简介概要

铝/铜异种金属激光填丝熔钎焊工艺研究

来源期刊：稀有金属2019年第5期

论文作者：万秀莲王龙姚志文程东海张华

文章页码：494 - 499

关键词：激光熔钎焊;对接;焊接线能量;铜侧钎焊区;焊缝中心区;

摘要：采用Zn-5%Al药芯焊丝对T2紫铜和LY16铝合金板进行激光熔钎焊对接试验。主要研究激光功率、焊接速度和焊接线能量等工艺参数对接头力学性能的影响,同时观察并分析接头的显微组织形貌。结果表明:接头的抗拉强度随着激光功率、焊接速度和焊接线能量的增大均呈现出先增大后减小的趋势,金属间化合物（IMC）层厚度随着焊接线能量的增大而增大。当激光功率为2000～2400 W,焊接速度为0.7～1.1 m·min^-1,焊接线能量为1200～1600 J·cm^-1时, IMC层厚度为7.6～10.81μm,焊接接头整体成形良好。当激光功率超过2600 W时,焊缝背面出现明显的飞溅现象,甚至会出现被焊穿的情况。最佳工艺参数为:激光功率2200 W,焊接速度0.9 m·min^-1,焊接线能量1446.67 J·cm^-1。此时, IMC层厚度为9.23μm,接头的抗拉强度达到最大值,为274.25 MPa。接头主要分为铜侧钎焊区、焊缝中心区和铝侧熔焊区。其中,铜侧钎焊区为呈笋状向焊缝区生长的AlCu相和白色块状的CuZn₄化合物;焊缝中心区主要为α-Al相与β-Zn相形成的共晶组织。

详情信息展示

网络首发时间: 2019-03-18 11:52

稀有金属 2019,43(05),494-499 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy19010023

铝/铜异种金属激光填丝熔钎焊工艺研究

万秀莲王龙姚志文程东海张华

南昌航空大学航空制造工程学院

北京石油化工学院

摘要：

采用Zn-5%Al药芯焊丝对T2紫铜和LY16铝合金板进行激光熔钎焊对接试验。主要研究激光功率、焊接速度和焊接线能量等工艺参数对接头力学性能的影响, 同时观察并分析接头的显微组织形貌。结果表明:接头的抗拉强度随着激光功率、焊接速度和焊接线能量的增大均呈现出先增大后减小的趋势, 金属间化合物 (IMC) 层厚度随着焊接线能量的增大而增大。当激光功率为2000～2400 W, 焊接速度为0.7～1.1 m·min^-1, 焊接线能量为1200～1600 J·cm^-1时, IMC层厚度为7.6～10.81μm, 焊接接头整体成形良好。当激光功率超过2600 W时, 焊缝背面出现明显的飞溅现象, 甚至会出现被焊穿的情况。最佳工艺参数为:激光功率2200 W, 焊接速度0.9 m·min^-1, 焊接线能量1446.67 J·cm^-1。此时, IMC层厚度为9.23μm, 接头的抗拉强度达到最大值, 为274.25 MPa。接头主要分为铜侧钎焊区、焊缝中心区和铝侧熔焊区。其中, 铜侧钎焊区为呈笋状向焊缝区生长的AlCu相和白色块状的CuZn₄化合物;焊缝中心区主要为α-Al相与β-Zn相形成的共晶组织。

关键词：

激光熔钎焊;对接;焊接线能量;铜侧钎焊区;焊缝中心区;

中图分类号： TG454

作者简介：万秀莲 (1973-) , 女, 江西南昌人, 学士, 研究方向:焊接技术与工艺, E-mail:13361619273@163.com;*程东海, 副教授;电话:18170069935;E-mail:70269@nchu.edu.cn;

收稿日期：2019-01-22

基金：国家自然科学基金项目 (51865034);江西省自然科学基金项目 (20161BAB216100) 资助;

