Zn-Ag-Cu釬料超聲釬焊AZ31B鎂合金/6063鋁合金

路文江，任相羿，俞偉元

（蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州730050）

Zn-Ag-Cu釬料超聲釬焊AZ31B鎂合金/6063鋁合金

路文江，任相羿，俞偉元

（蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州730050）

以Zn-Ag-Cu合金作為釬料，使用Ar氣氛保護高頻感應(yīng)加熱，并在釬焊過程中施加超聲震動輔助，在不使用釬劑的情況下獲得鎂合金AZ31B與鋁合金6063的釬焊接頭。使用SEM、EDS、XRD分析釬焊接頭的微觀結(jié)構(gòu)，并測試了接頭的力學(xué)性能以及焊縫內(nèi)各物相的顯微硬度。研究表明焊縫內(nèi)物相組成為Mg-Zn共晶、Zn-Al共晶、顆粒狀A(yù)l（Zn）或Zn（Al）固溶體以及脆性化合物Al6CuMg4+Cu5Zn8。搭接接頭平均剪切強度在50 MPa以上。接頭以脆性沿晶斷裂為主穿晶斷裂為輔。斷裂位置位于靠近鎂母材與焊縫界面擴散層附近的脆性金屬間化合物處。

鎂合金；超聲波；異種金屬；釬焊

0 前言

鎂合金和鋁合金具有密度低、比強度高、比剛性高等優(yōu)點在工業(yè)領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用前景。由于鎂合金和鋁合金應(yīng)用的廣泛性和交叉性，以及在某些場合對其特殊性能的要求，將鎂、鋁及其合金連接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)就顯得十分必要，這樣既可降低結(jié)構(gòu)重量，又可節(jié)約材料[1-2]。

鎂鋁焊接的主要問題在于母材本身極易氧化，熱傳導(dǎo)系數(shù)大，易產(chǎn)生裂紋、氣孔等焊接缺陷，且極易產(chǎn)生金屬間化合物，降低了焊接接頭的力學(xué)性能[3-4]。鎂鋁焊接的主要方法有真空擴散焊、攪拌摩擦焊、激光焊、TIG焊、釬焊等。

使用釬焊連接材料時，焊接過程受母材形狀影響較小，可用于焊接盲管等零件；與其他焊接方法相比，釬焊加熱溫度低，對母材組織和性能的影響小，焊后母材形變量小，尺寸精度高，因此可以被用于焊接鎂鋁等熱敏感度高的材料[5]。但是由于鎂、鋁等有色金屬化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，直接在大氣氣氛下釬焊會造成母材氧化，嚴重影響接頭的綜合性能。且真空環(huán)境下鎂合金易揮發(fā)，因此真空環(huán)境下不適合有鎂合金參與的釬焊。將超聲波技術(shù)應(yīng)用于釬焊化學(xué)性質(zhì)活潑的有色金屬，不僅可以有效去除焊接過程中生成的阻礙母材與釬料接觸的氧化膜，而且液態(tài)釬料在超聲波振動的作用下會充分鋪展。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

本實驗使用AZ31B鎂合金板材以及6063鋁合金板材。試樣尺寸50 mm×10 mm×3 mm。使用自制Zn-Ag-Cu釬料，質(zhì)量分數(shù)w（Zn）=84.2%，w（Ag）= 4.3%，w（Cu）=11.5%。由純Cu、純Ag以共晶成分配比在Ar氣氛保護下1 200℃感應(yīng)加熱熔煉為Cu-Ag中間合金（熔點780℃），再將中間合金在800℃與純Zn互溶后制得釬料。釬料的DSC曲線如圖1所示，由圖1可知，釬料的液相點約為560℃，固相點約為540℃。

圖1 釬料DSC曲線Fig.1 DSC graph of filler metal

1.2 試驗方法

由于鎂合金化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，Zn基合金作釬料釬焊鎂合金時，若釬焊保溫時間過長或釬焊溫度過高，液態(tài)釬料就會嚴重溶蝕鎂母材。另外，鋁母材與液態(tài)釬料相互作用又需要足夠長的保溫時間，為了同時滿足兩種母材的要求，本實驗設(shè)計了如下釬焊工藝。

