高溫釬焊和電阻釬焊純鋁接頭的微觀組織及性能對(duì)比

李 翠，董曉利，武曉軍，肖 磊

新疆工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000

0 前言

鋁表面存在的致密Al2O3氧化膜阻礙了其與填充釬料之間形成有效的冶金連接，而傳統(tǒng)的連接方法如弧焊、高溫釬焊、真空釬焊等，都需要使用助焊劑去除母材和焊料表面的氧化物，但助焊劑的殘留會(huì)造成接頭界面釬劑殘留腐蝕等問題。電阻釬焊是釬焊與電阻焊相結(jié)合的一種新型焊接方法，兼具電阻焊與釬焊的特點(diǎn)。電阻釬焊的熱量來源是電流通過工件接觸面產(chǎn)生的電阻熱，焊接過程中需要電極頭對(duì)工件施加壓力，在電阻熱和電極壓力作用下使釬料熔化并流入固態(tài)母材之間的間隙，并依靠毛細(xì)作用保持在間隙內(nèi)并滲透進(jìn)母材，冷卻凝固而形成致密的焊接接頭。通過電阻產(chǎn)生的焦耳熱可以有效破壞鋁表面的致密氧化膜，促進(jìn)焊料在基材上的潤濕［1-2］。

電阻釬焊具有加熱速度快、生產(chǎn)率高、加熱集中，熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于金屬連接和精密加工領(lǐng)域。俞偉元等［3］采用兩步超聲波釬焊方法，使用Al-Si-Mg釬料對(duì)鋁合金進(jìn)行超聲輔助電阻釬焊，研究表明，在高密度電流作用下，電阻產(chǎn)生的焦耳熱和相互作用力會(huì)使得釬焊過程中產(chǎn)生爆破現(xiàn)象，而通過超聲作用能去除母材表面的氧化膜，消除爆破現(xiàn)象。王希靖等［4］采用AlZn薄帶釬料進(jìn)行鋁合金和紫銅的搭接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在最佳工藝下，熔融釬料的溫度能保持在450～520℃，而在靠近銅側(cè)釬縫處容易產(chǎn)生聚集的硬脆相。楊金龍等［5］采用火焰釬焊的方法實(shí)現(xiàn)鋁合金與鋼的良好冶金連接，研究表明，選用Zn-xAl釬料的同時(shí)輔助使用CsFRbF-AlF3釬劑，能夠有效去除鋁合金和鋼材表面氧化膜，提高釬焊接頭力學(xué)性能，伴隨Al元素含量的提升，釬料鋪展性和填縫性也相應(yīng)增大，值得注意的是釬焊接頭強(qiáng)度呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律，當(dāng)Al元素含量為15%時(shí)，釬焊接頭力學(xué)性能最佳。

許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)電場作用金屬凝固［6］的過程及釬料在基板潤濕性能變化展開了深入探究，而對(duì)于電場作用下釬焊接頭的性能改變和連接機(jī)理還很缺乏，因此本研究選擇純鋁作為母材，Zn-Al合金作為填充釬料，通過電阻釬焊的方法研究電場作用下焊接接頭的微觀組織演變規(guī)律及連接機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑?060純鋁，尺寸為20 mm×10 mm×6 mm，填充釬料為箔片狀Zn-Al釬料（厚0.6 mm），其為中溫釬料，在電阻釬焊過程中能夠達(dá)到熔點(diǎn)而不至于造成母材軟化，有利于得到良好冶金連接的釬焊接頭。母材和釬料的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。

表1 1060純鋁和Zn-Al的化學(xué)成分及性能Table 1 Chemical composition and performance of 1060 pure aluminum and Zn-Al

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，先用400目砂紙打磨鋁基體，用機(jī)械方法去除表面致密氧化膜及雜質(zhì)，然后放在20%NaOH溶液中清洗2 min，再在20%HNO3中清洗2 min，進(jìn)一步消除基體表面的氧化膜和雜質(zhì)；隨后用丙酮徹底沖洗，最后用蒸餾水清洗。將箔片狀的Zn-Al釬料放置在上下基體之間，依靠機(jī)械裝置施加100 N的恒定壓力使其緊密連接，檢查無誤后開啟開關(guān)通以大電流，最后空冷至室溫。所用電阻焊機(jī)電源電壓380 V，最大焊接功率為80 kW，實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示。