Laser Filling Brazing Technology of Aluminum/Copper Dissimilar Metals

Wan Xiulian Wang Long Yao Zhiwen Cheng Donghai Zhang Hua

School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Aviation University

Beijing Institute of Petroleum and Chemical Industry

Abstract：

The butt welding of T2 copper and LY16 aluminum alloy sheet by laser welding with Zn-5% Al flux cored wire was studied. The effects of laser power, welding speed and welding line energy on the mechanical properties of the joints were studied, and the microstructures and morphologies of the joints were observed and analyzed. The results showed that the tensile strength of the joint increased first and then decreased with the increase of laser power, welding speed and welding line energy, and the thickness of intermetallic compound (IMC) layer increased with the increase of welding line energy. When the laser power was 2000～2400 W, the welding speed was 0.7～1.1 m·min^-1 and the welding line energy was 1200～1600 J·cm^-1, the IMC layer thickness was 7.60～10.81 μm, and the overall shape of the joint was good. When the laser power exceeded 2600 W, there was obvious spatter phenomenon on the back of the weld, and even the welded through. The optimum process parameters were: laser power of 2200 W, welding speed of 0.9 m·min^-1, welding line energy of 1446.67 J·cm^-1. IMC layer thickness was 9.23 μm, and the maximum tensile strength of the joint was 274.25 MPa under the optimum condition. The joints were mainly pided into copper side brazing zone, weld center zone and aluminum side welding zone. Among them, AlCu phase and white massive CuZn₄ compound grew in the copper side brazing zone along the bamboo shoot, and eutectic structure formed in the central zone of the brazing zone was mainly α-Al phase and β-Zn phase.

Keyword：

laser welding; butt welding; welding line energy; copper side brazing zone; weld center zone;

Received： 2019-01-22

在工业生产中, 铜作为有色金属, 资源稀缺且价格昂贵, 而铝含量丰富、价格低廉, 质量较轻 ^[1] 。由于铝和铜的导电性、导热性和耐腐蚀性均比较优良, 所以在化工、电力、制冷等方面, 可以使用部分铝或铝合金代替铜, 或者直接采用铝-铜复合连接发挥两种材料在成本和性能的优势, 以达到节省成本、减轻结构重量的目的 ^[2] 。因此, 铝铜异种金属材料在焊接领域乃至工业生产中都具有非常实际的研究意义和应用价值。

目前, 铝铜异种金属虽然有钎焊、压力焊和熔化焊等常见的焊接方式, 但是它们在实际应用中却暴露出很多问题。其中, 钎焊和压力焊的产能低, 效率不足且限制了接头的尺寸大小。熔化焊由于铝和铜的物理性质相差较大且冶金相熔性不足的原因, 难以实现两者的有效连接。所以, 熔钎焊在近几年逐渐成为研究异种金属焊接领域的热点 ^{[2,3,4,5,6,7,8]} 。熔钎焊因为在低熔点侧形成熔化焊接头, 高熔点侧形成钎焊接头的特点, 改善了接头的结构适应性, 提高了接头的连接质量。而激光焊具有易受控制、热影响区窄、变形小和能量集中的优势, 可减小异种金属在熔点和热导率的差异, 提高接头质量 ^{[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19]} 。目前, 关于铝铜异种金属激光填丝熔钎焊的研究并不多见, 因此本文通过添加Zn-5%Al药芯焊丝, 将激光焊和熔钎焊结合, 对LY16铝合金板和T2紫铜板进行对接试验, 研究接头的工艺, 为铝铜异种金属激光填丝熔钎焊的应用提供数据支持。

1 实验

实验采用IPG YLR-4000型光纤激光器 (激光波长1070 nm, 最大输出功率4 kW) , 选用尺寸均为100 mm×75 mm×2 mm的LY16铝合金板和T2紫铜板, 直径为2 mm的Zn-5%Al药芯焊丝作填充材料。在进行激光填丝熔钎焊对接实验前, 先除去试件表面的氧化薄膜, 然后用丙酮清理氧化膜残渣及油污, 最后用砂纸打磨对接面后洗净吹干待焊。焊接工艺参数选取: 焊接速度分别为0.5～1.3 m·min^-1, 激光功率分别设定为1800～2600 W, 采用纯氩气保护, 保护气流量为15 L·min^-1。实验完成后, 用切割机沿垂直于焊缝方向截取最佳工艺参数下的试样, 经过打磨, 抛光后, 用金相显微镜 (OM) 观察接头各个区域, 并通过扫描电镜 (SEM) 和能谱分析仪 (EDS) 分析界面物相组织。制取拉伸试样, 使焊缝居于试样中部, 尺寸如图1所示。在室温环境下, 采用WDW-100型电子拉伸实验机对不同工艺参数下的试样进行测试 (拉伸速度设定为1 mm·min^-1) 。在分析接头的激光功率和焊接速度对抗拉强度的影响后, 引用焊接线能量和金属间化合物 (IMC) 层厚度深入分析接头的力学性能。焊接线能量是由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热量, 可由下式 (理想状态下) 表示为:

图1 拉伸试样尺寸

Fig.1 Dimensions of tensile specimens (mm)

