鈹青銅薄片預(yù)置鎳中間層的微電阻點(diǎn)焊

毛錦榮，黃永德，付 強(qiáng)，張成聰，何 鵬

(1. 南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2. 上海航天設(shè)備制造總廠 工藝部，上海 200245；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

鈹青銅薄片預(yù)置鎳中間層的微電阻點(diǎn)焊

毛錦榮1，黃永德1，付 強(qiáng)1，張成聰2，何 鵬3

(1. 南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2. 上海航天設(shè)備制造總廠 工藝部，上海 200245；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

為提高鈹青銅薄片微電阻點(diǎn)焊的接頭性能，采用0.05 mm厚純鎳作為中間層對0.1 mm厚鈹青銅進(jìn)行焊接，對比分析預(yù)置鎳層與未預(yù)置鎳層時(shí)的點(diǎn)焊接頭性能，并綜合研究中間層的作用機(jī)理。結(jié)果表明：鈹青銅薄片預(yù)置鎳中間層后，點(diǎn)焊接頭焊核尺寸增大，接頭抗拉剪力提高79.2%，斷口結(jié)合面撕裂區(qū)呈韌性斷裂特征，接頭熱影響區(qū)組織為細(xì)小的胞狀晶、焊核中心及底部區(qū)域?yàn)榈容S晶；鎳中間層的添加改變接頭連接機(jī)制，整個(gè)接頭由熔化焊及釬焊連接組成。另外，通過產(chǎn)熱分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)置鎳中間層增加鎳與鈹青銅之間的接觸電阻和鎳層體電阻，接頭總產(chǎn)熱電阻增大；鎳中間層通過增大焊接熱輸入以及擴(kuò)大接頭連接區(qū)域面積使得接頭的質(zhì)量提高。

鈹青銅；鎳中間層；微電阻點(diǎn)焊；力學(xué)性能；作用機(jī)理

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，我國也開始自主研制可展開薄膜衛(wèi)星天線。國外航天局多采用高彈性的材料來制作豆莢桿形式的可展開機(jī)構(gòu)。鈹青銅薄片經(jīng)固溶時(shí)效處理后具有超彈性性能及良好的電氣性能[1-2]，特別適合制造豆莢桿構(gòu)件，用以保證豆莢桿的柔韌性和鼓起剛度，從而保證天線展開后形面精度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[3]。由于豆莢桿材料和加工工藝的限制，國內(nèi)鈹青銅材質(zhì)的豆莢桿構(gòu)件都依賴進(jìn)口，鈹青銅材質(zhì)的豆莢桿的自主研發(fā)勢在必行。

豆莢桿是由兩片異形薄片搭接而成，可選用的連接工藝主要是微激光焊和微電阻焊。銅合金對YAG激光的吸收率較低，且要求采用復(fù)雜的焊接夾具保證工件緊密接觸?；阝斍嚆~的高彈性，高硬度以及元件的超薄尺寸等特點(diǎn)，對于構(gòu)件宜采用微電阻點(diǎn)焊工藝方法[4-7]。在鈹青銅微電阻點(diǎn)焊研究方面，付強(qiáng)等[8]通過對鈹青銅薄片微電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)焊接電流是影響接頭性能的主要因素，但優(yōu)化工藝后的接頭力學(xué)性能提升幅度并不明顯。徐春容等[9]研究鈹青銅表面粗糙度對接頭力學(xué)性能。結(jié)果表明：當(dāng)表面粗糙度小于0.5 μm時(shí)，接頭拉剪載荷隨著表面粗糙度的增大而增大；但當(dāng)表面粗糙大于0.5 μm時(shí)，接頭拉剪載荷隨著表面粗糙度的增加而減小。郁龍貴[10]采用熱處理方法改變鈹青銅組織結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明經(jīng)時(shí)效處理后的鈹青銅力學(xué)性能較好。在提高點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的方法中，ZHANG等[11]通過加入純銅箔作為中間層，研究Cu箔層對鋁合金/高強(qiáng)鋼的異種材料電阻點(diǎn)焊接頭力學(xué)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：加入Cu箔中間層后，其點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能顯著提高。WANG等[12]通過預(yù)置A1050鋁作為中間層，研究A5086鋁合金和SS400低碳鋼異種材料的電阻點(diǎn)焊，結(jié)果表明：當(dāng)預(yù)置中間層厚度為0.5 mm時(shí)，接頭強(qiáng)度提高了30%。

