6061鋁合金與H60銅合金TIG熱導(dǎo)焊接頭組織與性能

(中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

6061鋁合金與H60銅合金TIG熱導(dǎo)焊接頭組織與性能

左勇田彧?jiǎng)?/p>

(中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

采用TIG電弧加熱H60銅合金，依靠熱傳導(dǎo)使6061鋁合金熔化，從而實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬的可靠連接。使用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析(EDS)和X射線衍射(XRD)等分析測(cè)試方法對(duì)鋁/銅接頭微觀組織進(jìn)行觀察和分析；研究了不同焊接電流對(duì)鋁/銅接頭界面組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：鋁/銅接頭界面組織為銅合金母材/Al4Cu9反應(yīng)層/Al2Cu反應(yīng)層/α-Al+Cu5Zn8+Al2Cu相/鋁合金母材；隨著焊接電流的增加，靠近銅合金母材側(cè)Al4Cu9+Al2Cu反應(yīng)層的厚度逐漸增加，當(dāng)焊接電流達(dá)到110 A，接頭界面處可以觀察到明顯的裂紋；隨著焊接電流的增加，鋁/銅接頭的拉伸載荷呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，最大拉伸載荷為1.67 kN。

鋁合金銅合金TIG熱導(dǎo)焊界面組織

0 序 言

鋁合金和銅合金由于其優(yōu)異的物理性能和優(yōu)良的加工成形性而被廣泛地應(yīng)用到電力電子、航空航天和新能源汽車等領(lǐng)域中[1]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，必然會(huì)面臨鋁銅異種金屬焊接的問(wèn)題。但鋁銅異種金屬在熱物理性能和化學(xué)性能方面存在很大的差異，例如兩者熔點(diǎn)相差423 ℃，線膨脹系數(shù)相差約40%[2-3]。因此，在鋁銅異種金屬焊接過(guò)程中，接頭極易產(chǎn)生脆性金屬間化合物和熱應(yīng)力等方面的問(wèn)題。

目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼報(bào)道了鋁銅異種金屬的釬焊[4]、擴(kuò)散焊[5]和攪拌摩擦焊[6]等研究工作，但上述方法焊接設(shè)備成本較高、設(shè)備操作復(fù)雜，同時(shí)易受接頭形式限制，在實(shí)際焊接過(guò)程中受到極大的局限性。Rathod等人[7]提出激光熱導(dǎo)滾焊方法來(lái)焊接5052鋁合金和低碳鋼，焊接過(guò)程中鋼板在上鋁板在下，焊接區(qū)域鋁板熔化的熱量來(lái)自于鋼板的熱傳導(dǎo)，獲得了力學(xué)性能優(yōu)良的鋁/鋼焊接接頭。TIG熱導(dǎo)焊相較于激光熱導(dǎo)焊而言，具有設(shè)備簡(jiǎn)便和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。但先前的鋁銅異種金屬焊接的研究中尚未有關(guān)于鋁銅TIG熱導(dǎo)焊的報(bào)道，因此研究鋁銅異種金屬TIG熱導(dǎo)焊接頭界面組織和力學(xué)性能具有重要意義。

文中選用6061鋁合金板和H60銅合金板，將銅合金板置于鋁合金板上方，采用TIG電弧加熱銅合金板，依靠銅合金板的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)鋁合金和銅合金的可靠有效連接。研究了不同焊接電流對(duì)鋁/銅接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，建立工藝參數(shù)-微觀組織-力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用常用的6061鋁合金板和H60銅合金板，試驗(yàn)尺寸均為90 mm × 60 mm × 1 mm。焊前用無(wú)水乙醇擦拭鋁合金板和銅合金板表面的油污，用砂紙去除試板表面的氧化膜，將銅合金板放置于鋁合金板上方，試樣采用夾緊裝置保證鋁合金板和銅合金板保持良好接觸，焊接過(guò)程示意圖如圖1所示。焊接過(guò)程中，TIG電弧加熱銅合金板，依靠銅合金板的熱傳導(dǎo)，在鋁合金板靠近界面處形成熔池，實(shí)現(xiàn)鋁合金和銅合金的可靠連接。由于形成的是局部熔池，故此界面處不需要惰性氣體保護(hù)，陳樹海等人[8]的研究也證明了這點(diǎn)。焊機(jī)選用CLOOS公司生產(chǎn)的CLOOS-300型TIG焊機(jī)，試驗(yàn)所用焊接參數(shù)如下：焊接電流為80～110 A，焊接電壓為20 V，焊接速度為5 mm/s，氬氣流量約為18 L/min。

