電磁脈沖焊接銅鋁異種材料接頭的組織與性能分析

張杰

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東滕州277500）

電磁脈沖焊接銅鋁異種材料接頭的組織與性能分析

張杰

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東滕州277500）

采用電磁脈沖焊接方法，進(jìn)行T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料焊接試驗，并測試與分析了顯微組織、物相組成、表面硬度和力學(xué)性能。結(jié)果表明，該方法可獲得較高質(zhì)量的焊接接頭，接頭抗拉強度為137 MPa，達(dá)到LF21防銹鋁母材的110%，達(dá)到T3純銅母材的51%；焊接接頭由α-Al固溶體相、Cu相和CuAl2相組成。

電磁脈沖焊；異種材料焊接；T3純銅；LF21防銹鋁；焊接接頭

0 前言

隨著科技的進(jìn)步，異種材料在同一產(chǎn)品中越來越多地被采用。然而，異種材料的連接成為了一個重要的技術(shù)難題。焊接是金屬材料連接的一種有效途徑，對于銅、鋁等有色金屬而言，常規(guī)的熔化焊往往極易導(dǎo)致焊接接頭存在氣孔、孔洞、熱裂紋、夾雜等焊接缺陷[1-4]。電磁脈沖焊是一種通過強大的電磁壓力來實現(xiàn)可靠連接的常溫固相焊接工藝，在焊接有色金屬方面具有常規(guī)熔化焊難以比擬的優(yōu)點。但是，目前關(guān)于銅鋁異種材料的電磁脈沖焊研究還鮮有報道。在此嘗試采用電磁脈沖焊方法進(jìn)行T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料焊接試驗，并測試與分析接頭的顯微組織、表面硬度和力學(xué)性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣材料

母材為T3純銅與LF21防銹鋁，尺寸φ16mm× 100 mm。采用EDX1800C型X射線熒光光譜儀檢測母材化學(xué)成分，檢測結(jié)果如表1所示。母材的室溫力學(xué)性能如表2所示。

1.2 試驗方法

采用電磁脈沖焊方法，在自制的電磁脈沖焊機(jī)上進(jìn)行T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料焊接工藝試驗。電磁脈沖焊的工作原理如圖1所示。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，脈沖電流通過一種特殊線圈時將產(chǎn)生交變磁場，并且在外層加工零件內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與線圈磁場相互作用，線圈和外圈零件之間就出現(xiàn)斥力，最終導(dǎo)致外圈加工零件以較高的運動速度向內(nèi)圈加工零件貼合而成形焊接[5]。T3純銅與LF21防銹鋁的電磁脈沖焊焊接工藝過程如圖2所示。電磁脈沖焊的工藝參數(shù)如表3所示。

表1 母材化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of base metals%

表2 母材室溫力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of base materials at room temperature

圖1 電磁脈沖焊工作原理Fig.1 Working principle of electromagnetic pulse welding

采用GX18型金相顯微鏡和JSM6510型掃描電子顯微鏡觀察T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料電磁脈沖焊接頭的顯微組織。采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀對接頭的物相組成進(jìn)行分析，測試時掃描速度為4°/min、掃描范圍為10°～90°、選用Cu靶。采用HV-1000型顯微硬度計測試接頭的硬度分布。采用HY-932型拉伸試驗機(jī)測試接頭的室溫力學(xué)性能，并采用SEM6510型掃描電子顯微鏡觀察斷口。

圖2 電磁脈沖焊工藝流程Fig.2 Electromagnetic pulse welding process

表3 電磁脈沖焊工藝參數(shù)Tab.3 Electromagnetic pulse welding process parameters

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 顯微組織

T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料電磁脈沖焊接頭的顯微組織金相照片和SEM照片分別如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以看出，在本試驗工藝條件下，T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料電磁脈沖焊接頭無明顯的裂紋、夾雜、氣孔等缺陷，接頭質(zhì)量較好。焊縫區(qū)材料呈網(wǎng)狀分布。

圖3 電磁脈沖焊接頭顯微組織金相照片F(xiàn)ig.3 Microstructure photomicrographs of electromagnetic pulse welding joint

2.2XRD分析

T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料電磁脈沖焊接頭的XRD圖譜如圖5所示。由圖5可知，該異種材料的電磁脈沖焊焊接接頭由α-Al固溶體相、Cu相和CuAl2相組成。

圖4 電磁脈沖焊接頭顯微組織SEM照片F(xiàn)ig.4 Microstructure SEM photo of electromagnetic pulse welding joint