綜上所述，鈹青銅微電阻點(diǎn)焊在工藝優(yōu)化、熱處理以及表面粗糙度等方面做了相關(guān)工作，但其接頭性能并不理想。而置入合適的中間層材料可以提高電阻點(diǎn)焊接頭連接強(qiáng)度，且國內(nèi)外學(xué)者大多研究集中在中間層對接頭組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，而中間層的作用機(jī)制未見相關(guān)報(bào)道。為進(jìn)一步提高鈹青銅薄片微電阻點(diǎn)焊的接頭性能，本文作者以時(shí)效態(tài)鈹青銅薄片為研究對象，分析中間層材料對微電阻點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的影響，且通過研究預(yù)置中間層的接頭顯微組織結(jié)構(gòu)、焊核尺寸以及斷口形貌，深入分析中間層的作用機(jī)制。從而研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鈹青銅豆莢桿構(gòu)件。

1 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)材料為經(jīng)過固溶+人工時(shí)效(320 ℃保溫2 h)處理的QBe2薄片，其厚度為0.1 mm，化學(xué)成分如表1所列。預(yù)置中間層的目的主要是改變接頭組織，以達(dá)到提升接頭性能的效果[13]。Cu和Ni無限固溶，且鎳溶入銅合金基體可以起固態(tài)強(qiáng)化作用，是合適的中間層?？紤]到焊接設(shè)備的容量，中間層材料選用0.05 mm厚的純鎳片。

焊接試樣加工尺寸為25 mm×5 mm×0.1 mm，焊接中搭接量為5 mm，中間層及試樣的安放如圖1所示。

表1 鈹青銅母材化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of QBe2 base metal(mass fraction, %)

圖1 形狀尺寸示意圖Fig. 1 Schematic diagram of shape and size (Unit: mm)

焊機(jī)型號為MDA-4000B晶體管直流電源，電極選用W80鎢銅合金，其端面直徑為3.2 mm。焊接電流為3.0～5.0 kA，焊接時(shí)間設(shè)定為5 ms，電極壓力選用80 N。焊前采用鹽酸酸洗表面去除氧化皮，并用丙酮清洗去除雜質(zhì)。焊后沿焊點(diǎn)中心截取制備金相試樣，在MR5000型倒置金相顯微鏡上進(jìn)行觀察。選用INSTRON-5540型電子精密拉伸機(jī)對點(diǎn)焊質(zhì)量進(jìn)行測試，采用掃描電鏡對點(diǎn)焊接頭斷口進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)置鎳中間層對接頭抗拉剪力的影響

圖2所示為相同工藝參數(shù)下(焊接時(shí)間為5 ms、電極壓力為80 N)預(yù)置鎳層和未預(yù)置鎳層的點(diǎn)焊接頭抗拉剪力與焊接電流的關(guān)系曲線。由圖2可知，在相同工藝參數(shù)下，焊接電流由3.0 kA增大到4.5 kA時(shí)，預(yù)置鎳層和未預(yù)置鎳層的鈹青銅接頭抗拉剪力逐漸增大；當(dāng)焊接電流繼續(xù)增大時(shí)，由于熱輸入達(dá)到飽和，電極粘損鈹青銅表面，抗拉剪力逐漸下降。當(dāng)焊接電流為4.5 kA時(shí)，未預(yù)置鎳層的接頭平均抗拉剪力為114.96 N，預(yù)置鎳層接頭平均抗拉剪力可以達(dá)到155.42 N。對圖2中預(yù)置鎳層和未預(yù)置鎳層的接頭抗拉剪力進(jìn)行對比計(jì)算，可得相同工藝參數(shù)下，預(yù)置鎳層比未預(yù)置鎳層的接頭抗拉剪力最大可以提高79.2%。

圖2 焊接電流和抗拉剪力的關(guān)系Fig. 2 Relationship between welding current and tensile shear force

圖3 焊接電流與焊核尺寸的關(guān)系Fig. 3 Relationship between nugget size and welding current

從圖2可見，當(dāng)焊接電流大于4.0 kA后，未預(yù)置鎳層的接頭抗拉剪力上升不明顯，而預(yù)置鎳層的接頭顯著上升，且預(yù)置鎳層整體高于未預(yù)置鎳層的鈹青銅點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能。由此可知，在相同工藝參數(shù)下，鎳層的置入可明顯提高鈹青銅微電阻點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能。

