真空釬焊6063 鋁合金蜂窩板微觀組織

李云月，李秀朋，沈元勛，王路乙，裴夤崟，浦娟

(1.鄭州機械研究所有限公司，新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450001；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 前言

輕量化結(jié)構(gòu)對零部件的形狀、尺寸及性能都能有所改善，因此，實現(xiàn)輕量化現(xiàn)已成為眾多工業(yè)領(lǐng)域中的主要發(fā)展目標(biāo)，如航空航天、房屋建筑、軌道客車等。實現(xiàn)輕量化的主要途徑，一是盡量使用輕質(zhì)合金材料，二是采用輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]。由于鋁合金具有良好的加工性和優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，因此鋁合金已成為制造業(yè)輕量化設(shè)計首選的重要基礎(chǔ)材料之一[2-4]。鋁合金蜂窩板是城軌客車制造中采用的比較重要的輕量化結(jié)構(gòu)之一。釬焊和膠接是鋁合金蜂窩板兩種比較常用的連接方法，其中利用膠接制造的鋁合金蜂窩板，在陰濕的環(huán)境中常常出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，該種方法制造的鋁合金蜂窩板成形質(zhì)量與膠粘劑有很大關(guān)系[5-6]。釬焊成形的鋁合金蜂窩板相比膠接鋁合金蜂窩板連接強度更高，也更適合于城軌客車制造[7-8]。

日本率先在國際上開展釬焊鋁蜂窩板研究和應(yīng)用。在軌道交通列車應(yīng)用方面，1964 年日本東京奧運會修建的東海道新干線動車，車身側(cè)墻、車頂部分就已應(yīng)用了釬焊鋁蜂窩板。繼而，時速達(dá)300 km/h的新干線500 系“希望號”其車身側(cè)面及底架大量采用釬焊鋁蜂窩板，實現(xiàn)了輕量化、高強度和舒適性、安全性。法國TGV 系列、意大利ETR 系列高速列車車體也采用了釬焊鋁蜂窩板[9-11]。

國內(nèi)對鋁蜂窩板釬焊技術(shù)的研究起步較晚，程方杰等學(xué)者[12]針對蜂窩板釬焊溫度過高的問題，提出了一種使用添加了氯化鋅的氟鋁酸銫釬劑對鋁蜂板進(jìn)行中溫自反應(yīng)釬焊的方法。這種方法成功將釬焊溫度降低到了570 ℃左右，但是銫釬劑高昂的成本注定會限制該種釬焊技術(shù)的大規(guī)模使用。李東田[13]采用Nocolok 釬劑在 605～621 ℃及保護(hù)氣氛條件下，實現(xiàn)了鋁蜂窩板的連接，此方法制備的鋁蜂窩板的基材也是釬焊復(fù)合板，難以使用普通的單板基材。目前，國內(nèi)外學(xué)者大多研究3 系鋁合金蜂窩板釬焊情況，而對高強鋁合金蜂窩板相關(guān)研究報道相對較少。

6 系鋁合金是以鎂和硅為主要合金元素并以Mg2Si 相為強化相的鋁合金，屬于熱處理可強化鋁合金。合金具有中等強度，耐蝕性高，無應(yīng)力腐蝕破裂傾向，焊接性能良好，焊接區(qū)腐蝕性能不變，成形性和工藝性能良好等優(yōu)點，因此在航空航天、交通運輸、汽車等工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

文中采用4004 釬料真空釬焊6063 鋁合金蜂窩板，研究了不同蜂窩芯厚度對釬焊接頭微觀組織的影響。

1 試驗材料與方法

試驗采用6063/6063/6063 夾層結(jié)構(gòu)蜂窩板，上、下面板厚度1 mm。蜂窩芯材厚度分別為0.10 mm，0.15 mm，0.21 mm，邊長為8 mm 的正六邊形，高度15 mm。其中，蜂窩芯成形方式分別為點焊和膠粘，釬料選用4004(Al-Si-Mg)，厚度為0.10 mm。將試驗材料酸洗、堿洗后，按6063/4004/6063/4004/6063 結(jié)構(gòu)裝配，如圖1 所示。

