鋁/銅電子束焊接頭的顯微組織與力學(xué)性能

鄭 森，程?hào)|海，陳益平，胡德安（南昌航空大學(xué) 航空制造與工程學(xué)院，南昌 330063）

鋁/銅電子束焊接頭的顯微組織與力學(xué)性能

鄭 森，程?hào)|海，陳益平，胡德安
（南昌航空大學(xué) 航空制造與工程學(xué)院，南昌 330063）

采用對(duì)接方式對(duì)2 mm厚的T2紫銅板和2 mm厚的2A16鋁合金板進(jìn)行真空電子束焊。通過力學(xué)拉伸研究焊接速度、電子束流、掃描幅值對(duì)接頭力學(xué)性能的影響，通過電鏡掃描觀察接頭的顯微組織形貌。結(jié)果表明：接頭抗拉強(qiáng)度隨著焊接速度、電子束流、掃描幅值的增大均呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)焊接速度為1800 mm/min，電子束流為62 mA，掃描幅值為0.8 mm時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值71 MPa。電子束流固有的沖擊攪拌作用和其O型掃描作用對(duì)熔池中心組織有細(xì)化作用，會(huì)促進(jìn)等軸塊狀相的生成，抑制組織的棒狀生長(zhǎng)。在熔池中心，各相的分布均勻，白色的網(wǎng)狀化合物Al2Cu相遍布熔池中，暗灰色的Al相呈等軸塊狀被包裹在網(wǎng)狀相的內(nèi)部；靠鋁側(cè)熱影響區(qū)相呈短棒狀，緊靠銅側(cè)的化合物層為Al2Cu層。

紫銅；鋁合金；電子束焊；力學(xué)性能；顯微組織

隨著現(xiàn)代工業(yè)科技的發(fā)展進(jìn)步，對(duì)各類工程構(gòu)件的性能提出了更高更苛刻的要求，盡可能降低金屬材料的消耗量，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，節(jié)約成本已成為未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。異種材料的連接技術(shù)可以充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢(shì)性能，降低結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)制造成本，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)功能一體化。鋁和銅都具有延展性能好、耐蝕性好、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn)，而銅為稀缺金屬，屬于戰(zhàn)略資源，價(jià)格昂貴，實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種材料的有效連接能充分發(fā)揮兩種材料的固有性能，對(duì)汽車、航空航天等現(xiàn)代工業(yè)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)、節(jié)能減排有著重要的積極意義［1-3］。

鋁銅兩種材料在物理、化學(xué)性能上有較大的差異，在焊接過程中易產(chǎn)生脆性金屬間化合物、裂紋、氧化物、氣孔、熱應(yīng)力等問題，使得焊接接頭強(qiáng)度不高。目前，鋁/銅異種材料焊接方法主要是涉及在攪拌摩擦焊、TIG焊、電阻點(diǎn)焊、超聲波焊、真空擴(kuò)散焊、釬焊上［4-15］。對(duì)熔焊而言，在焊接過程中因鋁和銅的熔點(diǎn)相差較大，往往鋁熔化了而銅還處于固態(tài)，易形成未熔合和夾雜，焊接難度較大。鋁的熱膨脹系數(shù)大，而彈性系數(shù)小，焊后變形就較大，要求使用熱量集中的電源。電子束焊能量集中，能量密度特別高，焊縫熔深大、熔寬小，比較適合于鋁銅焊接。然而，目前關(guān)于鋁/銅異種材料真空電子束焊的研究報(bào)道并不多見。因此，本文作者擬以鋁/銅電子束焊為研究對(duì)象，對(duì)其焊接接頭的力學(xué)性能和組織進(jìn)行分析和研究。

1 實(shí)驗(yàn)

本試驗(yàn)中采用2 mm厚的T2紫銅和2 mm厚的2A16鋁合金進(jìn)行電子束焊接。將兩種材料均加工成幾何尺寸為150 mm×80 mm的板材，采用對(duì)接的焊接方式，電子束掃描方式采用O型掃描。經(jīng)過前期的試焊發(fā)現(xiàn)，將電子束偏向鋁合金側(cè)偏移距離為 0.1 mm時(shí)才能獲得完整的接頭，因而整個(gè)焊接過程將電子束偏向鋁合金距離設(shè)置為0.1 mm不變。焊后將試樣加工成如圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