電阻點(diǎn)焊接頭抗拉剪強(qiáng)度與焊核尺寸大小密切相關(guān)[14]。圖3所示為相同工藝下未預(yù)置鎳層和預(yù)置鎳層的鈹青銅接頭焊核尺寸隨焊接電流變化的關(guān)系曲線。從圖3可看出，未預(yù)置鎳層和預(yù)置鎳層鈹青銅焊核尺寸隨焊接電流的增大而增大，其變化規(guī)律進(jìn)一步說明鎳中間層的添加可以提高接頭的力學(xué)性能。

2.2 預(yù)置鎳中間層條件下的接頭顯微組織

圖4和5所示分別是焊接電流為4.5 kA的預(yù)置鎳層的鈹青銅點(diǎn)焊接頭的橫截面宏觀形貌、分區(qū)及各區(qū)域的顯微組織。從圖4可看出，鎳中間大部分區(qū)域被熔化，并且擴(kuò)散至焊縫中，只有少部分焊核邊緣區(qū)鎳層未熔化。圖5(a)中顯示預(yù)置鎳層的接頭熱影響區(qū)為細(xì)小的胞狀晶，靠近母材邊緣溫度較低，鎳層沒有熔化，而靠近焊核P區(qū)有部分長大的等軸晶。由圖5(b)和(c)中可以看出，靠近未熔化鎳層端部區(qū)域分布明顯長大的等軸晶，M區(qū)未熔化的鎳層與Cu相互結(jié)合，而其中部分鎳層逐漸熔入基體。而焊核中心處的鎳層被完全熔化，熔化的鎳和銅相互固溶，在靠近焊核中心N區(qū)尚有部分細(xì)小的等軸枝晶存在，由于焊核內(nèi)成分不均勻，各區(qū)域溫度梯度各異，鎳的擴(kuò)散不均，造成了等軸晶環(huán)繞等軸枝晶長大的現(xiàn)象，焊核中心區(qū)的等軸晶長大的更為明顯。圖5(d)所示為焊核底部區(qū)域，靠近電極端面的等軸晶F區(qū)明顯大于遠(yuǎn)離端面的E區(qū)，由于靠近電極端面的冷卻速度要快，高溫停留時(shí)間短，故形成的晶粒較大。

2.3 預(yù)置鎳中間層條件下的接頭斷口

圖6所示為焊接電流為4.5 kA的預(yù)置鎳層的接頭斷裂形貌，接頭斷裂方式為紐扣斷裂，且鎳中間層在紐扣凸起側(cè)。從圖6(a)可看出，斷口表面平整，局部區(qū)域有撕裂角。圖6(b)為R區(qū)域放大圖，此區(qū)域?yàn)槿酆诉吘墔^(qū)域，圖6(b)中可見，斷裂面呈臺階狀，無韌窩出現(xiàn)，部分金屬附著在Ni中間層表面。圖6(c)所示為結(jié)合面撕斷區(qū)域放大圖(S區(qū)域)，可以看到斷口形貌出現(xiàn)明顯大量韌窩，呈韌性斷裂特征。

2.4 鎳中間層作用機(jī)制分析

相同工藝下，鈹青銅預(yù)置鎳中間層后接頭焊核尺寸、接頭抗拉剪力整體大于不加鎳的接頭。為此，對鎳中間的作用進(jìn)行分析。

圖4 預(yù)置鎳層的接頭橫截面宏觀形貌及其分區(qū)Fig. 4 Cross section morphology and partitions of welded joint with nickel interlayer

圖5 圖4中不同區(qū)域的顯微組織Fig. 5 Microstructures of different zones in Fig. 4: (a) Zone A; (b) Zone B; (c) Zone C; (d) Zone D

圖6 預(yù)置鎳層的接頭斷口形貌Fig. 6 Fracture morphologies of joints with Ni interlayer: (a) Fracture; (b) Larger version of zone R; (c) Larger version of zone S

