真空釬焊3003鋁合金蜂窩板界面組織與性能

李云月， 沈元勛， 李秀朋， 裴夤崟， 王路乙，龍偉民,2

(1. 鄭州機(jī)械研究所有限公司，新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，鄭州 450001;2.中機(jī)智能裝備創(chuàng)新研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315700)

0 前言

鋁合金蜂窩板是由上下兩層鋁合金面板與中間鋁蜂窩芯組成的夾層結(jié)構(gòu)，具有密度小、強(qiáng)度好、穩(wěn)定性好、抗沖擊、減震性好、防火阻燃防潮防水以及可加工性強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在航空航天、船舶、高速列車、軌道交通、建筑裝飾、化工、制冷等行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3-5]。

目前鋁蜂窩板普遍采用膠粘法制造，這種方法制造的鋁蜂窩板的強(qiáng)度、壽命受膠黏劑性能制約，在極端工作環(huán)境如濕度過大、振動過激、溫度過高或過低等環(huán)境下，膠粘劑易老化、脫落導(dǎo)致蜂窩板可靠性急劇降低，存在極大安全隱患[6-7]。釬焊技術(shù)可以利用熔化的金屬釬料將蜂窩芯體自身及芯體與面板之間實(shí)現(xiàn)永久性的化學(xué)冶金結(jié)合，接頭可靠性高于同規(guī)格膠粘蜂窩板，且使用性能不受環(huán)境因素和其他條件制約，能最大程度發(fā)揮蜂窩板的優(yōu)異性能[8-9]。早期日本學(xué)者山口進(jìn)吾等人[10]采用真空釬焊的方法成功制備了6951鋁合金蜂窩板，并報道了其力學(xué)性能。近年來，國內(nèi)李東田[11]采用氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊了3003鋁蜂窩板，并對其力學(xué)性能進(jìn)行了模擬及試驗(yàn)研究。程方杰等人[12]采用中溫CsF-AlF3自反應(yīng)釬劑，對1060鋁蜂窩芯及面板進(jìn)行自反應(yīng)釬焊連接，并對界面組織與性能進(jìn)行研究。

國外學(xué)者大多致力于膠粘蜂窩芯力學(xué)性能及機(jī)理的研究[13-15]，對真空釬焊鋁蜂窩板相關(guān)研究報道相對較少。文中采用4004釬料對6063鋁合金面板及3003鋁合金蜂窩芯進(jìn)行真空釬焊，研究了不同釬焊溫度對鋁合金蜂窩板的組織及力學(xué)性能的影響，預(yù)期研究結(jié)果將為高強(qiáng)鋁蜂窩板真空釬焊技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用6063/3003/6063夾層結(jié)構(gòu)蜂窩板，上下面板為6063鋁合金，厚度1 mm。蜂窩芯材質(zhì)為3003鋁合金，規(guī)格為箔帶厚度0.18 mm、邊長13 mm的正六邊形，高度13 mm。釬料選用4004(Al-Si-Mg)，厚度為0.1 mm。將試驗(yàn)材料酸洗、堿洗后，按6063/4004/3003/4004/6063結(jié)構(gòu)裝配，如圖1所示。真空釬焊溫度分別設(shè)為580 ℃，585 ℃，590 ℃，595 ℃，真空度不低于3×10-3Pa，釬焊結(jié)束后隨爐降溫。將釬焊鋁合金蜂窩板制成金相試樣，經(jīng)過磨樣、拋光后，使用Dix-koller浸蝕劑進(jìn)行腐蝕，采用AxioScope.A1光學(xué)顯微鏡和Phenom Pro XL型掃描電子顯微鏡對釬縫界面組織與元素分布進(jìn)行觀察分析。按照GB/T 1452—2005《夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》以及GB/T 1453—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》對釬焊鋁蜂窩板進(jìn)行力學(xué)性能測試，樣品尺寸為60 mm×60 mm×15 mm，采用微機(jī)控制力學(xué)電子萬能試驗(yàn)機(jī)(MTS C45.105)對鋁蜂窩板的平拉和平壓性能進(jìn)行測試。

圖1 鋁合金蜂窩板裝配示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 釬焊溫度對釬縫成形質(zhì)量影響

