李玉龍，董陽平，付艷恕，李學(xué)文

(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 江西省機(jī)器人與焊接自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330031)

銅及銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和延展性，且加工性能良好，在石油石化、船舶、通信和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1].鋁及其合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性、更低的密度、高的比強(qiáng)度及較好的韌性和加工性能，在航空航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用[2].在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，這些單金屬或合金已經(jīng)很難滿足工業(yè)生產(chǎn)要求.銅鋁雙金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[3].

目前，銅鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的加工方法主要有軋制復(fù)合[4]、表面噴涂[5]、擠壓拉拔[6]、真空釬焊[7]等方法.由銅鋁二元相圖可知，銅和鋁之間的互溶性很小，物理化學(xué)性能相差很大，容易形成多種金屬間化合物，這些金屬間化合物會(huì)降低銅鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性，并且可能造成使用服役過程中形成裂紋并導(dǎo)致斷裂破壞.

爆炸焊是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大能量，在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)使2塊金屬板在碰撞點(diǎn)產(chǎn)生很大的應(yīng)變速率和很高的壓力，從而實(shí)現(xiàn)同種或異種金屬的焊接方法[8].利用爆炸焊接銅鋁復(fù)合板，不僅可以實(shí)現(xiàn)大面積銅鋁雙金屬板材之間的連接，而且可以極大地減少硬脆性金屬間化合物的形成.現(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)銅鋁爆炸焊接的研究多集中在爆炸焊可焊性窗口與界面波形等，對(duì)爆炸焊接頭界面組織和界面形成機(jī)理較少涉及[9-11].

本文以T2純銅和2024鋁合金為對(duì)象，研究了爆炸復(fù)合板結(jié)合界面的顯微組織、成分分布、力學(xué)性能等，進(jìn)而分析了其接頭界面形成機(jī)理.

1 試 驗(yàn)

試驗(yàn)選用的復(fù)板材料和基板材料分別是T2純銅和2024鋁合金板，尺寸分別是800 mm×400 mm×4 mm和800 mm×400 mm×8 mm.試驗(yàn)使用炸藥類型為二號(hào)巖石硝銨(rock ammonium nitrate)炸藥.裝藥密度約為0.8 g/cm3，爆速約為2 800 m/s，裝藥比(炸藥與復(fù)板質(zhì)量比)為1.2.試驗(yàn)采用平行安裝法爆炸工藝，復(fù)板和基板的預(yù)置間隙為6 mm，試驗(yàn)采用端部起爆方法，爆炸焊接示意圖如圖1所示.

圖1 爆炸焊接示意圖

爆炸焊所制得的大塊復(fù)合板材經(jīng)切割、粗磨、細(xì)磨、拋光進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)金相制樣.用氨水、雙氧水、蒸餾水2∶2∶5的體積比配制成腐蝕液，先對(duì)銅側(cè)金相表面腐蝕5 s，再用體積分?jǐn)?shù)0.05%的HF溶液腐蝕鋁側(cè)10 s.用GX71F型奧林巴斯金相顯微鏡(Optical microscope, OM)和S-3200-NHITACHI型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察銅鋁復(fù)合板焊接界面顯微組織.在CTM2500型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉剪試驗(yàn)測試復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度，試驗(yàn)中3個(gè)試樣取平均值并用線切割加工成,如圖2所示，拉伸過程中夾頭夾持試樣兩端部，搭接面積為3 mm×6 mm，拉剪速率為0.2 mm/min，根據(jù)抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式：抗拉強(qiáng)度=峰值載荷/(接合寬度×接合長度)可得界面結(jié)合強(qiáng)度.用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行掃描觀察，分析其斷口形貌.用IE250X Max50型能譜儀(energy dispersive spectrometer, EDS)分析結(jié)合面元素?cái)U(kuò)散規(guī)律.用D8 ADVANCE 型X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)分析焊接界面物相.用NANOMECHANICS公司iMicro納米壓痕儀對(duì)復(fù)合板各區(qū)域進(jìn)行力學(xué)測試分析.

圖2 T2/2024合金復(fù)合板拉剪試樣示意圖

Fig.2 Schematic diagram of the tensile shear specimens of T2/2024 composite plate

2 結(jié)果及分析

2.1 結(jié)合界面的顯微組織特征

圖3為T2純銅/2024鋁合金復(fù)合板爆炸焊接頭組織，其中圖3(a)為T2/2024合金復(fù)合板界面的部分微觀形貌，圖3(b)為局部放大界面微觀形貌.