由上述可知，圖4中焊核中心鎳層熔化，且焊核中心等軸晶長大。同時(shí)，由圖5(b)中M區(qū)可見，在高溫下鎳層逐漸被熔化，說明接頭中心區(qū)形成了熔化焊接頭。根據(jù)圖5(a)，在焊核邊緣處，未熔化的鎳層與熔化的銅合金之間存在界面。對應(yīng)于接頭紐扣狀斷口的邊緣，如圖6(b)和(c)。對圖6(b)中Q區(qū)域進(jìn)行EDS成分分析，實(shí)測的數(shù)據(jù)表明，Ni中間層表面附著的材料主要為Cu，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到96.18%，說明熔化的銅合金與未熔化的鎳層之間形成了局部連接，兩者之間的連接強(qiáng)度大于銅合金，在拉剪力測試中，銅合金被拉斷。同時(shí)，焊核邊緣區(qū)(見圖6(c))，直接從銅合金處拉斷，且呈韌性斷裂。除此之外，由文獻(xiàn)[15]可知，Sn-Cu釬料可以釬焊鎳片，而且含Cu量高的Sn-Cu釬料一定程度上減少界面金屬間化合物的形成，這也說明Cu合金可以釬焊鎳。因此，焊核邊緣區(qū)域應(yīng)該形成了釬焊接頭。預(yù)置鎳層的點(diǎn)焊接頭主要由焊核中心鎳層熔化區(qū)的熔化焊接頭和焊核邊緣鎳層未熔化區(qū)的釬焊接頭組成。

另外，電阻點(diǎn)焊的接頭力學(xué)性能與焊接熱輸入量密切相關(guān)[16]。在點(diǎn)焊工藝參數(shù)一定的條件下，焊接熱輸入量取決于產(chǎn)熱電阻。常規(guī)電阻點(diǎn)焊通常忽略接觸電阻。但是，微電阻點(diǎn)焊的電極壓力是常規(guī)電阻點(diǎn)焊的1/10，接觸電阻在產(chǎn)熱過程中起到主要作用[17]。很明顯，添加鎳中間層后，增加了鎳的體電阻，但是鎳中間層與兩側(cè)的鈹青銅之間的接觸電阻如何變化不得而知，為此，對有/無鎳中間層的產(chǎn)熱電阻進(jìn)行分析和計(jì)算。

圖7所示為預(yù)置鎳層的點(diǎn)焊接頭的總電阻。在焊接初期，鎳層置入后接觸電阻發(fā)生變化，對于預(yù)置鎳層接頭而言，其接頭總電阻(R)主要由上下鈹青銅試片和中間鎳層及表面接觸電阻組成，即

對于不加鎳層的接頭，其總電阻由上下鈹青銅試片和鈹青銅之間表面接觸電阻組成，即

圖7 預(yù)置鎳層的點(diǎn)焊接頭各部分電阻Fig. 7 All resistance of spot welding joint with Ni interlayer

式中：R1為上下金屬試片的電阻；R2為鎳中間層自身體電阻；R3為試片與電極間的接觸電阻；R4為鈹青銅與鎳層之間的貼合面接觸電阻；R′4為鈹青銅表面之間的接觸電阻。對于電極與金屬接觸面間的接觸電阻R3而言，因?yàn)殡姌O自身電阻很小，此時(shí)電導(dǎo)率ρ極小，故R3可忽略不計(jì)。

鎳層的表面硬度約為60HV，而時(shí)效態(tài)鈹青銅表面硬度約為370HV，時(shí)效態(tài)鈹青銅約為鎳層表面硬度的6倍，即6HNi≈HQBe2。研究表明，異種材料相接觸，其接觸電阻值取決于較軟的材料[18]，即鈹青銅與鎳接觸時(shí)按鎳的參數(shù)計(jì)算，由接觸電阻公式可知[17]：

式中：F為壓力；ρ為電阻率；ζ為壓力因子；H為接觸或壓入硬度；n為接觸點(diǎn)數(shù)目。相同工藝參數(shù)下，壓力值不變；鎳中間層自身電阻率為鈹青銅電阻率的6倍，即ρNi=6ρQBe2。由文獻(xiàn)[19]可知，對于超彈性鈹青銅其壓力因子ζ為0.2，而較軟的鎳片壓力因子ζ為0.7；對于彈性較高的材料為面接觸，其接觸點(diǎn)的個(gè)數(shù)為1；而鎳片在微電阻點(diǎn)焊中，其接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)n為10～20。在此把上述參數(shù)代入式(3)，可得預(yù)置鎳層和未預(yù)置鎳層的接頭接觸電阻關(guān)系式：

由式(4)可知，預(yù)置鎳層后，單個(gè)面的接觸電阻要比無鎳層的要大。那么，2R4＞R′4，可見雖然鎳片硬度較低，接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)n增多，但其電阻率和壓力因子較大，其接觸電阻總和并沒有減小，反而增大。鎳層置入后也增加了自身體電阻R2。相同工藝參數(shù)下，預(yù)置鎳中間層后的總產(chǎn)熱電阻大于未預(yù)置鎳的產(chǎn)熱總電阻，即R＞R′。