圖1 鋁/銅TIG熱導(dǎo)焊示意圖

沿著垂直于焊接方向的橫截面取樣，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)金相工序制備試樣，采用HITACHIS-4700型掃描電子顯微鏡對(duì)接頭微觀組織進(jìn)行觀察，同時(shí)對(duì)接頭中各相采用能譜分析方法進(jìn)行成分分析，并采用D8-ADVANCE型X射線衍射儀進(jìn)行接頭物相表征。采用線切割在垂直于焊接方向制備拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖2所示，在INSTRON-5569電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)試，拉伸過(guò)程中加載速率為0.5 mm/min，每種焊接參數(shù)下重復(fù)5次試驗(yàn)。此外，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察接頭的斷口形貌。

圖2 拉伸試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭微觀組織

鋁銅異種金屬連接過(guò)程中，銅合金側(cè)的界面反應(yīng)層往往是接頭的薄弱環(huán)節(jié)，因此，銅合金側(cè)界面反應(yīng)層是文中的研究重點(diǎn)。圖3為焊接電流90 A下鋁/銅接頭靠近銅合金側(cè)的微觀組織及其放大圖。由圖3a可以觀察到靠近銅合金側(cè)的反應(yīng)區(qū)域主要由以灰色相為主的特征區(qū)域組成。圖3b所示為特征區(qū)域的放大圖，此區(qū)域中各點(diǎn)能譜成分分析結(jié)果列于表1中。可以觀察到靠近銅合金側(cè)存在一層淺灰色反應(yīng)層A，黑色相C和少量的白色相D分布在灰色相基體B中。依據(jù)能譜結(jié)果分析，淺灰色反應(yīng)層A主要包含Cu元素和Al元素，結(jié)合參考文獻(xiàn)[9]可以推測(cè)淺灰色反應(yīng)層為Al4Cu9反應(yīng)層。黑色相C主要包括Al元素，可能為α-Al相?；疑郆主要包括Al元素和Cu元素，且原子比約為2∶1，結(jié)合Al-Cu二元相圖，推測(cè)灰色相可能為Al2Cu相。少量白色相D主要包括Cu元素和Zn元素，依據(jù)能譜結(jié)果和Cu-Zn二元相圖，白色相D可能是Cu5Zn8相，Zn元素的出現(xiàn)主要是因?yàn)镠60銅合金母材中含有一定量的Zn元素。

圖3 焊接接頭的微觀組織

點(diǎn)AlCuZn可能相A29.5658.5811.86Al4Cu9B63.0327.139.84Al2CuC79.899.4010.71α-AlD13.5231.1455.34Cu5Zn8

為準(zhǔn)確表征接頭中各物相組成，對(duì)所得接頭界面處進(jìn)行XRD分析，衍射結(jié)果如圖4所示?？梢杂^察到衍射結(jié)果中存在Al，Cu和Al2Cu相的衍射峰，表明了α-Al和Al2Cu相在接頭中生成，從而驗(yàn)證了上述微觀組織分析的結(jié)果。XRD分析結(jié)果中未檢測(cè)出Al4Cu9相和Cu5Zn8相，主要由于接頭中Al4Cu9相和Cu5Zn8相含量過(guò)低導(dǎo)致。