圖1 拉伸試樣示意圖Fig. 1 Schematic diagram of tensile sample （Unit: mm）

采用WDW4504型試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同參數(shù)下的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度設(shè)為1 mm/min，以獲得其搭接接頭的抗拉強(qiáng)度。選擇最佳工藝參數(shù)下的試樣，在沿垂直焊縫的方向截取觀察試樣，經(jīng)研磨拋光腐蝕后，通過掃描電鏡對(duì)焊接接頭的顯微組織進(jìn)行觀察分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭的力學(xué)性能

圖2所示為掃描幅值對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響。由圖2可知，當(dāng)焊接速度固定為1800 mm/min，電子束流固定為62 mA時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度隨著掃描幅值的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在掃描幅值為 0.8 mm時(shí)獲得的接頭抗拉強(qiáng)度最高，為71 MPa。當(dāng)電子束的掃描幅值為0.5 mm時(shí)接頭的力學(xué)性能很低，僅為35 MPa；而當(dāng)電子束的掃描幅值增大到1.5 mm時(shí)，焊接在鋁側(cè)焊穿，未能獲得焊接接頭（在圖2中以0 MPa表示）。當(dāng)掃描幅值偏小時(shí)，電子束在熔池上方的作用面積偏小，在相同的焊接速度和電子束流的條件下使得此時(shí)單位面積上的熱輸入量偏大，母材及熔池的晶粒因?yàn)闊嶙饔贸浞侄兊么执?，Cu原子和Al原子在溫度的作用下擴(kuò)散劇烈，朝著各自濃度梯度減小的方向擴(kuò)散，在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的金屬間化合物偏多，使得接頭的力學(xué)性能下降。隨著掃描幅值的增大，電子束在熔池上方的作用面積增大，熱量開始有適當(dāng)分散，在相同條件下單位面積上的熱輸入量減小，母材以及熔池的晶粒粗大情況減輕，界面處產(chǎn)生的金屬間化合物在厚度上減小，使得接頭的力學(xué)性能上升。當(dāng)掃描幅值繼續(xù)增加時(shí)，單位面積上的熱量減少的更多，界面處的金屬間化合物含量變得更少，沒有鋪全整個(gè)接頭的母材界面，從而使得接頭抗拉強(qiáng)度減小。當(dāng)幅值增加到1.5 mm時(shí)，因熱量不夠，接頭未焊透。

圖3所示為焊接速度對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響。由圖3可知，當(dāng)電子束流固定為60 mA、焊接速度為1800 mm/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度隨著掃描幅值的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在焊接速度為2200 mm/min時(shí)獲得的接頭抗拉強(qiáng)度最高，為61 MPa。當(dāng)焊接速度偏小時(shí)，在單位面積內(nèi)獲得的熱輸入量偏大，母材及熔池的晶粒因?yàn)闊嶙饔枚鄷r(shí)間充分而變得粗大，原子擴(kuò)散劇烈，產(chǎn)生的金屬間化合物含量偏多，脆性增加，使得接頭的力學(xué)性能不高。隨著焊接速度的增加，單位面積上獲得的熱輸入量減小，產(chǎn)生的金屬間化合物的含量減小，脆性減小，接頭強(qiáng)度開始增加。當(dāng)速度增大到2500 mm/min時(shí)，單位面積上的熱作用減小，Cu原子和Al原子向兩側(cè)擴(kuò)散的量減小，接頭的金屬間化合物沒有鋪滿整個(gè)銅鋁的橫向界面，使得力學(xué)性能開始下降。

圖2 掃描幅值對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響Fig. 2 Influence of scan magnitude on joint tensile strength

圖3 焊接速度對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響Fig. 3 Influence of welding speed on joint tensile strength