不同釬焊溫度下鋁合金蜂窩板的宏觀形貌如圖2所示。在580～595 ℃溫度下釬焊界面均能形成良好的冶金結(jié)合。580 ℃釬焊溫度下，面板與蜂窩芯釬焊界面形成的釬角較小，溫度升高后釬角半徑逐漸增大，585 ℃，590 ℃，595 ℃釬焊溫度下均可見光滑、圓潤釬角。但釬焊溫度升高到595 ℃時，在蜂窩芯與面板界面出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象，并在局部位置產(chǎn)生明顯溶蝕孔洞，如圖2d所示。由此可見，在文中試驗(yàn)條件下6063/3003/6063鋁蜂窩板釬焊界面釬縫成形質(zhì)量對釬焊溫度較為敏感。

圖2 不同釬焊溫度下鋁合金蜂窩板宏觀示意圖

2.2 釬焊界面組織形貌演變

蜂窩芯與面板結(jié)構(gòu)特殊，蜂窩芯與面板釬焊界面存在單層鋁箔與面板界面和雙層鋁箔與面板界面兩種界面形式。圖3是不同釬焊溫度下蜂窩芯單層鋁箔與面板釬焊界面形貌。可以看出，不同溫度下釬焊界面均形成良好的冶金結(jié)合，釬縫中沒有裂紋、氣孔等缺陷。釬料與蜂窩芯鋁箔與面板之間均形成明顯圓角。分析表明，釬焊界面由釬料蜂窩芯材反應(yīng)區(qū)，釬料凝固區(qū)和釬料面板反應(yīng)區(qū)組成。釬焊溫度為580 ℃，585 ℃單層結(jié)合下的釬焊接頭蜂窩芯與面板結(jié)合處較好，未發(fā)現(xiàn)明顯溶蝕現(xiàn)象，母材和釬料界面清晰可見。當(dāng)釬焊溫度升高至595 ℃后，蜂窩芯鋁箔溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，蜂窩芯母材幾乎完全被釬料溶蝕。從微觀組織上看，晶界滲透僅沿著芯材晶界進(jìn)行熔蝕，達(dá)不到這種對芯材晶粒的大面積“侵蝕”，與溶解后形成的組織也不同，這種現(xiàn)象被稱為液膜移動。一般認(rèn)為液膜移動是指釬料形成的液膜在芯材中掃過，其掃過的部分稱為影響區(qū)，液膜移走之后，影響區(qū)隨即凝固，變成 α(Al)[16]。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，每種釬焊溫度下，釬焊界面由3種不同相組成，以580 ℃為例，主要有淺灰色凝固區(qū)A、亮灰色條狀層B、亮白色塊狀相C。

圖3 不同釬焊溫度下單層蜂窩芯鋁箔與面板釬焊界面組織

3種區(qū)域的EDS能譜測試結(jié)果見表1。淺灰色凝固區(qū)A物相主要元素為Al，并含有少量的Si和Mg，該區(qū)域?yàn)殁F料殘留的富Al相基體，為液態(tài)釬料凝固后形成的，亮灰色條狀層B區(qū)的主要元素為Si和Al，釬料中 Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.0%～10.5%，焊縫凝固時，釬料中的Al優(yōu)先依附于兩側(cè)基體鋁合金析出，導(dǎo)致焊縫中間 Si 的濃度超過Al-Si共晶溶度，Si在Al/Si共晶的晶界析出，形成Al-Si共晶偏聚組織[17]。結(jié)合圖4界面線掃描元素分布可以看出，Si元素的偏聚組織均勻的分布在焊縫中。亮白色塊狀C區(qū)的主要元素為Al，Si，F(xiàn)e，Mn等元素組成，3003芯材為Al-Mn合金，在Al-Mn合金中若同時存在Fe元素和Si元素，釬焊加熱過程中會在晶粒內(nèi)部位錯處析出Al(Mn，F(xiàn)e)Si相[18]。