使用WZQH-60 真空釬焊爐進(jìn)行釬焊試驗，釬焊溫度為585 ℃，真空度不低于3 × 10-3Pa，釬焊結(jié)束后隨爐降溫。將釬焊后鋁合金蜂窩板制成金相試樣，經(jīng)過磨樣、拋光后，使用Dix-keller 浸蝕劑進(jìn)行腐蝕，采用AxioScope.A1 光學(xué)顯微鏡和Phenom Pro 掃描電鏡觀察釬焊接頭微觀形貌，使用背散射電子成像技術(shù)觀察釬縫組織形貌，使用能譜分析儀（EDS）對微觀組織特性區(qū)域進(jìn)行元素組成及含量的檢測分析。

2 試驗結(jié)果與分析

對該試驗點焊不同厚度6063 鋁合金蜂窩芯與6063 面板釬焊后得到蜂窩板進(jìn)行分析，其宏觀形貌如圖2 所示。由圖2 可以看到，釬焊溫度為585 ℃，保溫時間為20 min 時，厚度為0.10 mm 的鋁蜂窩芯與面板結(jié)合界面出現(xiàn)熔蝕及坍塌現(xiàn)象，厚度為0.15 mm，0.21 mm 的鋁蜂窩芯與面板結(jié)合界面良好，沒有發(fā)現(xiàn)熔蝕及坍塌現(xiàn)象。由宏觀形貌可見，在釬焊溫度為585 ℃、保溫時間為20 min 時，厚度為0.10 mm 蜂窩芯無法釬焊成形得到釬焊鋁蜂窩板。

圖2 不同厚度6063 鋁合金蜂窩芯與6063 面板釬焊后得到蜂窩板的宏觀形貌

不同厚度下單層蜂窩芯與面板釬焊界面組織如圖3 所示。不同厚度蜂窩芯與面板結(jié)合界面均形成良好的冶金結(jié)合，釬縫中沒有裂紋、氣孔等缺陷。由于蜂窩板是由面板/釬料/蜂窩芯/釬料/面板的形式裝配而成的，釬焊過程中熔化的上層釬料沿著蜂窩芯材向下流動，下層釬料熔化后部分沿著蜂窩芯材爬升，部分向兩側(cè)鋪展。結(jié)合蜂窩板釬焊過程及面板與芯材結(jié)合處的微觀組織形貌可以發(fā)現(xiàn)，3 種不同單層蜂窩芯厚度的蜂窩板均有熔蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，熔蝕機制主要應(yīng)為液膜移動[14]，蜂窩板微觀形貌組織物相構(gòu)成形貌與液膜移動結(jié)果類似，其中蜂窩芯厚度為0.10 mm 的蜂窩板也有母材熔解現(xiàn)象發(fā)生，其部分芯材變薄。從圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，單層蜂窩芯厚度為0.10 mm時，蜂窩芯材完全被釬料熔解，整個界面均為反應(yīng)區(qū)，面板和界面反應(yīng)區(qū)中間存在部分影響區(qū)，單層蜂窩芯厚度為0.15 mm 時，界面反應(yīng)區(qū)較大，但是芯材沒有發(fā)生熔解現(xiàn)象，界面反應(yīng)區(qū)與芯材之間也產(chǎn)生部分影響區(qū)，面板與界面反應(yīng)區(qū)之間的影響區(qū)也小于單層蜂窩芯厚度為0.10 mm 的影響區(qū)，單層蜂窩芯厚度達(dá)到0.21 mm 時，面板與界面反應(yīng)區(qū)中間的影響區(qū)減小，芯材同樣沒有發(fā)生熔解現(xiàn)象，芯材與界面反應(yīng)區(qū)之間無影響區(qū)存在，界面反應(yīng)區(qū)與面板之間的影響區(qū)與單層蜂窩芯厚度為0.15 mm 時相比也變小。