圖4所示為電子束流對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響。由圖4可知的，當(dāng)固定焊接速度為1800 mm/min，掃描幅值為0.5 mm時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度隨著電子束流的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在焊接電子束流為 60 mA時(shí)獲得的接頭強(qiáng)度最高值53 MPa。當(dāng)電子束流偏小時(shí)，在相同的焊接速度和掃描幅值下，單位面積上焊接輸入的熱能量偏小，由于Cu的熔點(diǎn)比較高，Al的熔點(diǎn)比較低，Al先于Cu熔化，而Cu熔化量很少，此時(shí)主要是Al向著Cu側(cè)擴(kuò)散，在與Cu原子相遇時(shí)發(fā)生反應(yīng)生成金屬間化合物，因其反應(yīng)接觸的量偏少，接頭主要由Al液鋪展在Cu側(cè)上，依靠粘著力和少量的金屬間化合物使得鋁和銅連接在一起，因而力學(xué)性能較低。當(dāng)電子束流增大時(shí)，在相同條件下單位面積上輸入熱能量增大，Cu側(cè)母材熔化量逐漸增大，在較高溫度和較長(zhǎng)時(shí)間的熱作用下，Cu原子和Al原子的擴(kuò)散變得劇烈且充分，生成的金屬間化合物則會(huì)逐漸增多，鋁銅接頭的連接則由Al在銅側(cè)上的鋪展逐漸向全面生成金屬間化合物過渡，在橫向上慢慢占據(jù)整個(gè)接頭的界面，接頭力學(xué)性能逐漸增強(qiáng)。當(dāng)電子束流繼續(xù)增大時(shí)，生成的金屬間化合物在含量上和厚度上增多，接頭的脆性增加，同時(shí)在較大的熱輸入下，母材和熔池的晶粒變得粗大，使得接頭的力學(xué)性能下降。當(dāng)電子束流增加到65 mA時(shí)，由于熱輸入過大，接頭焊穿，未能獲得焊接接頭，在圖4中以0 MPa表示。

2.2 顯微組織

圖5所示為在最佳工藝參數(shù)（電子束流為62 mA，焊接速度為1800 mm/min，掃面幅值為0.8 mm，掃描頻率為1000 Hz）下接頭的宏觀形貌。圖5中灰暗色的為鋁母材側(cè)，亮白的為銅母材側(cè)。中間白灰相交的為熔池中心。從圖5中可以看出，Al和Cu在熔池中混合的較為均勻，遍布金屬間化合物。

圖6所示為圖5接頭的斷口形貌。由圖6斷口形貌可知，接頭斷口表面分布著許多亮白色的較為均勻細(xì)致的撕裂棱，撕裂方向一致，在撕裂棱邊緣分布著少量大小不一的韌窩，撕裂棱有塑性變形的特征。斷口微觀形態(tài)呈現(xiàn)河流花樣，但其河流短而不連續(xù)，并能觀察到較多的撕裂嶺特征。裂紋擴(kuò)展到缺陷處就會(huì)發(fā)生脆性斷裂，一旦裂紋經(jīng)過缺陷后，又將恢復(fù)韌性斷裂，斷裂方式為韌脆混合型斷裂。

圖4 電子束流對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響Fig. 4 Influence of electron beam on joint tensile strength