式中, Q为焊接线能量 (J·cm^-1) ; ν为焊接速度 (cm·s^-1) ; P为激光功率 (W) 。

2 结果与讨论

2.1 力学性能分析

图2为焊接速度为0.9 m·min^-1时, 不同激光功率对接头抗拉强度的影响曲线。由图2可知, 随着激光功率的增加, 接头抗拉强度表现出先上升后下降的趋势。当激光功率为1800 W时抗拉强度仅为101.81 MPa, 此时接头热输入量过低, 铝和铜仅局部反应, 未形成完整的界面层, 使得焊缝表面成形不连续, 背部基本未熔透, 因此抗拉强度较低。随着激光功率的升高, 反应速度逐渐加快, 接头表现出良好的性能, 抗拉强度增加。当激光功率增至2200 W时, 抗拉强度达到最大值274.25 MPa。此时, 铝和铜反应充足, 形成完整、致密的界面连接层, 能够承受较高的抗拉强度, 同时焊缝组织均匀, 存在尺寸较细的柱状晶, 晶区内部有大量细小的等轴晶粒, 接头力学性能提升。焊缝整体成形光滑连续, 无气孔和裂纹等缺陷, 接头的抗拉强度大幅提高。然而当激光功率再继续升高时, 由于接头热输入量过高, 铝和铜之间的反应十分剧烈, 在功率到达2400 W时, 抗拉强度有不升反降。在此过程, 由于接头热输入量越来越高, 使得熔池运动加剧, 柱状晶区域内的晶粒变得粗大, 接头变脆, 抗拉强度降低。当功率超过2600 W时, 焊缝背面出现明显的飞溅现象, 甚至会出现被焊穿的情况, 难以形成焊缝 ^[5] 。

图2 激光功率对接头抗拉强度的影响

Fig.2 Effect of laser power on tensile strength of joints

图3为激光功率为2200 W时, 不同焊接速度对接头的抗拉强度的影响曲线。由图3可知, 随着焊接速度的增加, 接头抗拉强度整体呈现出先上升后下降的趋势。当焊接速度在0.5 m·min^-1时, 由于此时焊接速度较小, 母材在单位面积内摄入的热量虽多却无法吸收, 熔池的晶粒由于过热而变得粗大, 接头脆性增加, 抗拉强度较低。当焊接速度增大到0.9 m·min^-1时, 抗拉强度明显升高, 达到最大值274.25 MPa。此时, 焊接速度的加快, 使得单位面积上产生的热量相比之前减少, 减轻了熔池上晶粒粗大的现象, 接头由脆性向韧性转变, 提高了接头的抗拉强度 ^[11] 。然而当焊接速度继续升至1.3 m·min^-1时, 接头由于焊速过高使得反应过激, 抗拉强度下降。

激光功率和焊接速度实际上均反映了接头的力学性能, 但借助线能量和IMC层厚度可以更深入地对接头的成形效果进行分析。由图4知, 随着线能量的增加, IMC层的厚度一直在增加, 而接头抗拉强度呈现出先上升后下降的趋势。当在线能量为1013.82 J·cm^-1时, 母材摄入的热量不足, 元素之间未充分扩散, 铝和铜之间的形成的IMC层厚度仅为6.9 μm, 无法承受过高的载荷, 造成抗拉强度仅为82.16 MPa。线能量增至1466.67 J·cm^-1时, 热输入量增加, 加快了铝和铜的反应速度; 同时, 在长时间的高温环境下, 熔化的铝液向铜母材侧扩散, 使反应变得剧烈且充分。因此, 在足够的高温停留时间和较快的反应速度的影响下, 界面生成了较多的AlCu化合物和CuZn₄化合物, 使IMC层厚度增至9.23 μm, 抗拉强度达到最大值274.25 MPa, 此时接头力学性能良好。这是因为数量较多的AlCu化合物和CuZn₄化合物形成了完整、致密且厚度合适的IMC层, 使接头韧性增加, 抗拉强度提高。这与王梓懿 ^[20] 的观点“IMC层厚度在10 μm左右最佳”相符。表明当IMC层厚度在合适范围时, 既能保持接头的有效的连接, 又能使其具有较高的抗拉强度。然而当线能量过大时, 熔池环境温度越来越高, 越来越多熔化的铝液向铜母材扩散, 铝和铜反应激烈, 生成过多的AlCu化合物和CuZn₄化合物, 导致界面反应层过厚, 结构疏松, 接头的断裂形式由韧性向脆性转变, 严重降低了接头的抗拉强度, 甚至会出现气孔缺陷 ^[21] 。

图3 焊接速度对接头抗拉强度的影响

Fig.3 Effect of welding speed on tensile strength of joints

综上所述, 当激光功率为2200 W, 焊接速度为0.9 m·min^-1, 焊接线能量为1446.67 J·cm^-1时, IMC层厚度为9.23 μm, 接头表现出优良的成形和力学性能。

