铜铝异种金属激光焊接头组织特征及力学性能

书书书第34卷第10期2013年10月焊接学报TＲANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONVol．34No．10October2013收稿日期:2013－04－17基金项目:国家自然科学基金资助项目(50975195)铜铝异种金属激光焊接头组织特征及力学性能薛志清1，2，胡绳荪1，2，左迪2，申俊琦1，2(1．天津大学天津市现代连接技术重点实验室，天津300072;2．天津大学材料科学与工程学院，天津300072)摘要:铜铝异种金属薄板的激光焊加热和冷却速度快，焊缝区温度梯度和成分浓度梯度大，接头微观组织具有特殊性．通过激光焊接试验、拉伸测试、焊缝横截面及断口SEM和DES分析，研究了铜铝薄板的激光搭接焊接头组织分布特征及其对性能的影响．结果表明，在高温度梯度和浓度梯度下焊缝区形成了组织形貌不同的区域，分别是平行排列的板条状过共晶组织区、板条状过共晶组织与共晶组织混合区(简称混合区)、片层状的共晶区以及枝晶状的亚共晶区．拉伸剪切断裂在混合区．随着焊接速度的增加，混合区的宽度变窄，混合区的过共晶组织由等轴状向板条状转变，试件承受的最大剪切力随之增大．关键词:激光焊;异种金属;微观组织;力学性能中图分类号:TG456．7文献标识码:A文章编号:0253－360X(2013)10－0051－04薛志清0序言铜铝异种金属之间在物理性能方面存在很大的差异［1－3］，例如熔点、密度、导热、比热容等．铜和铝的导热性良好，铜的热导率是铝的1．67倍［4］．因此铜铝异种金属焊接过程中，无论是铜在上铝在下还是铝在上铜在下，铜和铝的温度分布均不同．由于铝的熔点低于铜的熔点，且铜的热导率高于铝，所以铝在上铜在下搭接焊时，铝容易过热烧损，而铜却不容易受热熔化，很难形成搭接焊缝．铜在上铝在下搭接焊时，铜受热后很快将热量传导给铝，且铜的熔点高于铝，因此铜和铝容易同时受热熔化形成良好的焊缝．焊接时铜铝熔化形成熔池，在表面张力、重力以及浮力的共同作用下熔池液态金属铜铝发生流动，铜和铝相互混合．由于焊接时间很短，铜铝混合不充分导致焊缝内部成分不均匀．同时铜铝在焊接过程中易形成金属间化合物［5－7］，例如Cu2Al，Cu2Al3，CuAl和CuAl2．金属间化合物形态和分布会影响铜铝接头的力学性能［3，4－6，8］．激光焊具有能量密度高、焊接速度快和热影响区窄等特点［9］．铜铝异种金属薄板激光焊接时，加热和冷却速度快，熔池温度梯度高．由于加热和冷却时间短，熔池金属铜和铝来不及混合和扩散而形成成分浓度梯度高的铜铝焊缝区．焊缝区将呈现不同的组织形貌及成分分布．铜铝搭接激光焊时所形成的焊缝区组织形态、分布及其对接头力学性能的影响正是人们所关注的问题．文中主要研究铜铝薄板激光搭接焊过程中接头在快速熔化和冷却条件下微观组织特征及其对力学性能的影响．1试验方法铜铝激光搭接焊(铜在上、铝在下)试验采用固体激光器Nd:YAG(JK2003SM)，纯氩气作为保护气体．激光功率为1650W，激光光束半径为0．4mm，保护气体流量为25L/min．焊接速度分别采用125，135，145和155mm/s．所用的材料为工业纯铝(1060)和纯铜(T2)，铜铝试样尺寸均为100mm×20mm×0．3mm．激光焊接试验之前用砂纸对工件表面进行打磨，提高铜表面粗糙度，进而增加铜表面对激光的吸收率．焊后沿工件横截面进行切样、打磨和抛光．试样采用keller试剂进行腐蚀，腐蚀剂的体积分数为1%HF，1．5%HCl，2．5%HNO3，95%H2O．铜铝接头微观组织和成分分布采用SEM和EDS进行分析．工件的拉伸抗剪强度采用CCS-44100测试仪进行测试．每组数据测试三次，然后取平均值．断口形貌及成分分析采用SEM和EDS．52焊接学报第34卷2试验结果及讨论2．1微观组织特征及成分分布焊接速度为135mm/s时，铜铝焊接接头横截面的光学微观组织形貌如图1所示．