圖3 T2/2024合金爆炸復(fù)合板界面顯微組織特征

Fig.3 Optical microscopy image of the interface in explosive welded T2/2024 composite plate: (a) image of the interface; (b) the partially enlarged image

從圖3(a)可以看出，連接界面主要由平直界面、波狀界面和熔化層界面構(gòu)成[12]，界面整體連接較好，沒有出現(xiàn)未焊合現(xiàn)象，結(jié)合處出現(xiàn)了不同于母材的中間過渡層，在中間過渡層中發(fā)現(xiàn)裂紋，形成裂紋的原因可能是中間層生成了硬脆性化合物.在結(jié)合界面處未發(fā)現(xiàn)夾雜物，這是因?yàn)楸ê府a(chǎn)生的射流對(duì)母材表面具有清理作用.圖3(b)為爆炸焊界面局部放大圖，從圖中可見:界面包含反應(yīng)層、細(xì)晶區(qū)和塑性變形區(qū)3個(gè)區(qū)域;在塑性變形區(qū)，基體金屬組織和晶粒被拉長成密集的流線狀，這是因?yàn)楸ê甘窃诰薮髩毫蜆O短時(shí)間下完成，加之基體金屬硬度較低，導(dǎo)致上述現(xiàn)象的出現(xiàn)[13].如圖3(b)所示，在反應(yīng)層夾雜的細(xì)晶區(qū)面積最大，這與溫度有很大的關(guān)系，爆炸絕熱壓縮和畸變能沉積兩者造成焊接界面附近快速溫升，雖然這個(gè)過程時(shí)間很短，但也會(huì)對(duì)界面附近的部分己經(jīng)塑形變形的金屬起到回火作用而使晶粒細(xì)化，這有利于提高焊接接頭的力學(xué)性能[14].

2.2 結(jié)合界面的成分分析

圖4為T2/2024合金復(fù)合板爆炸焊界面波峰和波谷局部放大的SEM照片.為確定焊接結(jié)合面過渡區(qū)的元素分布，在過渡區(qū)波峰和波谷進(jìn)行線掃描，結(jié)果見圖5.由圖5可見，在T2/2024合金復(fù)合板焊接界面過渡區(qū)線掃描均出現(xiàn)穩(wěn)定的臺(tái)階，這表明過渡區(qū)很可能由穩(wěn)定的化合物組成.對(duì)過渡區(qū)不同區(qū)域進(jìn)行EDS能譜點(diǎn)分析，分析結(jié)果見表1.

圖4 T2/2024合金復(fù)合板界面SEM照片

Fig.4 SEM images of T2/2024 interface: (a) wave peak;(b) wave trough

從表1可以看出，過渡層中深灰色區(qū)域的銅、鋁元素原子個(gè)數(shù)比約為2∶1，而淺灰色區(qū)域的銅、鋁元素原子個(gè)數(shù)比約為1∶1.根據(jù)銅鋁二元相圖和以上檢測結(jié)果可以推測，T2/2024合金復(fù)合板焊接界面過渡層可能是由AlCu和Al2Cu組成.

圖5 不同位置EDS線掃描結(jié)果

Fig.5 EDS elements line scan of the interface in Fig.4: (a) wave peak; (b) wave trough

表1圖4中標(biāo)定位置EDS化學(xué)成分

Table 1 Chemical composition at different regions of Fig.4

Pointx(Al)/%x(Cu)/%Possible phaseA64.2935.71Al2CuB45.5954.41AlCuC54.9645.04AlCuD0100Cu

為了進(jìn)一步確定過渡區(qū)中的化合物，對(duì)T2/2024合金復(fù)合板拉剪斷面兩側(cè)進(jìn)行XRD衍射分析，結(jié)果如圖6所示.由圖6可見，銅側(cè)和鋁側(cè)衍射峰的主要成分為Cu、Al、AlCu和Al2Cu，所以可基本確定中間層化合物為AlCu和Al2Cu的混合物.

2.3 復(fù)合板結(jié)合界面力學(xué)性能分析

2.3.1 結(jié)合界面的納米硬度分析

由于爆炸焊接結(jié)合界面存在多個(gè)不同微小區(qū)域，普通硬度測試很難表征其微小相的性質(zhì).為此，對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行了納米壓痕測試.測試過程中設(shè)置目標(biāo)載荷為500 mN，每個(gè)區(qū)域連續(xù)測量3次取平均值，得到各區(qū)域的壓痕深度如圖7所示.

從圖7可以明顯看出，2024鋁的壓痕深度大于T2銅，IMC層深度最小.至于塑性變形區(qū)和細(xì)晶區(qū)無法直接分辨，可通過Oliver-Pharr[15]方法將其硬度測出，測試結(jié)果如表2所示.

