Cu-Sn、Ni-Sn異質合金快速凝固焊焊接性淺析

萬 笛,肖俊青

（湖北工程職業學院,湖北 黃石 435003）

Cu-Sn、Ni-Sn異質合金快速凝固焊焊接性淺析

萬 笛,肖俊青

（湖北工程職業學院,湖北 黃石 435003）

本文對Cu-13.5%Sn、Ni-19.8%Sn兩種微晶合金的顯微組織和兩者進行快速凝固焊接后的接頭的組織結構和力學性能作了較為系統的研究，結合組織分析、性能測試、接頭形貌觀察討論了點焊接頭的形成機制同時分析了工藝參數對焊接接頭質量的影響。

快速凝固焊；焊接接頭；熔核

1 快速凝固合金簡介

快速凝固合金主要為亞穩材料。亞穩材料是指熱力學上處于高能態接近穩定態的一類材料[1]。而制備亞穩材料最為常用的方法是在特殊條件下進行快速凝固連接。

通過對快速冷卻技術制備的Cu-13.5%Sn和Ni-19.8%Sn異質合金在采用高能電阻焊焊裝置，建立特殊條件下的快速凝固連接條件，包括：高能量以及快速冷卻速率。通過對亞穩態異質合金的快速凝固焊進行工藝分析；探索選用不同的電阻焊連接工藝及技術參數，觀察焊接接頭組織，分析快速凝固合金連接過程中的金相穩定性；并通過對接頭的冷卻速率的計算，分析低微亞穩合金接頭的組織形成規律。

2 合金急冷箔帶的原始組織

母材Cu-13.5%Sn合金成分由α-Cu以及β-Cu相組成。其中，α-Cu占大量。母材Ni-19.8%Sn成分由α-Ni和極少量的β-Ni相組成。α-Ni相相對易被腐蝕，處于晶界上的β-Ni相則耐蝕性較好。急冷導致Sn在α-Ni相中的固溶度擴展，有效的遏制了Ni-19.8%Sn合金在平衡凝固條件下極易出現的偏析。在較高的冷卻速率下，熔核形成速度快，形成了細小均勻的、無偏析的快速凝固組織[2]。

3 焊接接頭的組織分析

3.1 Cu-13.5%Sn和Ni-19.8%Sn亞共晶接頭組織形態

3.1.1 接頭的整體形貌

接頭組織的形成，與焊接條件有著密切的關系。由于采用銅電極，銅電極及薄材的散熱速度很快，熔核的冷卻速率很大。高的冷卻速率使熔核的形核率顯著增大，從而形成細小致密的快速凝固組織,合金薄帶接頭呈橢球形的熔核區。

3.1.2 熔合區組織形態

熔核組織形貌熔核區內有明顯金屬的流動性，部分為相對容易腐蝕的Cu-13.5%Sn.由此可知該異質合金具有良好的可焊接性。且熔合線處為細小的晶粒組織，以及枝晶組織顆粒。熔核區很窄，大約在3μm左右，熱影響區趨于零，中間存在一定量的過渡固熔體α-Ni.銅電極和母材快速散熱的急冷作用，使熔合線附近區域形成極大的溫度梯度；因此兩種異質材料的焊接熔合線處存在很大的成分不均勻，在加上未熔化的Ni-19.8%Sn，使得熔合線處溶化了的Cu-13.5%Sn很快凝固，形成了亞穩態的快速凝固組織，組織致密細小。

3.2 影響點焊接頭質量的工藝參數

影響接頭的剪切強度主要工藝參數包括焊接能量、電極壓力、焊接電壓及焊接時間等。以點焊接頭的剪切強度為參數來分析焊接接頭的力學性。

4 結論

本文對Cu-13.5%Sn、Ni-19.8%Sn兩種微晶合金的顯微組織和兩者進行快速凝固焊接后的接頭的組織結構和力學性能作了較為系統的研究，結合組織分析、性能測試、接頭形貌觀察討論了點焊接頭的形成機制同時分析了工藝參數對焊接接頭質量的影響。所獲得的主要結論如下：

熔核中的缺陷

當選用焊接參數為電極壓力力F＝15N，電壓U＝80V時得到的接頭熔核組織形貌如下。從圖中可以發現，接頭的基體處仍然保持著沿合金帶方向的橢圓形的熔核區組織，并且在最心部的地方形成了縮孔，成為較明顯的焊接缺陷。致使在 A區域母材被焊接電壓擊穿，B區域形成斷裂。其形成原因為在橢圓形的熔化中心形成焊接接頭的過程中，釋放出的結晶潛熱使得溫度梯度變緩，抑制了液相流動，容易形成斷裂口。

焊接過程中，焊接參數不合理，接頭出現焊接缺陷。熔核中心的結合處容易出現焊接缺陷，這與熔核區加熱集中，溫差大，加熱和冷卻速度快有關。熔核區為最后的凝固的地方，過冷阻礙了合金原子向晶內的擴散，凝固后，晶界上形成合金成分偏析、雜質較多，形成接頭薄弱環節。在外界壓力作用下，晶界原子開始自由移動，超過晶界所允許的變形范圍時，沿晶界方向開始形成裂紋，會對接頭的力學性能產生極大影響，應當選擇合理的焊接參數，避免出現該焊接缺陷。

[1]翟秋亞,楊揚,徐錦鋒,郭學鋒.快速凝固Cu-Sn合金的組織形態及相結構[J].中國有色金屬學報,2006（08）.

[2]于溪鳳,胡壯麒.零維液態金屬快速凝固過程的熱力學和動力學[J].東北大學學報（自然科學版）,1998（05）.

萬笛（1985—），女，湖北武漢人，碩士，助理講師，主要研究方向：機械電子工程。