圖1 電阻釬焊搭接接頭示意Fig.1 Schematic diagram of resistance brazing joint

為了研究施加電場的作用效果，分別進(jìn)行了高溫釬焊和電阻釬焊兩組試驗(yàn)。在高溫釬焊試驗(yàn)中，將高溫爐分別升溫至400℃、450℃和500℃，并用高溫?zé)犭娕紝?shí)時(shí)監(jiān)測，隨后將試樣放入高溫爐中持續(xù)加熱10 min，完成后將樣品快速取出，并置于空氣中淬滅。在電阻釬焊過程中使用兩步電阻釬焊方法［7］，第一步加載3 kA電流，加載時(shí)間1 s，實(shí)現(xiàn)上下母材之間的預(yù)熱及接觸條件的改善，從而改善釬焊接頭表面的顯微結(jié)構(gòu)組成，提升接頭性能；第二步選擇電流為6 kA，加載時(shí)間為6 s，電阻釬焊結(jié)束后將試樣取出并在空氣中淬滅。電阻釬焊過程中電流的變化曲線如圖2所示。為了減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)試驗(yàn)參數(shù)分別準(zhǔn)備5個(gè)樣品。

圖2 電阻釬焊過程中的電流分布狀況Fig.2 Current distribution during resistance brazing

釬焊結(jié)束后，將釬焊接頭沿橫向剖開，用金相砂紙（80#，400#，8000#，2000#，4000#，6000#）逐級(jí)打磨，并通過金剛石噴霧劑以及精細(xì)拋光布進(jìn)行拋光處理，用NaOH腐蝕劑腐蝕后做成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣。使用Axio ScopeA1光學(xué)顯微鏡觀察，通過QUANAFEG450型場發(fā)射掃描電鏡開展更深入的研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭微觀組織

高溫釬焊時(shí)由于400℃溫度較低，無法形成有效的連接；而在500℃及以上溫度，母材靠近釬焊接頭處會(huì)出現(xiàn)局部軟化，影響接頭性能，因此選擇450℃條件下的釬焊接頭與電阻釬焊接頭進(jìn)行微觀組織形貌對(duì)比，如圖3所示。圖3a為450℃高溫釬焊接頭微觀組織，可以觀察到有兩條裂紋及少量夾雜物，這是純鋁表面致密的氧化膜（γ-Al2O3）［8］所致。雖然氧化膜很薄，但是連續(xù)且致密，同時(shí)是不導(dǎo)電的，這時(shí)Al電極兩端加上電勢差后仍然能激發(fā)Al內(nèi)的電子作定向移動(dòng)。此外，連接層中白色相的Zn含量較多，而灰色相Al的含量相對(duì)少一些，表明母材中的Al元素在高溫釬焊過程中有熔入至連接層中，連接層中的Al元素呈現(xiàn)長條形的樹枝狀晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸較大。圖3b為兩步電阻釬焊接頭微觀組織，相較圖3a，電阻釬焊接頭連接層的寬度大于高溫釬焊接頭，且Al含量也明顯提高，晶粒得到了明顯的細(xì)化，呈現(xiàn)出圓形的等軸晶狀結(jié)構(gòu)。

