]采用Zn-5%Al釬料對LF6防銹鋁和T2紫銅進行了等離子弧熔釬焊，搭接接頭最大抗剪強度為175.5MPa，斷裂于由Al2Cu和CuZn2組成的硬脆的金屬間化合物層。董鵬等[14]采用激光深熔釬焊方法對3mm厚1060鋁合金和T2紫銅進行對接，所得焊縫內(nèi)含有硬脆的Al2Cu3和Al2Cu金屬間化合物，接頭拉伸時會斷裂在鋁母材或焊縫界面處。本文作者采用一種新型高效低熱輸入的電弧焊焊接方法，即脈沖旁路耦合電弧MIG焊[15]，以ER4047鋁硅焊絲為填充材料對5052鋁合金和T2紫銅進行了搭接試驗，并對接頭顯微組織和力學性能進行研究，為鋁銅連接的實際應(yīng)用提供參考。

1 實驗

采用脈沖旁路耦合電弧MIG熔釬焊的方法，其原理如圖1所示，在焊絲與工件的主路電弧中間并入TIG旁路電弧，從而對流入母材的電流進行分流。流經(jīng)焊絲的焊接電流I是兩部分電流之和，一部分是旁路電流bp，另一部分是流經(jīng)母材電流bm，即=bp+bm，焊接電流可以保證焊絲能加熱到較高的溫度，同時通過調(diào)節(jié)旁路電流值又可以改變母材熱輸入，在母材輸入電流很小的情況下仍能保持穩(wěn)定的熔滴過渡。此外，利用該方法焊接鋁銅異種金屬時，銅板在陰極位置，陰極發(fā)熱量小，也能減少熱輸入，并且銅的導熱性極好，焊接過程中熱量很難集中，這也保證了銅板在焊接過程中不被熔化。

圖1 脈沖旁路耦合電弧MIG熔釬焊電弧形態(tài)

試驗材料為150 mm×50 mm×1 mm尺寸的5052鋁合金和150 mm×50 mm×2 mm尺寸的T2紫銅，填充材料為直徑1.2 mm的ER4047 AlSi12焊絲。本試驗采用鋁板在上、銅板在下的搭接形式，搭接寬度為10 mm。

焊前，用鋼絲刷對兩種母材的表面進行打磨，去掉氧化膜，用丙酮擦拭待焊區(qū)域，去除灰塵、油污。焊接時，令主路焊槍和旁路焊槍之前的夾角為45°，鎢極高度為5 mm，采用氬氣作為保護氣，主路氬氣流量為20 L/min，旁路氬氣流量為 5 L/min。焊接工藝參數(shù)：旁路、主路采用同步脈沖，脈沖頻率 80 Hz，占空比為15%，焊接速度0.5 m/min，旁路電流固定為25 A，主路電流在15~65 A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，即焊接電流I為40~90 A。焊后，對在不同焊接電流下得到的搭接接頭進行打磨處理，并沿垂直于焊接方向截取試樣進行標準金相試樣制備。

采用WDW?300J型電子拉伸試驗機對接頭力學性能進行測試，其加載速率為1 mm/min，并且每組數(shù)據(jù)測試3次，然后取平均值，拉伸試樣尺寸如圖2所示。采用JSM?5600LV低真空掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析儀(EDS)對接頭的顯微組織和元素組成以及斷口形貌進行觀察和分析，并采用X射線衍射(XRD)儀對界面斷口處物相進行分析。

圖2 拉伸試樣尺寸

2 結(jié)果與及分析

2.1 鋁/銅焊接接頭成形

圖3所示為不同焊接電流下所得接頭表面形貌。當焊接電流為40 A時，由于焊接接頭熱輸入較小，熔化的焊絲及鋁母材沒有完全鋪展開來，局部出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象，難以獲得成形良好的接頭。當焊接電流為50~70 A時，隨著焊接電流的增大，熔化的焊絲及鋁母材在銅母材表面的潤濕性越來越好，所得焊縫表面越來越平整規(guī)則。當焊接電流為80~90 A時，由于焊接接頭熱輸入較大，形成的焊縫較寬，氣孔明顯增多，局部出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象，甚至會產(chǎn)生熱裂紋，這對焊縫強度產(chǎn)生不利的影響。

2.2 顯微組織及物相分析

圖4所示為典型的鋁/銅Pulsed DE-MIG熔釬焊搭接接頭截面的SEM像。圖4(a)所示為焊接接頭的整體形貌圖，由圖4(a)可知，焊接接頭成形良好，無明顯的裂紋，焊縫頂端存在少量的氣孔，當熱輸入過低時鋁和銅未熔合會出現(xiàn)黑色帶狀區(qū)域，如圖4(a)中紅色區(qū)域所示。由接頭截面形貌可以看出，接頭主要由3個區(qū)域組成：鋁側(cè)熔合區(qū)、焊縫區(qū)以及銅側(cè)類釬焊區(qū)。圖4(b)所示為鋁側(cè)熔合區(qū)組織。由圖4(b)可知，鋁側(cè)熔合區(qū)界面清晰，柱狀晶組織比較明顯。由于焊接時電弧的作用，銅母材表面會出現(xiàn)局部熔化，并且銅在焊接不平衡結(jié)晶條件下極易向鋁中的擴散，因此在焊縫中很容易生成鋁銅共晶組織[16]。由圖4(c)可知，焊縫區(qū)組織為灰色珊瑚狀物質(zhì)均勻分布于黑色的基體組織中。

