銅及銅合金真空擴散焊接工藝優化及接頭組織性能分析

劉 敏 楊自鵬 張麗娜 郭博聞 王華賓 李 躍

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銅及銅合金真空擴散焊接工藝優化及接頭組織性能分析

劉 敏1楊自鵬2張麗娜1郭博聞1王華賓1李 躍1

(1. 首都航天機械有限公司，北京 100076；2. 北京宇航系統工程研究所，北京 100076）

采用真空擴散焊接技術進行了銅及銅合金焊接工藝試驗，研究了焊接溫度、保溫時間、焊接壓力、鍍層（Ni）對接頭界面組織及性能的影響，并測量分析了接頭金相、力學性能與顯微硬度。結果表明：通過鍍鎳有效消除了零件表面粗糙度帶來的不利影響，提高了擴散界面的接觸面積，焊合率超過95%；連接界面銅與鎳擴散充分且均勻；接頭拉伸強度與母材等強，斷口位于母材側，為韌性斷口。

真空擴散焊；焊接工藝；銅及銅合金；界面組織；性能

1 引言

銅及銅合金因其良好的導電性、導熱性、延展性以及在特定介質中良好的耐腐蝕性受到電子、化工、能源動力、航空航天等領域的廣泛應用[1]。紫銅晶格結構為面心立方，密度約為鋁的3倍，導電率和熱導率約為鋁的1.5倍。紫銅現有的焊接工藝如氣焊、釬焊、手工電弧焊、TIG焊、電子束焊等[2]無法實現大面積連接復雜構件的焊接。擴散焊在實現結構件內部多點連接、面連接方面具有較大的優勢，因此擴散焊在大面積銅及銅合金[3～5]的連接方面應用前景廣闊。

本文主要研究焊接溫度、焊接時間、焊接壓力及表面鍍鎳對銅及銅合金真空擴散焊接的影響，分析接頭組織與力學性能，為工程應用提供借鑒。

2 試驗方法

擴散焊接影響因素主要有溫度、壓力、保溫時間、工作介質及零件表面狀態[6]。零件表面粗糙度及配合間隙是形成零件實際接觸面積的一個重要影響因素，通過提高零件加工精度可以有效降低零件表面粗糙度對擴散焊接過程的影響，但精加工使生產效率降低，因此擴散焊接試驗常采用表面改性，如電鍍、等離子噴涂等工藝降低對零件表面粗糙度和配合間隙的影響[7]。

2.1 試驗材料及設備

試驗材料選用鋯無氧銅或紫銅，鋯無氧銅為產品用材料，具有較高的強度和良好的加工性能，其化學成分和物理性能見表1、表2。試驗設備選用美國真空工業公司（CVI）的Workhorse II型3520真空擴散焊設備，焊接真空度≤5×10-5torr。

表1 T3紫銅的化學成分及熱物理性能

表2 CuZr0.15與紫銅T3物理性能

2.2 試驗方法

焊接試板制作成平板與溝槽式平板試片與的銅棒；試件加工盡可能保證待焊面無間隙。在光潔度為a3.2μm的待焊面鍍鎳5～10μm，零件表面光潔度為a1.6μm不作鍍層。

2.3 工藝參數制定及優化

建立焊接溫度、焊接壓力、保溫時間、中間層金屬4因子的正交試驗表，焊后沿試件軸線進行剖切取樣，對焊縫縱截面進行金相組織分析、EDX成分分析、接頭力學性能測試，研究焊接溫度、焊接壓力、保溫時間、中間層對銅及銅合金真空擴散焊接接頭質量及性能的影響。

3 試驗結果與分析

3.1 焊接參數對接頭界面結構及性能的影響

3.1.1 焊接溫度的影響

擴散連接時，擴散溫度高于銅的再結晶溫度，連接界面附近的母材會發生再結晶，晶粒得到細化。圖1對比不同焊接溫度下焊縫一側金相組織。在焊接壓力和保溫時間相同的情況下，焊接溫度升高有利于接頭界面元素擴散的同時導致晶粒長大、試樣細化區變窄。