圖3 接頭微觀組織形貌Fig.3 Microstructure and morphology of joint

2.2 接頭力學(xué)性能

高溫釬焊在不同溫度下和電阻釬焊在不同電流下得到的抗拉強(qiáng)度如圖4所示?？梢钥闯?，在高溫釬焊時(shí)，隨著溫度從400℃增加到450℃，釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度由12.78 MPa提升至36.97 MPa，而隨著溫度進(jìn)一步升至500℃，抗拉強(qiáng)度反而下降為30.14 MPa，這是因?yàn)?00℃時(shí)溫度較低，連接層所獲得的能量不足而未能形成有效連接，當(dāng)溫度升高至500℃時(shí)，由于溫度過高，在連接界面處反而出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，靠近連接層的母材也出現(xiàn)局部軟化，使得抗拉強(qiáng)度反而降低。對(duì)于電阻釬焊接頭而言，隨著第二步電流強(qiáng)度的提升，接頭抗拉強(qiáng)度先增大后減小，這是由于電流的進(jìn)一步增大，產(chǎn)生的焦耳能量過高，一方面使得晶粒粗大，惡化接頭性能，另一方面也會(huì)導(dǎo)致接頭的燒蝕軟化，降低接頭強(qiáng)度。而在電流為6 kA時(shí)獲得最高抗拉強(qiáng)度65.79 MPa，相較高溫釬焊時(shí)的最高抗拉強(qiáng)度提升了26.82 MPa。這表明電場的施加不僅能夠明顯減少缺陷，還能有效提升接頭的力學(xué)性能。

圖4 釬焊接頭抗拉強(qiáng)度對(duì)比Fig.4 Comparison of the tensile strength of brazed joints

2.3 電子探針分析

使用電子探針分析釬焊接頭連接層中不同相的元素含量，檢測區(qū)域如圖5所示，成分分析結(jié)果如表2所示。由圖5可知，不同相在各釬縫中占比不同，在各個(gè)相的元素含量分布也不均勻，枝晶邊緣處出現(xiàn)元素偏析現(xiàn)象［9］。結(jié)合表2可知，圖5a中的點(diǎn)2為深色的初晶α-Al相，其Al含量較高，相對(duì)應(yīng)的在外層會(huì)包裹著灰色的共析α-Al相，而在枝晶之間則填充著白色的η-Zn相。同時(shí)也可以看出，高溫釬焊的相組織較電阻釬焊的相組織明顯粗大。而圖5b中Ⅰ和Ⅱ區(qū)域的Al含量有較明顯的提高，表明母材處有更多的Al在電阻釬焊過程中熔解進(jìn)入連接層中，形成了占比更大、含量更高的Al相，由于Zn相較于Al更軟，因而Al含量的提高有利于提升接頭力學(xué)性能。

圖5 釬焊接頭局部放大圖像Fig.5 Partial enlarged image of brazed joint

表2 圖5各標(biāo)記點(diǎn)的電子探針成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Electron probe component analysis results of each marker point of Figure 5（wt.%）

2.4 接頭斷面分析

高溫釬焊和電阻釬焊接頭斷口微觀組織形貌如圖6所示，拉伸試驗(yàn)時(shí)斷裂均發(fā)生在釬焊接頭連接層處。由圖6a可以看到類似于河流花樣的曲線斷裂形態(tài)，為典型的解理斷裂模式［10］，是一種脆性斷裂形態(tài)，分析認(rèn)為這是由于Al和Zn的晶體結(jié)構(gòu)屬于密排六方晶體，在拉伸過程中更容易產(chǎn)生解理斷裂。圖6b的中心區(qū)域分布著凹陷狀的韌窩，這是典型的韌性斷裂，同時(shí)在局部韌窩最深處能夠觀察到第二相粒子的存在，而第二相粒子通常是釬焊接頭在拉伸過程中由于拉應(yīng)力的不斷升高并在第二相粒子處形成擴(kuò)展，最終形成斷裂，在韌窩邊緣同樣存在河流花樣的曲線形態(tài)，由此可推斷電阻釬焊接頭拉伸過程中所產(chǎn)生的斷裂是韌性斷裂和解理斷裂混合型斷裂模式，因此相比于高溫釬焊，電阻釬焊的抗拉強(qiáng)度得到了明顯的提高。