图4 焊接线能量对接头抗拉强度和IMC层厚度的影响

Fig.4 Effect of welding line energy on tensile strength and IMC layer thickness

2.2 显微组织分析

图5为接头在激光功率为2200 W, 焊接速度为0.9 m·min^-1时的宏观组织形貌。接头由铜母材区、焊缝中心区及铝母材区组成。其中, 铝侧呈单边“X”形, 界面晶粒沿热传导的反方向生长, 使得焊缝区域的熔宽中间窄, 两边宽, 符合典型的熔焊特征。铜侧界线清晰平直, 表明铜侧熔化量较少, 熔池金属 (铝和锌) 与铜反应生成金属间化合物, 铜母材与焊缝区交界处形成一层薄薄的界面反应层, 如图6所示, 是典型的钎焊特征。因此, 铝母材与焊缝之间形成铝侧熔合区, 铜母材与焊缝之间形成铜侧钎焊区, 整个接头表现出熔钎焊的特征。

图7是对图6中铜侧焊缝的显微组织形貌的放大SEM图, 在铜侧钎焊区, 由于铝和铜的熔点差异, 铝侧部分母材熔化成铝液向铜母材处扩散与部分铜在界面处发生反应, 生成较少的Al-Cu化合物。由于铝和铜之间的共晶反应降低了反应物的熔点, 同时反应带来的热传导至铜母材处, 使得少部分界面处的Cu溶解并扩散至焊缝与溶解的Zn反应, 在界面层生成Cu-Zn化合物。随着反应的加剧, 温度升高, 生成了较多的Al-Cu化合物和Cu-Zn化合物, 并呈大小不一的笋状向焊缝中心区生长, 最终形成了完整的界面层。图7中对应各点EDS分析结果如表1所示。其中, 点2位于铜侧的界面层, 由Al, Cu和Zn元素组成, 且存在Al-Cu化合物和Cu-Zn化合物, 并呈大小不一的笋状向焊缝中心区生长。因此, 由点2Al, Cu和Zn的原子占比, 结合二元合金相图及董红刚 ^[3] 和Ji等 ^[22] 的研究可确定界面层化合物为AlCu化合物和白色块状的CuZn₄化合物。点3～6位于焊缝中心区, 其中, 点3, 6呈黑色块状, 点4, 5呈灰色枝状。由点3, 6 Al和Zn原子的含量可知, 黑色块状相为α-Al相和β-Zn相。由点4, 5 Zn原子的含量可知, 灰色枝状相为β-Zn相。这是由于铜和铝的热导率较高, 在进行熔钎焊实验过程中, 熔池内的熔融金属快速冷却, 使得焊缝中产生了大量的枝晶组织, 而焊缝中的Zn原子随着枝晶的长大、分解而析出 ^[3] , 形成灰色枝状的β-Zn相。因此可知, 焊缝中心区主要由黑色块状的α-Al相和灰色枝状的β-Zn相组成的共晶组织。

图5 接头宏观形貌

Fig.5 Macroscopic morphology of joints

图6 铜侧焊缝区组织形貌

Fig.6 Microstructure and morphology of copper side weld zone

图7 铜侧焊缝显微组织SEM图

Fig.7 SEM image of microstructure of copper side weld

表1 图7中对应点EDS分析结果

Table 1 EDS analysis results of corresponding points in Fig.7 (%, atom fraction)

Points	2	3	4	5	6
Cu	41.59	5.39	21.62	17.68	4.42
Al	45.42	47.67	3.63	7.22	42.92
Zn	12.99	46.94	74.75	75.10	52.66

3 结论

1. 接头抗拉强度随着激光功率、焊接速度、焊接线能量的增大呈现出先增大后减小的趋势, IMC层厚度随着线能量的增大而增大。当激光功率为2000～2400 W, 焊接速度为0.7～1.1 m·min^-1, 线能量为1200～1600 J·cm^-1时, IMC层厚度为 7.6～10.81 μm, 可以获得成形良好的对接接头。最佳工艺参数为: 激光功率2200 W, 焊接速度0.9 m·min^-1, 焊接线能量1446.67 J·cm^-1。此时, IMC层厚度为9.23 μm, 抗拉强度达到最大值, 为274.25 MPa。

2. 接头分为铜侧钎焊区、焊缝中心区和铝侧熔焊区。其中, 界面层主要是呈笋状向焊缝区生长的AlCu相和白色块状的CuZn₄化合物, 而焊缝中心区的主要成分是黑色块状的α-Al相与灰色枝状的β-Zn相组成的共晶组织。