Cu/Al/Cu層狀金屬?gòu)?fù)合材料電子束焊接接頭特征

宋一諾， 曲杰， 王廷

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)，山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 威海 264209；2.浙江錢(qián)江機(jī)器人有限公司，浙江 臺(tái)州317500)

0 前言

隨著社會(huì)現(xiàn)代化生活水平日益提高，對(duì)材料的要求也逐步提升，單一材料已經(jīng)不能滿足日常使用的需要[1]。復(fù)合材料一直被科研工作者關(guān)注，層狀金屬?gòu)?fù)合材料的出現(xiàn)為材料領(lǐng)域帶來(lái)了新的熱潮[2]。Cu/Al/Cu層狀金屬?gòu)?fù)合材料兼具金屬銅、鋁的優(yōu)點(diǎn)，具有良好導(dǎo)熱性、較小接觸電阻，并且具有與純銅相差無(wú)幾的導(dǎo)電性。對(duì)于很多部件來(lái)說(shuō)，純銅完全可以被Cu/Al/Cu層狀金屬?gòu)?fù)合材料取代。Cu/Al/Cu層狀金屬?gòu)?fù)合材料可以節(jié)約大量銅資源，使材料的密度減小，質(zhì)量減輕，符合中國(guó)“以鋁節(jié)銅”的戰(zhàn)略趨勢(shì)，由此，Cu/Al層狀金屬?gòu)?fù)合材料在電器、化工和制冷行業(yè)有非常廣闊的應(yīng)用空間[3]。

近年來(lái)，科研工作者對(duì)Cu/Al異種金屬的連接上做了大量的研究，主要的焊接方法包括攪拌摩擦焊、真空擴(kuò)散焊、超聲波焊、釬焊等[4-7]。由于銅和鋁在熔點(diǎn)、晶格常數(shù)、線膨脹系數(shù)等物理化學(xué)性能方面存在較大差異，Cu/Al/Cu層狀金屬?gòu)?fù)合材料的連接相較于Cu/Al連接更加復(fù)雜。目前，對(duì)于Cu/Al/Cu層狀金屬?gòu)?fù)合材料的熔化焊還鮮見(jiàn)研究報(bào)道。電子束焊能量密度高、焊縫深寬比大，更適合異種金屬的焊接[8]。研究Cu/Al/Cu層狀金屬?gòu)?fù)合材料電子束焊縫微觀組織及接頭力學(xué)性能等特性，具有重要的理論和工程意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選擇厚度為2.5 mm的Cu/Al/Cu層狀金屬?gòu)?fù)合材料為研究對(duì)象，其中上銅層、下銅層的厚度均為0.5 mm，Al層厚度為1.5 mm，材料結(jié)構(gòu)如圖1所示。焊前先采用砂紙對(duì)板材表面進(jìn)行打磨去除氧化膜，打磨光亮后用丙酮進(jìn)行清洗。

圖1 材料結(jié)構(gòu)與焊接過(guò)程示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

采用7 kW真空電子束焊機(jī)進(jìn)行焊接。焊接工藝參數(shù)為：加速電壓70 kV，電子束流21 mA，焊接速度2 000 mm/min。焊后，沿垂直于焊縫方向橫向截取金相試樣，經(jīng)砂紙逐級(jí)打磨并拋光，用Keller試劑浸蝕10 s。采用DSX 510光學(xué)數(shù)碼顯微鏡觀察焊縫宏觀形貌，Zeiss MERLIN Compact型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析焊接接頭的微觀組織形貌，并利用能譜儀(EDS)分析焊接接頭中元素的分布；使用維氏硬度計(jì)對(duì)焊接接頭不同區(qū)域的硬度進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置每個(gè)相鄰的測(cè)量點(diǎn)之間的距離為0.5 mm，載荷力與時(shí)間為0.098 N和10 s；在Instron 5967萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為0.5 mm/min，并使用SEM和EDS觀察分析斷口形貌和成分，采用X射線衍射儀分析物相。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊接接頭組織和成分

圖2為焊接工藝參數(shù)下所獲接頭的截面形貌。從圖2中可以看出，采用電子束焊可以實(shí)現(xiàn)Cu/Al/Cu層狀金屬?gòu)?fù)合材料的連接。焊縫橫截面呈現(xiàn)3個(gè)不同的特征區(qū)域，上銅層、下銅層和中鋁層的焊縫寬度明顯不同，中鋁層熔點(diǎn)低，焊縫明顯增寬，上銅層由于熱量較高，焊縫寬度明顯大于下銅層焊縫。由光學(xué)顯微鏡下不同區(qū)域的顏色對(duì)比可見(jiàn)，焊接過(guò)程中各層液態(tài)金屬之間發(fā)生了充分的混合，中間的液態(tài)鋁進(jìn)入上銅層、下銅層熔池中，上銅層、下銅層的液態(tài)銅進(jìn)入了中鋁層熔池，這為凝固過(guò)程中熔池內(nèi)的冶金反應(yīng)和界面的冶金反應(yīng)提供了條件。