圖3 不同厚度下單層蜂窩芯與面板釬焊界面組織

為了驗證上述推理，對不同厚度單層蜂窩芯與面板釬焊界面組織對母材、界面反應(yīng)區(qū)及影響區(qū)進(jìn)行EDS 點掃描分析及面掃描分析，結(jié)果如圖4～圖6 及表1 所示?？梢钥闯觯绊憛^(qū)主要由α-Al 組成，影響區(qū)成分與面板及芯材相比，除了Si 之外的所有元素含量均減少，而在釬焊界面反應(yīng)區(qū)，均存在Si 元素富集相。與液膜移動機理相同，因此，可知蜂窩板的熔蝕現(xiàn)象為液膜移動。除此之外，還發(fā)現(xiàn)當(dāng)單層蜂窩芯厚度為0.10 mm 和0.15 mm 時，在釬焊界面反應(yīng)區(qū)存在白色的Al-Si 共晶相，其形貌在單層蜂窩芯厚度0.10 mm 時為塊狀，其形貌在單層蜂窩芯厚度0.15 mm時為樹枝狀。當(dāng)單層蜂窩芯厚度為0.21 mm 時，白色的Al-Si 共晶相消失，僅存在Si 元素富集相。白色的Al-Si 共晶相是脆性相，含量越高，釬縫強度就越低。而隨著單層蜂窩芯厚度的增加，界面反應(yīng)區(qū)也逐漸減少，形成的脆性相逐漸變少。

表1 不同厚度下單層蜂窩芯與面板釬焊界面組織各點能譜結(jié)果（原子分?jǐn)?shù)，%）

圖4 0.10 mm 厚單層蜂窩芯與面板釬焊界面組織及面掃描結(jié)果

圖5 0.15 mm 厚單層蜂窩芯與面板釬焊界面組織及面掃描結(jié)果

圖7 與圖8～圖10 分別為不同厚度蜂窩芯釬焊鋁蜂窩板面板與蜂窩芯雙層釬焊連接界面的微觀組織及面元素分析圖。從圖中可以看出與單層蜂窩芯相比，雙層蜂窩芯界面組成僅在雙層蜂窩芯中間形成了一層富Si 金屬間化合物相，雙層蜂窩芯厚度為0.10 mm 的蜂窩板釬焊界面坍塌，蜂窩芯材完全被釬料熔解，芯材位置由α-Al 固溶體相和富Si 金屬間化合物相組成。當(dāng)雙層蜂窩芯厚度為0.15 mm 時，界面反應(yīng)區(qū)（富Si 金屬間化合物相）較大，但是芯材沒有發(fā)生熔解現(xiàn)象，界面反應(yīng)區(qū)與芯材之間也形成部分影響區(qū)（α-Al 固溶體相），面板與界面反應(yīng)區(qū)之間的影響區(qū)也小于雙層蜂窩芯厚度為0.10 mm 的影響區(qū)；當(dāng)雙層蜂窩芯厚度達(dá)到0.21 mm 時，面板與界面反應(yīng)區(qū)中間的影響區(qū)增大，芯材同樣沒有發(fā)生熔解現(xiàn)象，芯材界面反應(yīng)區(qū)變小。即雙層蜂窩芯脆性的富Si 金屬間化合物減少，α-Al 固溶體相增多。

圖7 不同厚度下雙層蜂窩芯與面板釬焊界面組織

圖8 圖7a 面掃描結(jié)果

圖9 圖7b 面掃描結(jié)果

圖10 圖7c 面掃描結(jié)果

3 結(jié)論

（1）在釬焊溫度為585 ℃、保溫時間為20 min 時，厚度為0.10 mm 蜂窩芯無法釬焊成形得到釬焊鋁蜂窩板。

（2）3 種不同蜂窩芯厚度的蜂窩板均有熔蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，熔蝕機制主要為液膜移動。

（3）當(dāng)單層蜂窩芯厚度為0.10 mm 和0.15 mm 時，在釬焊界面反應(yīng)區(qū)存在白色的Al-Si 共晶相，其形貌在單層蜂窩芯厚度0.10 mm 時為塊狀，在單層蜂窩芯厚度0.15 mm 時為樹枝狀。當(dāng)單層蜂窩芯厚度為0.21 mm 時，白色的Al-Si 共晶相消失，僅存在Si 元素富集相。

（4）當(dāng)雙層蜂窩芯厚度為0.15 mm 時，界面反應(yīng)區(qū)（富Si 金屬間化合物相）較大，但是芯材沒有發(fā)生熔解現(xiàn)象，界面反應(yīng)區(qū)與芯材之間也形成部分影響區(qū)（α-Al 固溶體相），面板與界面反應(yīng)區(qū)之間的影響區(qū)也小于雙層蜂窩芯厚度為0.10 mm 的影響區(qū)；當(dāng)雙層蜂窩芯厚度達(dá)到0.21 mm 時，面板與界面反應(yīng)區(qū)中間的影響區(qū)增大，芯材同樣沒有發(fā)生熔解現(xiàn)象，芯材界面反應(yīng)區(qū)變小。