圖5 接頭宏觀形貌Fig. 5 Macro-morphology of joint

圖6 接頭斷口形貌Fig. 6 Fracture morphology of joint

圖7所示為靠近Al側(cè)的顯微組織形貌。從圖7可以看出，靠近鋁側(cè)母材的相呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀，而靠近熔池中心的相更多的呈現(xiàn)為等軸的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵陔娮邮负附訒r(shí)，中心處存在電子束流的沖擊攪拌作用和O型掃描帶來的旋轉(zhuǎn)作用，使得中心處的相在朝著溫度梯度減小的方向的生長(zhǎng)受到抑制，因而相在熔池中心呈現(xiàn)等軸塊狀，而母材邊緣處受到類似的影響非常小，其生長(zhǎng)的趨勢(shì)沒有得到有效抑制。同時(shí)鋁母材本身有良好的導(dǎo)熱性，因而在鋁母材側(cè)和熔池之間存在較大的焊接溫度梯度，液體的凝固生長(zhǎng)受到焊接溫度梯度的影響，朝著溫度梯度減小的方向生長(zhǎng)，因此表現(xiàn)為長(zhǎng)條狀。對(duì)于鋁母材，在其熱影響區(qū)側(cè)，可以看到其塊狀相的尺寸比熔池中心處的偏大，表現(xiàn)為大而朝著熔池中心的棒狀，這是因?yàn)殇X本身的熔點(diǎn)比較低，在電子束的熱作用下，在冷卻的過程中結(jié)晶最晚，因而相長(zhǎng)大的時(shí)間充分，因此比中心處Al相偏大。

圖8所示為熔池中心的顯微組織形貌。由圖8中可以看出，白灰兩種相交織的非常均勻，遍布在熔池中心。白色的Cu-Al化合物相呈網(wǎng)狀方式遍布了熔池的中心，暗灰色的Al相被包裹在網(wǎng)狀相的內(nèi)部，總體趨勢(shì)呈現(xiàn)出等軸的塊狀。電子束流作用在熔池中心時(shí)，熱量集中，Cu和Al的擴(kuò)散激活能被瞬間激活，會(huì)使得Al原子和Cu原子充分朝著濃度梯度方向小的一側(cè)擴(kuò)散，并在擴(kuò)散的過程中反應(yīng)生成Al-Cu金屬間化合物，熔池中心溫度較大，因此熔池中心會(huì)在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)著液體的狀態(tài)，反應(yīng)生成的金屬間化合物會(huì)在電子束流的沖擊攪拌作用下均勻地散落開，遍布在熔池中心處。同時(shí)本試驗(yàn)采用O型掃描的方式進(jìn)行焊接，相當(dāng)于給予了熔池中心液體旋轉(zhuǎn)初始的角動(dòng)量，后續(xù)液體在角動(dòng)量的作用下保持著漩渦的方式使得焊接向前繼續(xù)，此時(shí)會(huì)使得熔池中心的鋁液和銅液混合更加均勻，進(jìn)一步增加了這種等軸塊狀的Al相的分布的形成。而暗灰色的Al相因其熔點(diǎn)較低，會(huì)在最后析出，能充分的向四周吸收和凝聚Al液，長(zhǎng)大成塊，因此表現(xiàn)為塊狀。白色的Cu-Al化合物，其熔點(diǎn)較高，在焊接凝固的時(shí)候會(huì)優(yōu)先析出，因此來不及充分的成長(zhǎng)為塊狀的相就已經(jīng)凝固出來。

圖9所示為靠近銅側(cè)的微觀組織形貌，由圖9可知，在緊靠銅側(cè)的組織呈現(xiàn)出兩個(gè)化合物層，厚度約為50 μm。為進(jìn)一步研究其接頭組織，對(duì)銅側(cè)的化合物層進(jìn)行EDS分析，分析結(jié)果如表1中所示。由表1可知A點(diǎn)為Al相，因?yàn)镃u原子擴(kuò)散的關(guān)系，在其內(nèi)部存在著數(shù)量極少的Cu原子。C點(diǎn)的Cu原子和Al原子的含量分別為36.18%和63.82%（摩爾分?jǐn)?shù)），其含量比與Al2Cu相似，推測(cè)期化合物為Al2Cu。D點(diǎn)的Cu原子和Al原子的含量分別為28.86%和71.14%，其含量比與Al2Cu相似，推測(cè)期化合物為Al2Cu。在A點(diǎn)所在的熔池中心，白色的Al2Cu包裹著深灰色的Al相。B點(diǎn)Cu原子含量比占17.16%，Al原子占82.84%，推測(cè)為Al基固溶體形成的共晶組織和Cu-Al金屬間化合物混合物。在靠近銅側(cè)的Al2Cu化合物層，每個(gè)小塊狀的相寬度約為5 μm左右。電子束焊在焊接時(shí)能量密度很大，熱量很集中，Al原子和Cu原子在高溫度的作用下，其擴(kuò)散激活能瞬間被激活，而后向著各自濃度梯度方向小的一側(cè)急劇擴(kuò)散，在相遇時(shí)生成Al2Cu，并且連接成塊，同時(shí)由于銅板側(cè)的導(dǎo)熱性能良好，使得在沿著銅母材方向有著較大的過冷度，因?yàn)閴K狀的生長(zhǎng)方向朝著溫度梯度減小的方向，同時(shí)加之其處于電子束O型掃描和電子束流沖擊攪拌的邊緣以及銅側(cè)的導(dǎo)熱作用，使得塊狀的Al2Cu的生長(zhǎng)長(zhǎng)大受到抑制，因而表現(xiàn)為朝著銅側(cè)的塊狀。B點(diǎn)所在的化合物層，其Al元素的含量比較多，Cu元素的含量比較少，表現(xiàn)為Al原子和Cu原子擴(kuò)散的交界過渡層。在凝固時(shí)，Cu-Al化合物先于Al相析出，因此，在靠B點(diǎn)鋁相會(huì)依附在B點(diǎn)所在的相層并在溫度梯度的作用下朝著熔池中心生長(zhǎng)。