圖3 不同焊接電流下所得接頭表面形貌

圖4 典型焊接接頭的SEM像

黑色基體組織中Al、Cu、Si含量分別為92%、2.2%和5.8%(摩爾分數(shù))，由Al-Cu、Al-Si二元相圖并結(jié)合文獻[17]可知，該基體物質(zhì)可能由(Al)固溶體及一些Al-Si共晶體組成。灰色物質(zhì)中Al、Cu含量分別為74.5%和24.2%(摩爾分數(shù))，可以推測出該物質(zhì)為(Al)和Al2Cu形成的共晶組織。

圖5所示為不同焊接電流下所得接頭中銅側(cè)類釬焊區(qū)微觀組織，其中又可以細分為：金屬間化合物層區(qū)(Ⅰ)、Al-Cu共晶區(qū)(Ⅱ)、和焊縫區(qū)(Ⅲ) 3個區(qū)域。焊接過程中，銅母材吸收了金屬液傳遞的能量，會向焊縫金屬中溶解和擴散，同時可能存在銅母材少量熔化進入焊縫中；液態(tài)焊縫金屬中的Al原子會向銅母材中擴散，從而形成以Al和Cu為主的條塊狀金屬間化合物[13]。焊接電流為50 A時，金屬間化合物層厚度在26 μm左右；焊接電流為60 A時，金屬間化合物層厚度在32 μm左右；焊接電流為70 A時，金屬間化合物層厚度在42 μm左右；焊接電流為80 A時，塊狀金屬間化合物成倍增加，分布更廣，尺寸大小不一。隨焊接熱輸入的增大，金屬間化合物層厚度明顯增加，并且塊狀金屬間化合物數(shù)量明顯增多、尺寸明顯增大，這可能是由于隨著焊接熱輸入的提高導致銅母材部分熔化，在熔池內(nèi)部形核并長大。在塊狀金屬間化合物或Al-Cu共晶體之間可觀察到黑色的塊狀析出物(圖5(d)的點所示)。經(jīng)EDS分析表明，這些塊狀物可能為在焊縫凝固中從Al2Cu析出的Si。圖6是圖5(c)顯微組織的局部放大圖，可以觀察到靠近銅側(cè)還有一層平滑生長的反應(yīng)層，厚度在2 μm左右。

為了進一步了解焊縫區(qū)各物質(zhì)的組成，對其進行EDS分析，其結(jié)果如表1所列。根據(jù)點EDS分析結(jié)果可以推斷出條塊狀的金屬間化合物為Al2Cu，其中固溶了一定量的Si原子。由點和點EDS分析結(jié)果可知，反應(yīng)層中的成分復雜，主要由Al2Cu3和Al4Cu9兩種金屬間化合物相組成。

2.3 接頭力學性能

圖7所示為不同焊接電流下接頭的抗拉強度。由圖7可知，抗拉強度隨著焊接電流的增大先增大后減小。焊接電流為40 A時，此時熔化的焊絲及鋁母材在銅母材上沒有完全潤濕，其結(jié)合欠佳，接頭的抗拉強度僅為130 MPa。焊接電流為50 A時，此時熔化的焊絲及鋁母材在銅母材上潤濕鋪展較好，使得抗拉強度迅速增大。焊接電流為60 A時，此時熔化的焊絲及鋁母材在銅母材上潤濕鋪展良好，使得接頭抗拉強度達到最大值，為167.7 MPa。焊接電流為70 A時，此時熔化的焊絲及鋁母材在銅母材上完全潤濕鋪展，形成較寬的焊縫，冶金結(jié)合較為牢固，另一方面，焊縫與銅母材之間金屬間化合物層厚度明顯增大，脆硬相的Al2Cu使得接頭抗拉強度有所降低。焊接電流為80 A時，由于熱輸入過大，一方面，銅母材的熔化量增大，生成脆硬的Al2Cu相更多、更廣；另一方面，局部區(qū)域可能會產(chǎn)生熱裂紋，這些因素都使得接頭抗拉強度急劇下降。