圖6 T2/2024合金復(fù)合板拉剪斷面XRD分析結(jié)果

Fig.6 XRD analysis of the tensile shear fracture surface of T2/2024 composite plate: (a) the copper side; (b) the aluminum side

圖7 各區(qū)域納米壓痕測試結(jié)果

Fig.7 Nanoindentation test results of each zone: (a) aluminum; (b) reaction layer; (c) copper; (d) fine grain zone; (e) plastic deformation zone

表2納米壓痕測試各區(qū)域的硬度

Table 2 Hardness of the reaction phases and base metals from nanoindentation test

Test positionHardness/GPaYoung’s modulus/GPaAl0.9±0.185±4IMCs7.5±0.5160±17Cu2±0.3155±14Fine grain zone2.7±0.3163±17Plastic deformation zone2.2±0.2161±8

由表2可知，銅側(cè)塑性變形區(qū)和細(xì)晶區(qū)的硬度比基體有所提高，這是由于晶粒細(xì)化導(dǎo)致硬度增加，而中間反應(yīng)層硬度在7.5 GPa左右，這是由于中間層生成了硬脆性金屬間化合物AlCu和 Al2Cu，這與Hug研究的AlCu和 Al2Cu化合物硬度相近[16]，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了過渡層是由AlCu和Al2Cu混合物構(gòu)成.

2.3.2 界面結(jié)合強(qiáng)度分析

對(duì)T2/2024合金復(fù)合板進(jìn)行拉剪測試，可得T2/2024合金復(fù)合板平均界面結(jié)合強(qiáng)度為67 MPa，這比Zhang等[17]研究的固-液復(fù)合法得到銅鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)材料界面結(jié)合強(qiáng)度57 MPa高出約20%.

圖8為T2/2024合金復(fù)合板銅側(cè)剪切斷口，從圖8(a)可以看到,斷裂處是在高低起伏的波峰和波谷處，說明斷裂是沿著波形界面撕扯開.圖8(b)、(c)分別是圖8(a)中B、C位置局部放大圖，B處存在大量的拉長韌窩，可能是斷裂位置發(fā)生在塑性的細(xì)晶區(qū)，而圖中C處出現(xiàn)了解理臺(tái)階，這可能是斷裂位置發(fā)生在IMC層裂紋處，由此可見硬脆性化合物對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能影響很大，應(yīng)該選擇合理參數(shù)減少硬脆性化合物的生成.

圖9為T2/2024合金復(fù)合板剪切斷口銅側(cè)局部EDS面掃描結(jié)果.從圖9可以看出，部分鋁合金組織粘在銅上，說明爆炸焊接過程中T2/2024合金復(fù)合板在波狀接合界面處出現(xiàn)了局部熔化現(xiàn)象的冶金結(jié)合，這也對(duì)其界面接合提供了一定的保證[18].

圖8 T2/2024合金爆炸復(fù)合板拉剪斷口SEM照片

Fig.8 SEM image of the tensile shear fractures of T2/2024 composite plate: (a) SEM image of the fracture; (b) magnified image of B position; (c) magnified image of C position

圖9 T2/2024合金爆炸復(fù)合板拉剪斷口EDS面掃描圖

Fig.9 EDS spectra of the tensile shear fractures of T2/2024 composite plate: (a) SEM image of the fractures; (b) EDS spectra of the fractures

3 結(jié) 論

1)通過爆炸焊成功獲得T2/2024合金復(fù)合板，結(jié)合界面連接良好，界面由平直界面、波狀界面和熔化層界面構(gòu)成；界面附近組織發(fā)生不同程度的塑性變形，越靠近結(jié)合面塑性變形程度越大.

2) T2/2024合金復(fù)合板過渡區(qū)主要由AlCu和Al2Cu混合物構(gòu)成.

3)隨著距離接合界面的距離增大硬度呈遞減趨勢(shì)，T2/2024合金復(fù)合板結(jié)合界面反應(yīng)層硬度最大，平均硬度可達(dá)8 GPa；T2/2024合金爆炸復(fù)合板拉剪試驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)合板平均界面結(jié)合強(qiáng)度為67 MPa，斷裂發(fā)生在銅鋁結(jié)合界面處，斷裂方式由脆性斷裂和韌性斷裂構(gòu)成的混合斷裂.

4)試驗(yàn)過程中過渡區(qū)IMC層對(duì)結(jié)合界面提供了一定保證，但硬脆性化合物也容易產(chǎn)生裂紋，影響接頭性能.因此，在焊接過程中應(yīng)選擇合適的參數(shù)以減少硬脆相的生成.