鋁合金和銅合金的TIG熱導(dǎo)焊過(guò)程中，TIG電弧加熱銅合金板，依靠銅合金板的熱傳導(dǎo)，在鋁銅界面處的溫度超過(guò)鋁的熔點(diǎn)660 ℃，靠近銅合金板的鋁合金板會(huì)發(fā)生熔化，而界面處的溫度未超過(guò)銅的熔點(diǎn)1 085 ℃，因此，TIG熱導(dǎo)焊過(guò)程中的鋁銅界面屬于異種金屬熔釬焊界面。焊接過(guò)程中，銅合金表面直接接觸液態(tài)的鋁合金溶液，Cu元素不斷向液態(tài)鋁合金中發(fā)生溶解和擴(kuò)散，當(dāng)鋁銅界面處Cu元素的濃度達(dá)到飽和時(shí)，由于Al4Cu9相在Al-Cu金屬間化合物中具有最低的自由能，Al4Cu9界面反應(yīng)層優(yōu)先在銅合金側(cè)形成。Al4Cu9反應(yīng)層的生成會(huì)阻礙Cu元素向液相中擴(kuò)散，在靠近Al4Cu9反應(yīng)層側(cè)生成Al2Cu反應(yīng)層，液相中的Cu元素濃度進(jìn)一步降低，隨著溫度的降低，液相發(fā)生亞共晶轉(zhuǎn)變L→α-Al+Al2Cu，靠近鋁合金側(cè)的微觀組織主要由α-Al和少量的Al2Cu相組成。此外，由于H60銅合金中含有一定量的Zn元素，接頭中會(huì)有少量的Cu5Zn8相生成。綜上所述，鋁/銅異種金屬焊接接頭的微觀組織為銅合金母材/Al4Cu9反應(yīng)層/Al2Cu反應(yīng)層/α-Al+Cu5Zn8+Al2Cu相/鋁合金母材。

圖4 焊接接頭的微觀組織

2.2 焊接電流對(duì)接頭微觀組織的影響

不同焊接電流對(duì)鋁/銅接頭微觀組織的影響如圖5所示。由圖中可以觀察到焊接電流對(duì)接頭微觀組織有較明顯的影響。隨著焊接電流的增加，靠近銅合金母材側(cè)Al4Cu9+Al2Cu反應(yīng)層的厚度逐漸增加。當(dāng)焊接電流為80 A時(shí)(圖5a)，Al4Cu9+Al2Cu反應(yīng)層的厚度為30 μm左右，當(dāng)焊接電流增加到100 A(圖5c)，反應(yīng)層的厚度約增加到50 μm。當(dāng)焊接電流達(dá)到110 A時(shí)，在銅合金母材界面處可以觀察到明顯的焊接裂紋，且斷裂主要沿著Al4Cu9反應(yīng)層斷裂，如圖5d所示。這主要是由于Al4Cu9相的脆性本質(zhì)導(dǎo)致的，相較于Al2Cu相，Al4Cu9相具有更大的脆性[10]。Al4Cu9+Al2Cu反應(yīng)層的形成是實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬連接的關(guān)鍵，但太薄或太厚的反應(yīng)層厚度都會(huì)降低接頭的力學(xué)性能。

2.3 焊接電流對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

對(duì)于搭接接頭拉伸試驗(yàn)，接頭可能會(huì)沿著結(jié)合面斷裂也可以會(huì)在母材上斷裂，無(wú)法單獨(dú)采用剪切或拉伸強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)[9]。因此，該試驗(yàn)采用接頭的室溫拉伸載荷大小評(píng)價(jià)接頭的力學(xué)性能，拉伸試樣尺寸如圖2所示。圖6為不同焊接電流下鋁/銅接頭的室溫拉伸載荷。從圖中可以觀察到，隨著焊接電流從80 A升高到100 A，接頭的拉伸載荷逐漸增加，隨后在較高的焊接溫度下又明顯降低。當(dāng)焊接電流為100 A時(shí)，接頭拉伸載荷達(dá)到最大值1.67 kN。當(dāng)焊接電流較低時(shí)，Al和Cu元素之間的反應(yīng)不充分，形成的Al4Cu9+Al2Cu反應(yīng)層厚度較薄，所形成的反應(yīng)層無(wú)法承載過(guò)高的載荷，造成接頭承載能力較低。焊接電流的增加會(huì)促進(jìn)Al4Cu9+Al2Cu反應(yīng)層的生長(zhǎng)，從而提高接頭的結(jié)合質(zhì)量，但當(dāng)反應(yīng)層厚度超過(guò)50 μm時(shí)，由于Al4Cu9+Al2Cu化合物的脆性導(dǎo)致接頭易產(chǎn)生顯微裂紋，從而顯著地降低接頭的力學(xué)性能。

