Cu-Sn、Ni-Sn異質(zhì)合金快速凝固焊焊接性淺析

萬(wàn) 笛,肖俊青

（湖北工程職業(yè)學(xué)院,湖北 黃石 435003）

Cu-Sn、Ni-Sn異質(zhì)合金快速凝固焊焊接性淺析

萬(wàn) 笛,肖俊青

（湖北工程職業(yè)學(xué)院,湖北 黃石 435003）

本文對(duì)Cu-13.5%Sn、Ni-19.8%Sn兩種微晶合金的顯微組織和兩者進(jìn)行快速凝固焊接后的接頭的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能作了較為系統(tǒng)的研究，結(jié)合組織分析、性能測(cè)試、接頭形貌觀察討論了點(diǎn)焊接頭的形成機(jī)制同時(shí)分析了工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響。

快速凝固焊；焊接接頭；熔核

1 快速凝固合金簡(jiǎn)介

快速凝固合金主要為亞穩(wěn)材料。亞穩(wěn)材料是指熱力學(xué)上處于高能態(tài)接近穩(wěn)定態(tài)的一類材料[1]。而制備亞穩(wěn)材料最為常用的方法是在特殊條件下進(jìn)行快速凝固連接。

通過(guò)對(duì)快速冷卻技術(shù)制備的Cu-13.5%Sn和Ni-19.8%Sn異質(zhì)合金在采用高能電阻焊焊裝置，建立特殊條件下的快速凝固連接條件，包括：高能量以及快速冷卻速率。通過(guò)對(duì)亞穩(wěn)態(tài)異質(zhì)合金的快速凝固焊進(jìn)行工藝分析；探索選用不同的電阻焊連接工藝及技術(shù)參數(shù)，觀察焊接接頭組織，分析快速凝固合金連接過(guò)程中的金相穩(wěn)定性；并通過(guò)對(duì)接頭的冷卻速率的計(jì)算，分析低微亞穩(wěn)合金接頭的組織形成規(guī)律。

2 合金急冷箔帶的原始組織

母材Cu-13.5%Sn合金成分由α-Cu以及β-Cu相組成。其中，α-Cu占大量。母材Ni-19.8%Sn成分由α-Ni和極少量的β-Ni相組成。α-Ni相相對(duì)易被腐蝕，處于晶界上的β-Ni相則耐蝕性較好。急冷導(dǎo)致Sn在α-Ni相中的固溶度擴(kuò)展，有效的遏制了Ni-19.8%Sn合金在平衡凝固條件下極易出現(xiàn)的偏析。在較高的冷卻速率下，熔核形成速度快，形成了細(xì)小均勻的、無(wú)偏析的快速凝固組織[2]。

3 焊接接頭的組織分析

3.1 Cu-13.5%Sn和Ni-19.8%Sn亞共晶接頭組織形態(tài)

3.1.1 接頭的整體形貌

接頭組織的形成，與焊接條件有著密切的關(guān)系。由于采用銅電極，銅電極及薄材的散熱速度很快，熔核的冷卻速率很大。高的冷卻速率使熔核的形核率顯著增大，從而形成細(xì)小致密的快速凝固組織,合金薄帶接頭呈橢球形的熔核區(qū)。

3.1.2 熔合區(qū)組織形態(tài)

熔核組織形貌熔核區(qū)內(nèi)有明顯金屬的流動(dòng)性，部分為相對(duì)容易腐蝕的Cu-13.5%Sn.由此可知該異質(zhì)合金具有良好的可焊接性。且熔合線處為細(xì)小的晶粒組織，以及枝晶組織顆粒。熔核區(qū)很窄，大約在3μm左右，熱影響區(qū)趨于零，中間存在一定量的過(guò)渡固熔體α-Ni.銅電極和母材快速散熱的急冷作用，使熔合線附近區(qū)域形成極大的溫度梯度；因此兩種異質(zhì)材料的焊接熔合線處存在很大的成分不均勻，在加上未熔化的Ni-19.8%Sn，使得熔合線處溶化了的Cu-13.5%Sn很快凝固，形成了亞穩(wěn)態(tài)的快速凝固組織，組織致密細(xì)小。

3.2 影響點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的工藝參數(shù)

影響接頭的剪切強(qiáng)度主要工藝參數(shù)包括焊接能量、電極壓力、焊接電壓及焊接時(shí)間等。以點(diǎn)焊接頭的剪切強(qiáng)度為參數(shù)來(lái)分析焊接接頭的力學(xué)性。

4 結(jié)論

本文對(duì)Cu-13.5%Sn、Ni-19.8%Sn兩種微晶合金的顯微組織和兩者進(jìn)行快速凝固焊接后的接頭的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能作了較為系統(tǒng)的研究，結(jié)合組織分析、性能測(cè)試、接頭形貌觀察討論了點(diǎn)焊接頭的形成機(jī)制同時(shí)分析了工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響。所獲得的主要結(jié)論如下：

熔核中的缺陷

當(dāng)選用焊接參數(shù)為電極壓力力F＝15N，電壓U＝80V時(shí)得到的接頭熔核組織形貌如下。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，接頭的基體處仍然保持著沿合金帶方向的橢圓形的熔核區(qū)組織，并且在最心部的地方形成了縮孔，成為較明顯的焊接缺陷。致使在 A區(qū)域母材被焊接電壓擊穿，B區(qū)域形成斷裂。其形成原因?yàn)樵跈E圓形的熔化中心形成焊接接頭的過(guò)程中，釋放出的結(jié)晶潛熱使得溫度梯度變緩，抑制了液相流動(dòng)，容易形成斷裂口。

焊接過(guò)程中，焊接參數(shù)不合理，接頭出現(xiàn)焊接缺陷。熔核中心的結(jié)合處容易出現(xiàn)焊接缺陷，這與熔核區(qū)加熱集中，溫差大，加熱和冷卻速度快有關(guān)。熔核區(qū)為最后的凝固的地方，過(guò)冷阻礙了合金原子向晶內(nèi)的擴(kuò)散，凝固后，晶界上形成合金成分偏析、雜質(zhì)較多，形成接頭薄弱環(huán)節(jié)。在外界壓力作用下，晶界原子開(kāi)始自由移動(dòng)，超過(guò)晶界所允許的變形范圍時(shí)，沿晶界方向開(kāi)始形成裂紋，會(huì)對(duì)接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生極大影響，應(yīng)當(dāng)選擇合理的焊接參數(shù)，避免出現(xiàn)該焊接缺陷。

[1]翟秋亞,楊揚(yáng),徐錦鋒,郭學(xué)鋒.快速凝固Cu-Sn合金的組織形態(tài)及相結(jié)構(gòu)[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2006（08）.

[2]于溪鳳,胡壯麒.零維液態(tài)金屬快速凝固過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1998（05）.

萬(wàn)笛（1985—），女，湖北武漢人，碩士，助理講師，主要研究方向：機(jī)械電子工程。