圖2 Cu/Al/Cu焊接接頭橫截面

從Cu-Al二元合金相圖中可知，該系統(tǒng)中除了鋁基固溶體、銅基固溶體外，還存在13種相[4]。鋁在銅中的溶解度隨溫度的下降而逐漸降低，在200～500 ℃下逐步形成Cu2Al，Cu3Al2，AlCu，Cu9Al4，Al2Cu等5種熱力學(xué)穩(wěn)定的金屬間化合物[9]。根據(jù)焊縫組織形成的特征不同，現(xiàn)選取圖2焊接接頭中4個(gè)典型位置在SEM下進(jìn)行進(jìn)一步分析，分別是：上銅層界面a、中鋁層界面b、焊縫中心c和下銅層界面d。

圖3為圖2中a區(qū)上銅層界面顯微組織形貌。由圖3可以看出，該區(qū)由緊鄰銅母材界面細(xì)小鋸齒狀相(A點(diǎn))、板條狀相(B點(diǎn))和其周圍的灰暗色相(C點(diǎn))組成，對(duì)上述幾個(gè)位置進(jìn)行了EDS分析，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)合Cu-Al二元相圖與前期科研工作者對(duì)銅鋁金屬間化合物成分和形態(tài)的研究結(jié)果[10]，緊鄰母材的鋸齒狀相(A點(diǎn))為CuAl；板條狀相(B點(diǎn))為Al2Cu；不連續(xù)地分布在α-Al+Al2Cu組成的灰暗色基體中。

圖3 上銅層界面顯微組織

表1 圖3中各相元素含量(原子分?jǐn)?shù)，%)

圖4為圖2中b區(qū)鋁層界面顯微組織形貌。可以明顯觀察到在母材和焊縫組織之間形成了厚度約為16 μm的化合物層。為了進(jìn)一步確定不同相的元素組成，對(duì)圖4中D，E，F(xiàn) 點(diǎn)進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表2。D點(diǎn)結(jié)果顯示，靠近界面的化合物層主要成分為Al2Cu，E點(diǎn)為AlCu呈塊狀分布在Al2Cu基體中。

圖4 中鋁層界面顯微組織

表2 圖4各相元素含量(原子分?jǐn)?shù)，%)

為了進(jìn)一步分析中鋁層焊接接頭元素?cái)U(kuò)散情況，對(duì)中鋁層界面進(jìn)行了線掃描，結(jié)果如圖5所示。線掃描結(jié)果表明，從鋁母材到焊縫，Al元素含量逐漸降低，而Cu元素含量的變化正好相反，并在金屬間化合物層內(nèi)Al，Cu元素含量相對(duì)穩(wěn)定，出現(xiàn)明顯的臺(tái)階，證實(shí)了此處有金屬間化合物的生成，在塊狀組織區(qū)中Al，Cu元素含量起伏較大，說(shuō)明焊縫中的金屬化合物呈塊狀不連續(xù)分布。

圖5 中鋁層界面元素線掃描結(jié)果

圖6為圖2中c區(qū)焊縫中心顯微組織形貌。靠近熔池中心的相更多的呈現(xiàn)等軸趨勢(shì)，均勻分布于灰暗色的網(wǎng)狀基體組織中。對(duì)圖中G，H點(diǎn)EDS測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。G點(diǎn)為Al2Cu，H點(diǎn)為α-Al及Al2Cu形成的共晶組織。

圖6 焊縫中心顯微組織

表3 圖6各相元素含量(原子分?jǐn)?shù)，%)

圖7為圖2中d區(qū)下銅層顯微組織形貌，白色的I點(diǎn)除了沿母材延伸出一定厚度外，其余呈雪花狀分布在灰白色基體(J點(diǎn))中。對(duì)各相進(jìn)行EDS(表4)分析后發(fā)現(xiàn)，為AlCu相分布在Al2Cu的基體中。同時(shí)，K點(diǎn)成分表明，在焊接過(guò)程中有大塊的銅未完全熔化時(shí)經(jīng)電子束攪拌作用卷入了焊縫底部。

圖7 下銅層界面顯微組織

表4 圖7各相元素含量(原子分?jǐn)?shù)，%)