圖5 焊接電流對(duì)鋁/銅接頭微觀組織的影響

圖6 焊接電流對(duì)鋁/銅接頭載荷的影響

圖7是鋁/銅接頭室溫下的拉伸斷口形貌，圖中各區(qū)域的能譜結(jié)果如表2所示。圖7a是焊接電流80 A下接頭的斷口形貌，可以觀察到斷口比較平整，沒(méi)有明顯的塑性變形特征，區(qū)域A檢測(cè)到原子分?jǐn)?shù)為47.96%的Al和原子分?jǐn)?shù)為40.65%的Cu，結(jié)果表明接頭斷裂在銅合金側(cè)的界面反應(yīng)層處。焊接電流110 A下接頭的斷口形貌如圖7b所示，斷口表面有明顯的二次裂紋，是典型的脆性斷裂，區(qū)域B的能譜結(jié)果證明接頭斷裂在銅合金側(cè)的界面反應(yīng)層處，當(dāng)焊接電流為110 A時(shí)，前述微觀組織的分析結(jié)果表明，在靠近銅合金側(cè)可以觀察到明顯的顯微裂紋。綜上所述，接頭斷裂主要發(fā)生在靠近銅合金側(cè)的界面反應(yīng)層處，銅合金側(cè)的界面反應(yīng)層是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

圖7 不同焊接電流下接頭斷口形貌

區(qū)域AlCuZnA47.9640.6511.39B34.5659.875.57

3 結(jié) 論

(1) TIG熱導(dǎo)焊實(shí)現(xiàn)了6061鋁合金和H60銅合金的有效連接，鋁/銅接頭界面組織鋁合金母材/Al4Cu9反應(yīng)層/Al2Cu反應(yīng)層/α-Al+Cu5Zn8+Al2Cu相/鋁合金母材。

(2) 隨著焊接電流的增加，銅合金母材側(cè)的Al4Cu9+Al2Cu反應(yīng)層的厚度逐漸增加，當(dāng)焊接電流達(dá)到110 A時(shí)，銅合金母材界面處產(chǎn)生明顯的焊接裂紋。

(3) 鋁/銅接頭的拉伸載荷隨著焊接電流的升高而相應(yīng)增加，達(dá)到最大拉伸載荷1.67 kN后繼續(xù)升高焊接電流會(huì)導(dǎo)致接頭拉伸載荷的迅速降低。

[1] 付邦龍,孟祥萌,秦國(guó)梁,等. 鋁合金激光焊接技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 焊接，2013(6):20-25.

[2] 李 東,趙楊洋,張延松. 焊接能量對(duì)鋁/銅超聲波焊接接頭顯微組織的影響[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2014(2):47-50.

[3] 吳小偉,沈以赴,李 博,等. 鋁-銅攪拌摩擦焊搭接焊縫共晶組織形成與抑制[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2014(1):87-90.

[4] 杜隆純,宋芳芳,衛(wèi)國(guó)強(qiáng),等. 銅鋁異種金屬釬焊工藝研究[J]. 焊接技術(shù)，2014(1):37-39.

[5] 燕 翔,李 楊,孔煥平. 鋁銅真空固相擴(kuò)散焊焊縫微觀組織研究[J]. 失效分析與預(yù)防，2015(4):207-211.

[6] 劉會(huì)杰,劉 超,沈俊軍,等. 鋁-銅的攪拌摩擦焊研究[J]. 焊接，2009(9):11-15.

[7] Rathod M J，Kutsuna M. Joining of aluminum alloy 5052 and low-carbon steel by laser roll welding[J]. Welding Journal，2004(1):16-26.

[8] 陳樹海,馬 柯,黃繼華,等. 鋼/鋁異種金屬雙熔池TIG熔釬焊接頭的微觀組織與力學(xué)性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2011，21(12):3076-3081.

[9] Guo Y J，Liu G W，Jin H Y，et al. Intermetallic phase formation in diffusion-bonded Cu/Al laminates[J]. Journal of Materials Science，2011，46(8):2467-2473.

[10] 薛志清，胡繩蓀，左 迪，等. 銅鋁異種金屬激光焊接頭組織特征及力學(xué)性能[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2013，34(10): 51-54.

2017-04-21

TG444+.7

左 勇，1988年出生，大學(xué)本科，工程師。主要從事管道工藝與材料設(shè)計(jì)，已發(fā)表論文4篇。