由電阻產(chǎn)熱公式Q=I2Rt(其中I為電流，R為接頭總電阻，t為通電時(shí)間)，可得預(yù)置鎳中間層熱輸入量(Q)和未預(yù)置鎳層的接頭(Q′)的關(guān)系，即

可見，鎳層置入后，雖然材料表面接觸硬度降低，但電極間的接觸電阻并沒有減小，同時(shí)增加了體電阻。在相同工藝條件下，預(yù)置鎳層的接頭熱輸入量大于不加鎳的接頭。

綜上所述，鎳層的置入使得接頭熱輸入量增大，同時(shí)，改變了接頭的連接機(jī)制，擴(kuò)大了接頭連接區(qū)域面積，使接頭力學(xué)性能提高。另外，鎳層熔化，鎳原子溶入基體后起固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)鎳原子與鈹青銅熔化金屬發(fā)生冶金反應(yīng)，形成固溶體[20]，而固溶體具有良好的綜合力學(xué)性能。

3 結(jié)論

1) 鈹青銅微電阻點(diǎn)焊時(shí)，置入鎳中間層可以提高接頭力學(xué)性能。在試驗(yàn)條件下，預(yù)置鎳層的接頭最大平均抗拉剪力為155.42 N，不加鎳的接頭最大平均抗拉剪力為114.96 N，接頭抗拉剪力提高79.2%。

2) 預(yù)置鎳中間層的接頭主要由鎳片熔化區(qū)的熔化焊接頭及邊緣區(qū)的釬焊接頭組成，熱影響區(qū)為細(xì)小的胞狀晶，焊核中心及底部區(qū)域?yàn)殚L大的等軸晶。

3) 預(yù)置鎳中間層的接頭斷裂方式為紐扣斷裂時(shí)，焊核邊緣區(qū)域?yàn)榕_階狀；而結(jié)合面撕斷區(qū)域，出現(xiàn)大量韌窩，呈韌性斷裂特征。

4) 鎳中間層的添加可以擴(kuò)大接頭連接區(qū)域面積；相同工藝下，鎳層置入后，電極間的接觸電阻和體電阻增大，接頭熱輸入量提高。鎳中間層通過增大焊接熱輸入量，擴(kuò)大接頭連接區(qū)域面積提高接頭質(zhì)量。

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Micro-resistance spot welding of Ni interlayer of QBe2sheets

MAO Jin-rong1, HUANG Yong-de1, FU Qiang1, ZHANG Cheng-cong2, HE Peng3
(1. National Defense Key Disciplines Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2. Process Department, Shanghai Space flight Manufacture (Group) Co., Ltd., Shanghai 200245, China; 3. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

In order to improve the micro-resistance spot welding (MRSW) joint performance, two beryllium bronze sheets with thickness of 0.1 mm were welded with 0.05 mm-thick pure nickel foil as interlayer. The effects of interlayer on joint properties were investigated by the comparison of joints welded with or without Ni interlayer. The results show that the larger size of nuggets welding with Ni interlayer is observed, correspondingly, the shearing force increases by 79.2%. The ductile fracture is shown at faying surface. The cross section morphology of typical MRSW joint with Ni interlayer is characterized as fine cellular crystal in HAZ and equiaxed crystal in the centre or bottom area of joint. When welding with nickel interlayer, the joint is comprised of the fusion welding at center and brazing at peripheral region. As result, the bounding mechanism is changed. Further, the analysis results of thermal generation during MRSW show that Ni interlayer bring forth the contact resistance between Ni foil and beryllium bronze sheet and the bulk resistance of Ni foil which results in the increased resistance participated in whole heat generation. The improved MRSW joint performance results from the increased heat generation and enlarged brazing bonding area.

beryllium bronze; Ni interlayer; micro-resistance spot welding; mechanical property; mechanism

HE Peng; Tel: +86-13945108894; E-mail: hepeng@hit.edu.cn

TG 453

A

1004-0609(2017)-01-0105-07

Foundation item： Project(SAST201209) supported by Shanghai Aerospace Science and Technology Innovation Fund, China; Project(15YF1405400) supported by Soil Plan of Shanghai Youth Science and Technology Talents, China

(編輯 李艷紅)

上海航天科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(SAST201209)；上海市青年科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃(15YF1405400)

2016-01-14；

2016-08-04

何 鵬，教授，博士；電話：13945108894；E-mail: hepeng@hit.edu.cn

Received date： 2016-01-04; Accepted date： 2016-08-04