最近，我不愿一直在家閑著，打算開家雜貨店自食其力。只是我一人難以打理店面，所以期盼父親能回來幫我一把。

圖5 不同焊接電流下所得接頭銅側(cè)類釬焊區(qū)的顯微組織

圖6 圖5(c)中顯微組織局部放大圖

表1 圖4~6所示位置的EDS分析結(jié)果

圖8所示為焊接電流為50 A、70 A、80 A的鋁/銅熔釬焊接頭拉伸斷口形貌。由圖8(a)可知，斷裂位置隨著焊接熱輸入的增加而改變。當焊接電流為50 A時，接頭斷裂于鋁側(cè)熔合線附近，斷口比較整齊。通過SEM觀察，發(fā)現(xiàn)斷口分布著許多夾雜和氣孔，如圖8(b)所示；并且斷口由解離面和少量撕裂脊組成(見圖8(c))。當焊接電流為70 A時，接頭斷裂于鋁母材熱影響區(qū)，并且有明顯的頸縮現(xiàn)象。斷口由滑移區(qū)和韌窩組成(見圖8(d))，韌窩呈軸狀，窩內(nèi)存在更小的韌窩(見圖8(e))。當焊接電流為80 A時，接頭斷裂于焊縫/銅界面處，由圖8(f)可知，斷口較為平整，分布著裂紋，從放大圖可以看出斷面為解理，并且斷面上分布著黑色塊狀物質(zhì)，對比圖5(d)的顯微組織，可以確定黑色物為析出的Si相。由于Si的存在，在外載作用下，應(yīng)力容易集中，從而強度低。對不同斷口位置進行EDS分析，結(jié)果如表2所列。為了進一步確認斷口表面處的物相，對其進行了X射線衍射分析(見圖9)。結(jié)果表明，由于金屬間化合物層中塊狀Si的數(shù)量較少，且較分散，故未檢測到Si相，僅為Cu和Al2Cu相。由此可以得出結(jié)論，接頭斷裂發(fā)生在Al2Cu相。

圖7 不同焊接電流下接頭的抗拉強度

圖8 典型試樣的鋁/銅熔釬焊接頭拉伸斷口形貌

圖9 界面斷口處XRD譜

表2 圖8 中斷口表面不同位置EDS分析結(jié)果

3 結(jié)論

1) 采用脈沖旁路耦合電弧MIG熔釬焊方法可以實現(xiàn)Al/Cu異種金屬連接,焊接電流為60~80 A時，搭接接頭成形良好，焊縫平整規(guī)則。

2) Al/Cu異種金屬熔釬焊接頭可分為3個區(qū)域：鋁側(cè)熔合區(qū)、焊縫區(qū)以及銅側(cè)類釬焊區(qū)。其中銅側(cè)類釬焊區(qū)可分為金屬間化合物層和Al-Cu共晶區(qū)兩部分。焊縫區(qū)組織為珊瑚狀Al-Cu共晶體，均勻分布在(Al)固溶體中；銅側(cè)金屬間化合物層主要由條塊狀Al2Cu組成。隨著焊接熱輸入的增大，金屬間化合物層厚度明顯增加。

3) 接頭的抗拉強度隨焊接熱輸入增大先增大后減小。當熱輸入較時，接頭的抗拉強度隨填充材料在銅母材上潤濕鋪展而增大；當熱輸入較大時，接頭的抗拉強度隨焊縫與銅母材之間金屬間化合物層厚度增大而減小。

4) 當焊接電流為60 A時，所得接頭抗拉強度最大，為167.7 MPa。接頭拉伸時，在鋁側(cè)熔合線附近、鋁母材熱影響區(qū)及焊縫/銅界面處均有可能發(fā)生斷裂，并且熱輸入對斷裂有較大影響。

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(編輯 李艷紅)

Microstructure and mechanical properties of Al/Cu dissimilar metals pulsed DE-MIG welding-brazing joint

SHI Yu, ZHOU Xiang-long, ZHU Ming, LI Guang, FAN Ding

(State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals,Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

5052 aluminum alloy and T2 copper dissimilar metals were welded using 4047 AlSi12wire by pulsed DE-MIG welding-brazing. The microstructure, elements composition and mechanical properties of joint were studied. The results show that it is feasible to obtain a favorable welding-brazing joint of Al-Cu by controlling the welding heat input. The welding joint is composed of fusion zone of the aluminum side, the weld zone and brazing zone of the copper side which is divided into two parts, Al-Cu eutectic zone and Al-Cu IMC layer zone. The microstructure of the weld zone is coral Al-Cu eutectic distributed in(Al) solid solution, and IMC layer of Cu side mainly consists of strip Al2Cu. The tensile strength of joint firstly increases, and then decreases with the increase of welding heat input. When the wettability of wire and aluminum on the copper is good, and the thickness of IMC layer between the welding seam and the Cu base metal is relatively small, the tensile strength of joint can reach up to 167.7 MPa.

Al/Cu dissimilar metal; heat input; microstructure; intermetallic compound; mechanical property

Project(51675256) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (SKLAB 020114208) supported by the Open Foundation of State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, China; Project (J201201) supported by the Hong Liu Outstanding Talent Training Plan of Lanzhou University of Technology, China; Project (175R5RA107) supported by the Basic Research Innovation Group Plan of Gansu Province, China

2016-07-21; Accepted date: 2017-01-02

SHI Yu; Tel: +86-931-2972765; E-mail: shiyu@lut.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.09.08

1004-0609(2017)-09-1816-07

TG401

A

國家自然科學基金資助項目(51675256）；省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室開放基金課題(SKLAB 020114208)；蘭州理工大學紅柳杰出人才培養(yǎng)計劃項目(J201201)；甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體計劃(17JR5RA107)

2016-07-21；

2017-01-02

石 玗，教授，博士；電話：0931-2972765；E-mail：shiyu@lut.cn