圖5 接頭XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the joint

2.3 硬度分布

T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料電磁脈沖焊接頭的硬度分布如圖6所示。由圖6可知，上述異種材料的電磁脈沖焊焊接接頭的硬度在LF12防銹鋁一側(cè)出現(xiàn)最大值（118 HV），這主要是因為在靠近防銹鋁基體一側(cè)生成了較多的金屬間化合物。此外，由圖6還可知，在接頭兩側(cè)反應(yīng)區(qū)的硬度變化較為明顯，這是因為T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料在電磁脈沖焊接過程中材料組元相互擴(kuò)散，在焊縫兩側(cè)發(fā)生了劇烈的置換反應(yīng)，生成α-Al固溶體相或化合物相CuAl2。T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料通過電磁脈沖焊接形成了具有良好綜合性能的焊接接頭。

2.3 力學(xué)性能

T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料電磁脈沖焊接頭的室溫力學(xué)性能測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，采用電磁脈沖焊方法獲得的T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料焊接接頭抗拉強度為137 MPa，達(dá)到LF21防銹鋁母材抗拉強度的110%，達(dá)到T3純銅母材抗拉強度的51%。接頭的屈服強度為60 MPa，達(dá)到LF21防銹鋁母材屈服強度的102%，達(dá)到T3純銅母材屈服強度的88%。由此可見，該異種材料電磁脈沖焊接頭具有較佳的力學(xué)性能。圖8是該異質(zhì)材料接頭的室溫拉伸斷口SEM照片。由圖8可知，T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料電磁脈沖焊接頭室溫拉伸斷口由較多拉長的韌窩和解理臺階構(gòu)成，表現(xiàn)為明顯的韌性斷裂與脆性斷裂的混合斷裂特征。

圖6 接頭硬度分布Fig.6 Distribution of the joint

圖7 接頭力學(xué)性能測試結(jié)果Fig.7 Test results of joints performance

3 結(jié)論

（1）采用電磁脈沖焊接方法，可以獲得較高質(zhì)量的T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料焊接接頭，接頭抗拉強度為137 MPa，達(dá)到LF21防銹鋁母材抗拉強度的110%，達(dá)到T3純銅母材抗拉強度的51%；接頭屈服強度為60MPa，達(dá)到LF21防銹鋁母材屈服強度的102%，達(dá)到T3純銅母材屈服強度的88%。

圖8 試樣4接頭拉伸斷口形貌SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of the sample 4 joint tensile fracture

（2）T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料電磁脈沖焊焊接接頭由α-Al固溶體相、Cu相和CuAl2相組成。

（3）T3純銅與LF21防銹鋁的電磁脈沖焊接頭在LF12防銹鋁一側(cè)出現(xiàn)硬度最大值（118 HV），且在接頭兩側(cè)反應(yīng)區(qū)的硬度變化較為明顯，這主要是因為T3純銅與LF21防銹鋁的異種材料在電磁脈沖焊接過程中材料組元相互擴(kuò)散，在焊縫兩側(cè)發(fā)生了劇烈的置換反應(yīng)，生成α-Al固溶體相或化合物相CuAl2。

[1]Ouyang Jiahu，Yarrapareddy Eswar，Kovacevic Radovan. Microstructural evolution in the friction stir welded 6061 aluminum alloy(T6-temper condition)to copper[J].Jounral of Materials Processing Technology，2011，272（3）：110-122.

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Microstructure and properties analysis of welded joints of electromagnetic pulsed welding for Copper/Aluminum dissimilar materials

ZHANG Jie
（Zaozhuang Vocational College of Science and Technology，Tengzhou 277500，China）

Welding tests of T3 fine copper and rust-proof aluminum LF21 dissimilar materials are conducted by electromagnetic pulsed welding method，and the microstructure，phase composition，surface hardness and mechanical properties are tested and analyzed. The results show that this method can achieve high-quality welded joints，and the joint tensile strength is 137 MPa，reaching 110% tensile strength of LF21 rust-proof aluminum base material，and 51%tensile strength of T3 copper base metal；welded joints comprise α-Al solid solution phase，Cu phase and CuAl2phase.

electromagnetic pulsed welding；dissimilar welding materials；T3 fine copper；LF21 rust-proof aluminum；welded joints

TG249.2

：A

1001-2303（2015）09-0185-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.42

2014-11-14

全國教育科學(xué)規(guī)劃教育部重點課題（GKA113007）

張 杰（1974—），男，山東滕州人，講師，學(xué)士，主要從事電磁脈沖的研究工作。