圖8為下銅層界面面掃描結(jié)果，可以看出Al，Cu元素分布明顯不均勻，也進(jìn)一步證明了在凝固過(guò)程中，熔融狀態(tài)鋁銅的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

圖8 圖7面掃描分析圖

2.2 焊接接頭力學(xué)性能

2.2.1拉伸性能

由于銅-鋁異種材料物理化學(xué)性能存在極大的差異，故其焊接接頭的力學(xué)性能與同種材料接頭性能存在極大的差異。經(jīng)室溫拉伸試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，焊接工藝參數(shù)下得到的焊接接頭抗拉強(qiáng)度為44 MPa。斷裂后重新組合的接頭如圖9所示，斷裂時(shí)并未發(fā)現(xiàn)明顯頸縮，為脆性斷裂。接頭裂紋起始于下銅層焊縫與母材界面處，并沿該方向正斷于焊縫中心。說(shuō)明Cu/Al/Cu層狀金屬經(jīng)電子束焊接后，焊縫的性能大幅度降低。

圖9 斷裂后重新組合的接頭

在異種金屬焊接中，接頭的微觀組織、金屬化合物的數(shù)量、形貌和分布共同決定著接頭的抗拉強(qiáng)度[4]。采用掃描電鏡觀察拉伸試樣斷口微觀形貌，并利用X射線衍射儀分析斷口界面的物相組成。拉伸斷口形貌如圖10所示，斷口光亮，表面整體較為平整，可以觀察到塊狀組織和其周圍的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證相的成分，圖11給出了斷口處的X射線衍射圖譜，表明整個(gè)接頭斷口主要由Al2Cu組成，Al2Cu的脆性較大且力學(xué)性能較差，因而也間接證明了焊縫中心分布大量的Al2Cu相。這也進(jìn)一步說(shuō)明了焊接接頭中形成的金屬化合物嚴(yán)重降低了焊接接頭的性能。

圖10 拉伸斷口形貌

圖11 斷口X射線衍射圖譜

2.2.2焊接接頭顯微硬度

銅鋁異種金屬電子束焊接接頭的硬度主要與焊接時(shí)生成的硬脆金屬間化合物含量有關(guān)。圖12給出了焊接接頭不同位置的顯微硬度。可以發(fā)現(xiàn)，在焊接工藝參數(shù)下，不論是銅層焊縫還是鋁層焊縫顯微硬度變化均是焊縫遠(yuǎn)高于母材，呈現(xiàn)“中間高、兩邊低的狀態(tài)”。在焊縫與母材的界面處，由于形成了金屬化合物層，導(dǎo)致其顯微硬度急劇升高，最高可達(dá)540.8 HV，出現(xiàn)在上銅層焊縫界面處；在焊縫中心處，由于生成的金屬間化合物Al2Cu呈等軸狀均勻分布在α-Al及Al2Cu形成的共晶組織基體中，導(dǎo)致焊接接頭的顯微硬度在300～330 HV范圍出現(xiàn)一定的波動(dòng)，共晶體的顯微硬度約192 HV。

圖12 焊接接頭不同位置處顯微硬度

3 結(jié)論

(1)Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料采用電子束焊焊接后，上銅層、下銅層和中鋁層的焊縫寬度明顯不同，中鋁層熔點(diǎn)低，焊縫明顯增寬，上銅層由于熱量較高，焊縫寬度明顯大于下銅層焊縫。

(2)焊接過(guò)程中熔化的金屬進(jìn)行了充分混合，在焊縫與母材交界處存在金屬化合物層，鋁層主要是Al2Cu，銅層主要是AlCu，Al2Cu；靠近銅母材處，晶粒垂直于母材方向向中間生長(zhǎng)；在焊縫中心位置，晶粒逐漸變?yōu)榈容S塊狀，為Al2Cu均勻分布在α-Al和Al2Cu共晶組織中。由于銅鋁的密度差異，下銅側(cè)焊縫中組織成分并不均勻，越靠近其底部，Cu元素含量越高；并且有大塊未熔化的銅在電子束攪拌作用下被卷入熔池底部。

(3)金屬間化合物的產(chǎn)生，提高接頭硬度的同時(shí)嚴(yán)重影響了接頭的抗拉強(qiáng)度。經(jīng)拉伸試驗(yàn)，焊縫的抗拉強(qiáng)度為44 MPa，呈脆性斷裂，斷裂于焊縫中心位置。接頭的顯微硬度曲線呈現(xiàn)中間高、兩邊低的趨勢(shì)，焊縫中心顯微硬度值約為 300～330 HV，與母材相比有大幅度提升。