周榮穩(wěn)， 李昌徽

(山東宏源信泰檢驗(yàn)檢測集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000)

0 前言

在Al/Cu異種材料焊接時，成功案例和經(jīng)驗(yàn)較少，實(shí)際應(yīng)用中兩者焊接特別困難。超聲波滾壓焊接方法屬于固相焊的一種，實(shí)際應(yīng)用技術(shù)成熟，適合焊接異種材料，但是固相焊并不容易實(shí)施影響了應(yīng)用范圍[1]。TIG電弧的預(yù)熱可以提高超聲波滾壓焊的焊接質(zhì)量和應(yīng)用范圍。文中探究不同焊接速度下的Al/Cu異種材料超聲波滾焊工藝，為獲得超聲波焊接速度和電流值的最佳配合，在一定速度下改變電流值進(jìn)行焊接試驗(yàn)。通過對試件進(jìn)行物象成分、組織特征、接頭力學(xué)性能等分析，進(jìn)而了解Al/Cu異種材料的焊接特點(diǎn)和工藝要求，并研究Al/Cu異種材料的連接的機(jī)理。

1 焊接材料、焊接設(shè)備及焊接方法

1.1 焊接材料

試驗(yàn)所選材料為6061鋁合金、T2紫銅板材，板材尺寸規(guī)格都為150 mm×70 mm×1 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用TIG電弧預(yù)熱輔助超聲波滾焊焊接工藝[2]，使用的TIG設(shè)備為德國雷姆生產(chǎn)的240-450AC/DC氬弧焊機(jī)，該氬弧焊機(jī)是一臺多功能數(shù)字化焊機(jī)，預(yù)熱能力強(qiáng)，可進(jìn)行脈沖焊接。試驗(yàn)用超聲波滾焊焊接機(jī)主要構(gòu)成部件有：2 kW超聲波發(fā)生器、自制焊接平臺和夾具、空氣壓力機(jī)等工裝，其中超聲波發(fā)生系統(tǒng)包括：20 kHz超聲波發(fā)生器、換能器、旋轉(zhuǎn)壓頭。焊機(jī)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 焊機(jī)機(jī)構(gòu)

1.3 焊接方法

由于鋁合金比銅合金要軟，所以在本焊接工藝中，鋁合金板材需要置放于銅合金板材上面。兩板材的搭接長度為20 mm以保證超聲波滾焊焊頭完全作用于兩板材重疊區(qū)域[3]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 TIG電弧預(yù)熱輔助的Al/Cu超聲波滾焊工藝參數(shù)的確定

焊接速度過快過慢都會影響焊接的質(zhì)量[4]，篩選焊接效果較好的焊接速度 3 mm/s作為基本速度，焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 超聲波滾焊工藝參數(shù)

2.2 不同電流值下的Al/Cu接頭成形特點(diǎn)

選取TIG電流為20 A，25 A，30 A下的D2，D3和D4三種典型的焊接接頭進(jìn)行觀察比較，從圖2中很明顯的可以看出，由于電流的增加，更多的熱量傳遞給鋁合金，導(dǎo)致鋁合金在不同程度上產(chǎn)生軟化，在機(jī)械振動、熱量和壓力的共同作用下，鋁合金與超聲波滾焊焊頭發(fā)生粘結(jié)，在鋁合金材料表面留下較深的痕跡，甚至造成材料的破壞。

圖2 每種參數(shù)下的超聲波滾焊焊縫成形特征

2.3 不同電流值下的Al/Cu接頭界面區(qū)組織特征

2.3.1界面區(qū)形貌特征

當(dāng)TIG電流比較小時，僅僅依靠超聲波的振動作用不足以使得Al/Cu板材發(fā)生較大的塑性變形，兩者連接界面無明顯的波紋狀產(chǎn)生[5]，接頭搭接區(qū)并沒有完全結(jié)合，以至部分區(qū)域有未連合裂紋的出現(xiàn)，如圖3a所示。隨著電流的增大，Al/Cu界面發(fā)生了明顯的塑性變形，以彼此起伏的波浪狀互相嵌入，由于界面區(qū)原子擴(kuò)散與鍵合，界面結(jié)合程度明顯提高，如圖3b所示。當(dāng)電流達(dá)到30 A時，母材之間的互相嵌入程度進(jìn)一步增大，這有助于母材之間形成更為有效穩(wěn)定的連接。