第一步：將釬料制成適當大小的片狀，使用砂紙打磨干凈其表面，將釬料與鋁母材放入電阻爐中加熱，待釬料熔化后施加超聲波，讓釬料在待焊鋁母材表面鋪展涂覆。

第二步：打磨涂覆在鋁母材表面的釬料氧化膜，與鎂母材搭接后，在氣體保護感應(yīng)加熱爐中進行釬焊，各工藝參數(shù)如表1所示。

表1 超聲釬焊工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of ultrasonic brazing

釬焊過程結(jié)束后，使用掃描電鏡觀察分析焊縫的形貌，EDS分析焊縫內(nèi)元素類型及含量，XRD分析焊縫內(nèi)的物相組成。顯微硬度儀分析釬料以及焊縫內(nèi)各物相的顯微硬度。并在萬能力學(xué)試驗機上測試搭接接頭的剪切強度。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 接頭組織分析

圖2為焊縫與兩側(cè)母材界面的SEM照片。由圖2可知，釬料與鎂基體發(fā)生了劇烈的冶金反應(yīng)，形成了厚度達60 μm的界面反應(yīng)層，該反應(yīng)層微觀組織形貌與釬料殘余層組織完全不同。在反應(yīng)層與釬料殘余層的界面上，還有10 μm的過渡層生成。釬縫中各組織的EDS點掃描結(jié)果如表2所示。點A與點D處組織具有典型的共晶組織形貌特征，結(jié)合其元素組成及含量，可以確定其為Mg-Zn共晶以及Zn-Al共晶組織。點E處組織與釬料成分最為接近，但含有少量Al元素。根據(jù)有關(guān)相圖可以確定其組織為（Ag，Cu）Zn4+Zn。（Ag，Cu）Zn4由Ag、Cu在Zn中固溶形成，溶質(zhì)原子Ag和Cu可以相互替換。點C和點F含有大量Zn和Al元素，由于Ag、Cu元素含量非常低，其相對原子質(zhì)量又較高，因此其中所含的Ag、Cu原子可以忽略不計。根據(jù)Zn-Al相圖可以確定其組織為A（lZn）或Zn（Al）固溶體。其中Zn和Al的相對含量略有不同。合金中的Mg和Al若相互充分接觸，會大量生成脆性金屬間化合物Mg17Al12，焊縫如果存在較多該化合物，會嚴重惡化接頭力學(xué)性能，導(dǎo)致接頭脆性增加，強度下降[6]。根據(jù)相關(guān)相圖以及點B處組織的元素組成，可以確定點B處組織為金屬間化合物Al6CuMg4+Cu5Zn8。

焊縫的XRD衍射圖譜如圖3所示。由圖3可知，較多的α-Mg及β-Al來自母材，結(jié)合EDS點掃描分析結(jié)果，可以確定在整個釬焊過程中，Mg元素與Al元素并沒有直接相互反應(yīng)生成有害的脆性金屬間化合物Mg17Al12，在圖譜中出現(xiàn)了金屬間化合物Al6CuMg4，Cu5Zn8和（Ag，Cu）Zn4的小衍射峰。其中（Ag，Cu）Zn4與Cu5Zn8含量較低。（Ag，Cu）Zn4是化合物CuZn4的擴展相，是由一部分Ag原子替換了化合物中的Cu原子而形成的[7]。

圖2 焊縫與兩側(cè)母材界面Fig.2 Interface of seam and base metal

表2 焊縫各組織成分Tab.2 Component of phases in brazing seam

圖3 焊縫XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of seam

2.2 接頭力學(xué)性能分析

根據(jù)剪切強度測試結(jié)果，搭接接頭的平均剪切強度在50MPa以上，最高剪切強度達到了52.14 MPa。兩側(cè)斷口的SEM照片如圖4所示。由圖4可知，兩側(cè)的斷口都呈鋒利的刀刃狀，沒有塑性變形造成的韌窩以及拉伸變形后的邊緣出現(xiàn)。此種斷口形貌符合典型的脆性斷裂斷口特征。