图1铜铝搭接接头横截面微观组织Fig.1OpticalimageofCu-Allapcross-section由图1可以看出，焊接过程中在表面张力、浮力、重力等的共同作用下，液态铝向铜流动并在铜板侧形成铜铝结合区．虚线框部分结合区的SEM分析结果如图2所示．图2铜铝过渡区微观组织形貌Fig.2MicrostructureinCu-Alintermediatelayer图1和图2均显示铜铝之间有明显的过渡层，类似于铜铝扩散焊接头过渡区［5］．激光焊连续焊接时，功率密度为3．28×105W/cm2，未达到匙孔焊的能量密度条件(≥106W/cm2)，熔池金属没有发生充分的混合，而形成明显的铜铝过渡层．根据组织形貌和成分可以将过渡区分为如图2所示的5个区域．如图2所示，相邻区域边界之间的距离定义为该区域的宽度．图2中不同区域的SEM放大如图3所示．图3铜铝接头过渡区微观组织放大Fig.3MicrostructureofCu-Alintermediatelayerathighmagnification图2和图3中不同区域微观组织形貌特征以及相应的成分如表1所示．表1铜铝结合区组织形貌及对应的成分Table1MicrostructuremorphologyandcorrespondingcompositionsofCu-Aljoint区域形貌特征wCu(质量分数，%)尺寸d/μm1板条状组织，其轴平行于激光轴线点A:68．79点B:63．86板条宽:1．21半条长:3．882板条状组织，其轴与激光轴线呈30°夹角点C:58．97点D:55．03板条宽:1．53板条长:9．313不连续板条状组织分布在网状组织中点E:53．69点F:34．72板条宽:1．43板条长:5．184片层状组织平均值:33．86层间距:0．16区域宽:5．045树枝状组织，一次枝晶相互平行点G:15．73点H:12．33枝晶间距:1．94枝晶长度:20．18为了分析每个区域的组织及相，表2给出了Cu-Al二元合金固相及其对应的成分［8］．基于表1对铜铝接头微观组织形貌和成分的分析、表2铜－铝二元合金固相与铜质量分数的对应关系、铜－铝二元相图［10］以及以往对铜铝焊接所形成的合金金属间化合物的研究［5］，可以推断出区域1平行排列的板条状CuAl镶嵌在过固溶体中，区域2为CuAl和CuAl2的混合物镶嵌在过固溶体中，区域3为CuAl2不连续地分布在共晶组织中．第10期薛志清，等:铜铝异种金属激光焊接头组织特征及力学性能53表2铜－铝二元合金固相及其所对应的成分Table2SolidphasesforCu-Alsystemandtheircorre-spondingcompositions固相wCu(质量分数，%)Al0．00～6．44Al2Cu52．46～53．71AlCu70．03～72．09Al3Cu474．37～75．21Al2Cu377．44～79．28Al4Cu979．70～83．98Cu90．57～100．00区域4为片层状的共晶组织，其中α-Al和θ相交替平行排列成片层组织，片层组织的层间距为0．16μm，远小于定向凝固过程中形成的片层状组织(约为1μm)．区域5为树枝状亚共晶组织．区域1和区域2均为板条状过共晶组织且平行排列．因此把区域1和区域2统称为平行排列的板条状过共晶区．虽然区域3类似于区域2，但是区域3中的过共晶不连续地分布在共晶组织中．因此把区域3称为过共晶组织与共晶组织的混合区，以下简称为混合区．区域2和区域3中板条状组织取向与区域1不同，这是因为微观组织的取向与冷却过程中热量的传递方向有关［11］．2．2铜铝接头拉伸剪切断口分析对不同焊接速度125，135，145和155mm/s条件(保持其它焊接条件不变)下的铜铝接头进行拉伸剪切试验．断口表面进行SEM和EDS分析．结果发现，在焊接速度125～155mm/s范围内，接头均断裂在混合区(区域3)．铜铝焊接接头断口形貌如图4所示．