圖3 宏觀形貌和微觀形貌

2.3.2界面區(qū)組織特征

接頭的強(qiáng)度與質(zhì)量取決于界面區(qū)組織構(gòu)成，對Al/Al及Al/Cu界面層進(jìn)行了EDX能譜分析，對中所示的位置進(jìn)行了元素分析，從而可以詳細(xì)分析各個參數(shù)下界面區(qū)組織構(gòu)成，如圖4所示，通過15 A與30 A的能譜分析對比發(fā)現(xiàn)，大電流的即30 A的比小電流的即15 A的不管是鋁元素還是銅元素都下降的比較平緩，這

圖4 EDX能譜分析

說明在大電流下擴(kuò)散比較大，上部分的形貌圖可以很好地說明這一點(diǎn)。

2.3.3二次電子分析

文中僅對金相組織和拉伸試驗(yàn)效果較好的參數(shù)下所得的試件進(jìn)行了二次電子掃描，圖5所示的即為20 A電流的參數(shù)下試驗(yàn)所得試件的斷口形貌[6]。

從圖5中可以看到，不管是鋁側(cè)還是銅側(cè)在撕裂口的表面存在排列較密的撕裂棱，在撕裂棱之間還存在著一些韌窩，韌窩是焊接接頭韌性斷裂最主要的斷口形貌，其形成的過程包括纖維空洞生核、長大、聚集直至斷裂，故其線拉伸強(qiáng)度數(shù)值比較高，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)個別的區(qū)域發(fā)生了粘連，說明在該參數(shù)下擴(kuò)散的較劇烈，連接質(zhì)量也較好。

圖5 斷口形貌

2.3.4不同電流值下的Al/Cu接頭力學(xué)性能及斷口分析

靜載拉伸試驗(yàn)測量結(jié)果如圖6所示。由以上試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，在一定的焊接速度下，隨著TIG電流值的增大，焊接接頭的強(qiáng)度也跟著也相應(yīng)增大，當(dāng)電流值為35 A時接頭強(qiáng)度達(dá)到最大，拉力約1.712 kN，但界面處溫度過高，母材接觸面發(fā)生了熔化現(xiàn)象[7]。由以上分析可知，隨著電流值的增加，在超聲波振動的摩擦與壓力下，搭接區(qū)提高了結(jié)合強(qiáng)度。利用TIG電弧預(yù)熱與超聲波滾焊相結(jié)合的焊接工藝大大增強(qiáng)了超聲波焊接技術(shù)對異種材料的焊接能力，實(shí)現(xiàn)了有效連接。

圖6 力學(xué)性能測試結(jié)果

2.3.5斷口分析

圖7顯示的是Al-Cu搭接接頭拉伸試驗(yàn)后斷裂宏觀[8]，所有的斷裂形式都如圖中顯示的那樣，另外部分試件沒有產(chǎn)生橫向斷裂，只發(fā)生了縱向撕裂，斷裂發(fā)生在焊接界面區(qū)。焊接界面區(qū)在超聲波滾焊焊頭的作用下，邊界有著明顯的壓痕，并且焊接區(qū)中心的顏色也不同于周圍母材區(qū)。由此可以看出隨著電流的增大，銅板上粘連擴(kuò)散的鋁更多。

圖7 Al-Cu 拉伸件斷口

3 結(jié)論

TIG電弧的預(yù)熱和超聲波振動機(jī)械能的共同作用可以有效提高該焊接方法的焊接能力，并利用該方法實(shí)現(xiàn)了Al/Cu異種材料的連接。可以得出以下主要結(jié)論：

(1) Al/Cu異種材料焊接時利用TIG電弧預(yù)熱與超聲波滾焊相結(jié)合的焊接工藝大大增強(qiáng)了超聲波焊接技術(shù)對異種材料的焊接能力，使厚度為1 mm板狀A(yù)l/Cu異種材料之間的實(shí)現(xiàn)了有效連接。

(2) 變化不同的焊接速度，在選取的合適的速度下(3 mm/s)，分別對各種參數(shù)下的 Al/Cu異種材料滾焊接頭進(jìn)行全面的比對分析，發(fā)現(xiàn) Al/Cu異種材料之間的超聲波滾焊過程是一種基于焊接區(qū)金屬充分貼合、塑性變形、機(jī)械嵌合及界面區(qū)原子擴(kuò)散與鍵合等作用的焊接過程。