圖1 焊接溫度對微觀組織的影響

圖1所示試樣6、試樣9細晶區寬度分別為1125μm、656μm，接頭力學性能測量結果表明：采用試樣9參數雖然產生了晶粒粗化現象，但接頭強度高于試樣6，基本接近母材強度；試樣9的晶粒粗化現象尚未影響到接頭的力學性能，在滿足使用要求的前提下，認為焊接溫度宜選用+50℃作為正式產品擴散焊溫度參數值。

3.1.2 焊接保溫時間的影響

保溫時間對晶粒長大、界面元素擴散起重要作用。對比分析見圖2，焊接保溫時間有利于組織分布及細化區晶粒尺寸一致；但時間太長會導致界面附近晶粒粗化嚴重。因而適當控制保溫時間，既可獲得均勻化的微觀組織，又能控制晶粒的粗化現象。

圖2 保溫時間對接頭微觀組織的影響

測量不同保溫時間下試樣細化區寬度，試樣11細化區最寬，為1425.8μm。三組參數下的擴散連接接頭進行力學性能拉伸試驗，接頭強度隨著焊接時間的增加而增強。綜合焊縫處微觀組織、細化區大小及接頭強度的變化趨勢，確定作為保溫時間的優化參數，在該溫度和壓力條件下，雖然引起晶粒粗化，但擴散充分，力學性能高。

3.1.3 壓力的影響

壓力可消除或減小焊接表面不平，增大連接面的實際接觸面積。相對于溫度和時間，壓力對接頭力學性能提高的貢獻較小，連接面實現接觸后，主要通過材料內部原子的擴散實現連接。試驗結果表明，溫度和保溫時間一定的情況下，隨著壓力的增大，接頭變形量增大。階梯加壓，即在正式焊接溫度前采用較大壓力1，正式焊接時壓力降低可有效減少試件變形量，不同加壓方式獲得的焊接接頭如圖3所示。

圖3 正常加壓與階梯加壓獲得的接頭變形

拉伸試驗結果也表明：采用階梯加壓獲得的接頭焊合情況良好，接頭強度與母材等強。

3.1.4 鍍層的影響

圖4 鍍層對擴散焊接頭的影響

鍍鎳試件界面結合如圖4a所示，界面焊合率達到了90%以上，銅、鎳擴散均勻，無空洞缺陷。無鍍層擴散焊接接頭晶界遷移，但接頭焊合率低，分析原因，在焊接參數一致的條件下，無鍍層、面光潔度為a1.6mm的擴散焊接頭表面狀態如圖4b所示，試件有效連接區域僅為發生蠕變的凸起區域，焊接參數必須增大到一定值后，才能使待焊表面發生進一步屈服和蠕變，消除待焊表面光潔度對焊合率帶來的不利影響，但焊接規范的增大引起試件整體變形增大。

3.2 接頭組織及成分分析

圖5為待焊接面鍍鎳、優選工藝下的焊縫組織電鏡掃描結果，焊縫擴散均勻緊密，整個焊縫無空洞等缺陷，從圖中可以明顯地看出中間層金屬向母材進行了擴散；焊縫寬度約50μm，鎳元素從焊縫中間向兩側擴散，母材中的Cu向接頭中擴散，但Cu活性不及鎳元素強，因此焊縫中心區Cu含量最低。

圖5 接頭元素分布

3.3 接頭斷口分析

對優選工藝下有中間層、無鍍層擴散焊試件進行拉伸試驗。拉伸數據表明：中間無鍍層試樣抗拉強度等同于母材抗拉強度，延伸率為20%，是母材延伸率的一半；中間鍍鎳層接頭拉斷發生在母材側，焊接接頭性能與母材等強或優于母材。斷口掃描見圖6，無鍍層拉伸試件焊合區與機加工后紋路類似，成環形由內向外擴展；焊合部位斷口呈韌窩狀，為明顯的韌性斷裂；中間鍍鎳接頭斷口韌窩深且細小，為韌性斷裂。