圖6 釬焊接頭斷面微觀組織形貌Fig.6 Microstructure of the cross-section brazing joints

2.5 電場在釬焊過程中的細(xì)化晶粒機(jī)制

由2.1節(jié)的分析可知，當(dāng)電場被引入施加在釬焊過程中時(shí)，晶粒結(jié)構(gòu)由樹枝狀枝晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閳A狀的等軸晶結(jié)構(gòu)，其面積和形貌表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性。在高溫釬焊時(shí)，母材中間的熔融釬料溫度較高，凝固時(shí)連接層的溫度梯度大，保溫時(shí)間長，凝固時(shí)晶粒完全生長形成發(fā)達(dá)的粗大樹枝晶（見圖7a），若是降低釬焊爐中的保溫溫度，又會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)熔融釬料流動(dòng)性差、破除氧化膜不徹底以及母材和釬料結(jié)合不完全等問題，造成細(xì)化晶體結(jié)構(gòu)和降低釬焊溫度的矛盾。在電阻釬焊初期，由于第二步施加的大電流流經(jīng)母材與釬料的接觸界面，產(chǎn)生焦耳熱熔化釬料促使其與母材連接，而相較于高溫釬焊，電阻釬焊加熱時(shí)間短，瞬時(shí)溫度高，高強(qiáng)度大密度電流的流動(dòng)路徑會(huì)隨著連接層的熔化而發(fā)生改變，因而在熔融的釬料中形成收縮力梯度以及在熔體中產(chǎn)生流速差，進(jìn)而生成熔體中的剪切應(yīng)力。此外，大電流的施加使得更多母材中的Al進(jìn)入到釬縫中，增加了溶質(zhì)含量，溶質(zhì)的富集會(huì)生成異質(zhì)形核并由此產(chǎn)生大量的晶核，這些異質(zhì)形核結(jié)點(diǎn)在凝固過程中逐漸長大，抑制了樹枝晶的生長，使得晶粒細(xì)化，同時(shí)熔融釬料與母材表面相接觸，在靠近母材處也會(huì)生成較大的過冷度，由均質(zhì)和非均質(zhì)形核產(chǎn)生了大量形核結(jié)點(diǎn)，一些依附于母材與釬料的接觸面生長，而另一些進(jìn)入至熔融的釬料中，最終形成大量的等軸晶核心。這就使得電阻釬焊接頭的晶粒更加細(xì)?。ㄒ妶D7b）。

圖7 釬焊接頭放大圖像Fig.7 Magnified image of brazed joint

3 結(jié)論

（1）使用兩步電阻釬焊的方法進(jìn)行鋁釬焊接頭的連接，當(dāng)?shù)诙解F焊電流為6 kA，持續(xù)時(shí)間為6 s時(shí)，能夠獲得缺陷較少，力學(xué)性能優(yōu)異的釬焊接頭。

（2）高溫釬焊時(shí)，釬料通過高溫爐進(jìn)行加熱，形成粗大的樹枝狀晶，釬焊接頭的力學(xué)性能較差；電阻釬焊時(shí)，大電流短時(shí)間流經(jīng)連接層而產(chǎn)生焦耳熱，形成圓形等軸晶，接頭力學(xué)性能得到較大提升。

（3）高溫釬焊接頭的斷面呈現(xiàn)河流花樣的曲線斷裂形態(tài)，是典型的解理斷裂模式，是一種脆性斷裂形態(tài)；電阻釬焊接頭在拉伸過程中的斷裂以韌性斷裂為主，局部區(qū)域也產(chǎn)生解理斷裂的混合型斷裂。

（4）在高溫釬焊接頭中，由于凝固時(shí)連接層的溫度梯度大，保溫時(shí)間長，凝固時(shí)晶粒完全生長而形成發(fā)達(dá)的粗大樹枝晶；電阻釬焊接頭中由于電場的施加增多了溶質(zhì)含量，同時(shí)在接觸面上形成較大的過冷度，提高了異質(zhì)形核結(jié)點(diǎn)，抑制了枝晶的生長，最終得到了晶粒細(xì)小的釬焊接頭。

（5）采用電阻釬焊焊接純鋁接頭能夠有效提高接頭質(zhì)量，但對(duì)于設(shè)備和工藝的要求更高，因此如何設(shè)計(jì)與之相匹配的釬焊設(shè)備以及進(jìn)一步提高接頭的性能是下一步的研究的重點(diǎn)。