圖4 剪切斷口形貌Fig.4 Morphology of shear fracture of seam

根據(jù)顯微硬度的測試結(jié)果（見表3），以及兩側(cè)斷口縱剖面的SEM照片（見圖5），可以發(fā)現(xiàn)焊縫的最薄弱處位于靠近鎂母材的金屬間化合物層，該處的硬度較高，在承受載荷的狀態(tài)下最容易產(chǎn)生裂紋并迅速擴展。當對搭接接頭施加剪切應(yīng)力時，裂紋從該處產(chǎn)生并擴展，大部分裂紋沿兩相界面擴展，少部分裂紋將金屬間化合物一分為二，裂紋擴展形式具有明顯的脆性沿晶斷裂特征。整個焊縫的斷裂方式以脆性沿晶斷裂為主，穿晶斷裂為輔。

表3 焊縫內(nèi)各組織顯微硬度Tab.3 Microhardness of phases in brazing seam

3 結(jié)論

（1）使用自制Zn-Ag-Cu合金作為釬料，以高頻感應(yīng)加熱方式并施加超聲振動，可以在不使用釬劑的情況下釬焊AZ31B鎂合金與6063鋁合金。所得的釬焊接頭形貌完整，組織致密，無微觀缺陷。

（2）焊縫內(nèi)共包含Mg-Zn共晶、Zn-Al共晶、顆粒狀A(yù)（lZn）或Zn（Al）固溶體、脆性化合物Al6CuMg4+ Cu5Zn8四種物相。搭接接頭的平均剪切強度在50 MPa以上，最高剪切強度達到了52.14 MPa。

（3）接頭以脆性沿晶斷裂為主，穿晶斷裂為輔。裂紋源位于靠近鎂母材-釬料界面的金屬間化合物層，是整個焊縫中硬度最低的區(qū)域。

圖5 剪切斷口縱剖面Fig.5 longitudinal profile of shear fracture

[1]譚錦紅，劉黎明.鎂、鋁異種金屬接觸反應(yīng)釬焊研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[2]王志，劉飛，劉黎明.釬焊溫度及保溫時間對Sn-30Zn釬料釬焊Mg/Al異種金屬組織和性能的影響[J].焊接學(xué)報，2012，33（10）：79-80.

[3]LI Yajiang，WANG Juan.Welding and Expectation of Nonferrous metal[M].Beijing：Chemical Industry Press.，2006：310-316.

[4]LI Yajiang，WANG Juan.Welding and Expectation of Nonferrous metal[M].Beijing：Chemical Industry Press.2004：210-212.

[5]WANG Jun，F(xiàn)ENG Jicai.Status and Development of Research on Welding of Magnesium and Aluminum Dissimiar Metal[J].Welding，2007（9）：15-17.

[6]王志，劉黎明.鎂/鋁異種金屬低溫釬焊工藝及性能研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[7]石德珂.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

Ultrasonic brazing technology researching of magnesium alloy AZ31B/Aluminum alloy 6063 using Zn-Ag-Cu filler metal

LU Wenjiang，REN Xiangyi，YU Weiyuan
（State Key laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Utilizing Zn-Ag-Cu alloy as the brazing filler metal，high-frequency induction as the heat source，and ultrasonic vibration as the support measure in actual operation，brazing joint between magnesium alloy AZ31B and aluminum alloy 6063 may be obtained in Ar atmosphere.On this basis，SEM，EDS，and XRD are employed to analyze the microstructure and to test the mechanical property of such brazing joint.This study shows that，phase composition of the brazing seam includes eutectic structure Mg-Zn and Zn-Al，gr anulated ηZn+αAl and brittle intermetallic compound phase Al6CuMg4+Cu5Zn8.The average shearing strength of joint is above 50 MPa，and the maximum is 52.14 MPa，with main fracture mechanism of brittle inter-granular fracture，which is located at the IMC zone.

magnesium alloy；ultrasonic；dissimilar metals；brazing

TG454

：A

：1001-2303（2015）10-0043-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.09

2014-05-09；

：2015-01-20

路文江（1954—），男，河南林州人，教授，博士，主要從事釬焊技術(shù)及納米材料的研究工作。