圖6 擴散焊接試件斷口圖

3.4 接頭顯微硬度測試

圖7 焊縫顯微硬度測量位置圖及硬度趨勢圖

對接頭進行顯微硬度測量。測量的位置如圖7a所示的取樣位置，測量點沿著焊縫和垂直焊縫取點，涵蓋母材區、焊縫位置，圖4b為試樣的顯微硬度分布圖。由圖可見，有鎳層時，焊縫硬度高于母材，這是因為焊縫中心為NiCu固溶體，其硬度要高于母材。由于試驗用母材晶粒較大，細化作用對硬度的影響不明顯，因此遠縫區和近縫區硬度差別不大。

3 結束語

a. 試驗獲得了優選焊接工藝參數，采用階梯加壓的工藝規范進行了銅及銅合金的真空擴散焊接，獲得焊合良好、焊接變形小的連接接頭；

b. 擴散機理表明：發生了銅、鎳元素向母材的擴散，且鎳的擴散速率大于銅的擴散速率；

c. 金相分析結果表明：鍍鎳有效消除了零件表面粗糙度帶來的不利影響，提高了擴散界面的接觸面積，焊合率超過95%；銅鎳擴散充分、均勻；

d. 拉伸測試及顯微硬度結果表明：擴散連接接頭強度達到母材強度；焊縫區域硬度因NiCu固溶體的生成高于母材區硬度；無鍍鎳層，接頭于擴散界面處斷裂；鍍鎳擴散焊接頭斷裂于母材一側，斷口呈韌窩斷裂。

1 周振豐，張文鉞. 焊接冶金與金屬焊接性[M]. 北京：機械工業出版社，1988

2 季杰，馬學智. 銅及銅合金的焊接性[J]. 焊接技術，1999(2)：13～15

3 Yu Zhishui, Wang Fengjiang, Li Xiaoling. Diffusion bonding of copper alloy to stainless steel with Ni and Cu interplayer[J]. Trans Nonferrous Met. Soc.China.2000：88～91

4 張麗娜，許青，遲宏波，等. CuZr0.15鋯無氧銅真空擴散焊接工藝及力學性能[J]. 航天制造技術，2014(3)：6～9

5 魏瑞剛，張麗娜，金盈池，等. 徑向加壓銅噴嘴真空擴散焊接工藝及應用案例[J]. 航天制造技術，2017(1)：51～53

6 卡扎柯夫H Q. 材料的擴散焊接[M]. 何康生，孫國俊譯. 北京：國防工業出版社，1982

7 Zhang Jian, Xiao Yuan, Luo Guoqiang, et al. Effect of Ni interlayer on strength and microstructure of diffusion-bonded Mo/Cu joints[J]. Materials Letters, 2012(66): 113～116

Vacuum Diffusion Welding Technology Optimization and Microstructure Analysis of Copper and Copper-alloy

Liu Min1Yang Zipeng2Zhang Lina1Guo Bowen1Wang Huabin1Li Yue1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076；2. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076)

Pure copper and copper-alloy welding experiments were carried out by vacuum diffusion welding technology. The influences of the welding temperature, time, stress and coating (Ni) on interface structure and properties were studied. The microstructure, mechanical properties and the micro-hardness of the joints were measured and analyzed. The results showed that the nickel plating decreased the influence of the surface roughness and enlarged the contact area of the diffusion interface; the bonding rate of the nickel plating joints reached 95%; the diffusion of copper-Ni was equable; the tensile samples always fracture on the pure copper base metal.

vacuum diffusion welding；welding technology；copper and copper-alloy；interface structure；properties

劉敏（1987），工程師，材料成型及控制工程專業，研究方向：特種焊接技術。

2018-04-08