圖7 接頭靠鋁側(cè)顯微組織形貌Fig. 7 Microstructure morphology in aluminum side of joint

圖8 接頭中心處顯微組織形貌Fig. 8 Microstructure morphology in seam centre of joint

圖9 接頭靠銅側(cè)顯微組織形貌Fig. 9 Microstructure morphology in copper side of joint

表1 圖9中各區(qū)域EDS成分分析結(jié)果Table 1 Composition analysis of different zones in joint shown in Fig. 9 by EDS

3 結(jié)論

1） 鋁銅電子束焊焊接接頭的抗拉強(qiáng)度皆隨著電子束流、掃描幅值、焊接速度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)焊接速度為1800 mm/min時(shí)、電子束流為0.5 mm、掃描幅值為0.8 mm時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值71 MPa。

2） 銅鋁電子束焊熔池中心為Al2Cu和Al基共晶組織，靠銅側(cè)為Al2Cu層。

3） 電子束焊固有的電子束流的沖擊攪拌作用和其O型掃描作用對(duì)熔池組織有細(xì)化的作用。

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（編輯 龍懷中）

Mechanical properties and microstructure of joint of Al and Cu by electron beam welding

ZHENG Sen， CHENG Dong-hai， CHEN Yi-ping， HU De-an
（College of Aviation Manufacturing and Engineering， Nanchang Hang Kong Uiniversity， Nanchang 330063， China）

2.0 mm-thick T2 copper and 2.0 mm-thick 2A16 aluminum were welded by vacuum electron beam welding machine. The effects of welding velocity， electron beam and scanning magnitude on the mechanical properties were studied through the mechanical tensile. The microstructure of the joint was studied by SEM. The results show that， the tensile strength of joint increases firstly then decreases with increasing the welding speed， electron beam and the magnitude of scanning. When the welding speed is 1800 mm/min， the electron beam current is 62 mA， the magnitude of scanning is 0.8 mm， the tensile strength reaches the maximum of 71 MPa. The stirring action and O-scan of electron beam refine the microstructure of molten pool and promote the appearance of equiaxial massive phase. Each phase distributes uniformly in the pool. White Al2Cu compounds are reticular in the center of molten pool. The dark gray Al phase is wrapped by Cu-Al compounds and presented equiaxed block. Phase near the HAZ of aluminum side is short rod. The compound layer close to the side of the copper is Al2Cu layer.

copper； aluminum； electron beam welding； mechanical property； microstructure

Project （51465042） supported by the National Natural Science Foundation of China

date： 2015-07-22； Accepted date： 2015-11-06

CHENG Dong-hai； Tel: +86-18170069935； E-mail: 70269@nchu.edu.cn

1004-0609（2016）-05-0995-06

TG442

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51465042）

2015-07-22；

2015-11-06

程?hào)|海，副教授，博士；電話：18170069935；E-mail：70269@nchu.edu.cn