圖4 單層結(jié)合界面釬縫圓角面掃描元素分析圖

表1 釬焊界面反應(yīng)區(qū)物相成分能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖5是不同釬焊溫度下蜂窩芯與面板雙層芯材結(jié)合的SEM形貌圖。由圖中可以看出，釬焊界面同樣形成良好的冶金結(jié)合，釬料與蜂窩芯材與面板之間形成明顯圓角，未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。釬焊界面組織分布特性與單層界面一致，由釬料/蜂窩芯材反應(yīng)區(qū)，釬料凝固區(qū)和釬料/面板反應(yīng)區(qū)組成。與單層結(jié)合界面相比，隨著釬焊溫度從580 ℃升高至595 ℃，母材被溶蝕程度降低，其原因在于雙層鋁箔降低了母材溶蝕程度。對比發(fā)現(xiàn)在釬焊溫度低于595 ℃時，兩層蜂窩芯鋁箔中間存在一條黑色縫隙，其原因?yàn)殁F料未填充至蜂窩芯鋁箔之間。隨著釬焊溫度升高至595 ℃時，釬料完全填充到整個界面。圖6是雙層結(jié)合界面釬縫圓角線掃描元素分析圖，結(jié)合圖5以及圖6可知，雙層結(jié)合界面物相與單層結(jié)合界面物相一致，由富Al相、Al-Si 共晶相及Al(Mn, Fe)Si相組成。

圖5 不同釬焊溫度下雙層蜂窩芯鋁箔與面板釬焊界面組織

圖6 雙層結(jié)合界面釬縫圓角線掃描元素分析圖

2.3 釬焊溫度對釬焊接頭力學(xué)性能的影響

不同釬焊溫度下釬焊鋁合金蜂窩板抗壓性能測試結(jié)果見表2。隨著釬焊溫度升高，釬焊接頭的抗壓性能變化不大，失效方式均為蜂窩芯中間部位坍塌，最終破壞試樣如圖7所示。測試結(jié)果表明釬焊鋁蜂窩板抗壓性能對溫度并不敏感，蜂窩芯與面板釬焊焊縫未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，表明焊縫結(jié)合強(qiáng)度較高，蜂窩板抗壓性能主要取決于3003鋁箔母材力學(xué)性能。抗壓測試過程中蜂窩板芯部鋁箔均發(fā)生塑性、屈服變形，導(dǎo)致失穩(wěn)。圖8是鋁合金蜂窩板抗壓測試位移—載荷變化曲線，可以看出鋁蜂窩板在加載過程中經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形以及坍塌失效三個過程。

表2 鋁合金蜂窩板抗壓強(qiáng)度

圖7 鋁合金蜂窩板平壓測試試樣

圖8 鋁合金蜂窩板抗壓測試曲線

不同釬焊溫度下鋁合金蜂窩板抗拉性能測試結(jié)果見表3。隨著釬焊溫度變化，釬焊鋁蜂窩板抗拉強(qiáng)度整體變化不大，在595 ℃時抗拉強(qiáng)度最低為1.80 MPa。其原因可能是隨著釬焊溫度的升高板芯界面母材受到釬料元素擴(kuò)散、溶解加劇，進(jìn)而導(dǎo)致母材強(qiáng)度降低。抗拉試樣斷后形貌如圖9所示，鋁蜂窩板均是在蜂窩芯中間部位發(fā)生斷裂，表明蜂窩板釬焊界面處抗拉強(qiáng)度較高，蜂窩芯斷裂破壞主要與蜂窩芯母材強(qiáng)度相關(guān)。

表3 鋁合金蜂窩板抗拉強(qiáng)度結(jié)果

圖9 鋁合金蜂窩板平拉測試后試樣

3 結(jié)論

(1)4004釬料與6003鋁合金面板及3003鋁合金蜂窩芯具有良好的冶金反應(yīng)，釬焊界面由富Al相、Al-Si 共晶相及Al(Mn，F(xiàn)e)Si相組成。

(2)隨著釬焊溫度的升高，釬焊界面處母材溶蝕程度加深，在釬焊溫度為595 ℃時，鋁合金蜂窩板宏觀表面可觀察到部分溶蝕孔洞，釬焊界面處母材被完全溶解，釬料填充在整個釬焊界面。

(3)釬焊溫度對蜂窩板力學(xué)性能影響較小，平壓測試中，蜂窩板失效于蜂窩芯中間，平拉測試中，拉伸斷裂在蜂窩芯中部。說明在試驗(yàn)溫度內(nèi)，釬焊界面強(qiáng)度較高，力學(xué)性能主要呈現(xiàn)形式為芯材的力學(xué)性能。