图4铜铝接头断口表面(铝侧)(v=135mm/s)Fig.4FracturesurfaceofCu-Aljoint(Alside)EDS成分分析结果显示，点J，K，L处铜质量分数分别为53．57%，54．03%和52．44%．点M，N，O处铜质量分数分别为34．64%，32．97%和34．14%．由2．1节对铜铝固相及所对应的成分分析可知，J，K，L处为金属间化合物CuAl2，M，N，O处为共晶组织．由此可见，拉伸剪切断裂发生在混合区．不难看出，铜铝薄板激光搭接焊时，接头拉伸剪切薄弱点在于过共晶与共晶组织的混合区(区域3)．2．3焊接速度对微观组织及力学性能的影响焊接速度变化时，铜铝接头组织随之变化，组织的改变会影响接头的最大剪切力．图5a和图5b所示分别为混合区宽度和最大剪切力随焊接速度增加的变化曲线．图5混合区宽度及最大剪切力随焊接速度的变化Fig.5Variationsofmixturezonewidthandmaximumtensilestresswithweldingspeed由图5a和图5b可知，在焊接速度125～145mm/s范围内，混合区宽度随焊接速度增加而减小时，接头最大剪切力随焊接速度的增加而增大．由此可见，混合区宽度的降低有助于接头最大剪切力的提高．混合区(区域3)组织随焊接速度的变化如图6所示．可以看出随着焊接速度的增加，混合区组织由等轴状向板条状转变．板条状组织固有的阻图6混合区组织随焊接速度的变化Fig.6Variationofmixturezonemicrostructurewithweld-ingspeed54焊接学报第34卷止晶粒发生横向位移的能力，增加了接头区组织发生横向变形的阻力，因此铜铝搭接接头的拉伸剪切性能得以提高．板条状组织纵轴与剪切力的夹角也会影响接头的最大拉伸剪切力，当板条状组织纵轴与拉伸剪切力方向夹角减小时(图6d)，板条状组织能承受的阻力减小，接头拉伸剪切力降低(图5b)．焊接速度为145mm/s时，铜铝搭接激光焊接头拉伸剪切力最高．3结论(1)铜铝异种金属激光搭接焊接过程中，快速熔化和凝固导致熔池形成高的温度梯度和浓度梯度，使接头微观组织呈现明显的特征:由板平行排列的板条状过共晶区、过共晶与共晶组织的混合区、片层状的共晶组织区以及枝晶状的亚共晶区组成．(2)拉伸剪切试验结果表明，断裂是发生在过共晶与共晶组织的混合区，该区域为拉伸剪切的薄弱区．(3)焊接速度增大时，混合区宽度减小，混合区的过共晶形态由等轴状向板条状转变，最大剪切力随之增大;板条状过共晶组织有助于铜铝搭接接头最大剪切力的提高．参考文献:［1］SunZ．Joiningdissimilarmaterialcombinations:materialsandprocesses［J］．InternationalJournalofMaterialsandProductTechnology，1995，10(1/2):16－27．［2］张洪涛，刘多，冯吉才，等．铝/铜高频感应接触反应钎焊［J］．焊接学报，2012，33(3):89－92．ZhangHongtao，LiuDuo，FengJicai，etal．Ｒeactivecontactbrazingbetweenaluminumalloyandcopperbyhighfrequencyin-ductionmethod［J］．TransactionsoftheChinaWeldingInstitu-tion，2012，33(3):89－92．［3］崔占全，李达，孙明辉，等．7075铝合金与H68黄铜的搅拌摩擦焊组织分析［J］．焊接学报，2011，32(7):91－94．CuiZhanquan，LiDa，SunMinghui，etal．Microstructureoffrictionstirweldingjointof7075AlandH68brass［J］．Transac-tionsoftheChinaWeldingInstitution，2011，32(7):91－94．［4］Ma