王冰+劉平+劉新寬+王子延+王艷艷+陳小紅+劉小稚

摘要： 利用感應加熱原理，使用功率為0～60 kW且連續(xù)可調的高頻感應加熱設備，完成CuAl合金板材的焊接，研究焊接件的界面形貌、元素分布及界面物相分析.分析加熱電流和加熱時間對界面形貌和結合強度的影響.采用ZWICKZ050電子萬能材料試驗機測試界面結合強度，采用掃描電子顯微鏡和偏光顯微鏡觀察界面形貌，用X射線衍射儀進行物相分析.結果表明：界面中間化合物主要為Al2Cu，Cu9Al4和CuAl相，其中Cu側主要是Cu9Al4和CuAl相，Al側主要是Al2Cu相；隨著加熱電流的增大或加熱時間的延長，CuAl界面結合層由不平整變?yōu)槠秸?，且寬度逐漸增大，同時CuAl界面結合強度先增大后減小.感應加熱焊接試樣界面結合強度可達53 MPa，結合良好.

關鍵詞： CuAl異種材料； 感應加熱； 焊接； 結合層； 結合強度

中圖分類號： TG 456.9 文獻標志碼： A

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，單一的Cu或Al金屬零件已難以滿足產(chǎn)品需求[1].CuAl復合材料不僅具有Cu的導電性好、導熱率高、易釬焊、接觸電阻低和外表美觀等特點，還具有Al的質輕、耐蝕、經(jīng)濟等優(yōu)點.以Al代替部分Cu，開發(fā)CuAl復合材料，可節(jié)約Cu資源，與此同時，還可使材料獲得人們所需要的特性[2-6].因此，Cu和Al異質金屬的連接引起人們的廣泛重視.

Cu與Al在物理性能方面存在較大的差異，特別是熔點相差424 ℃，線膨脹系數(shù)相差40%以上，導電率相差70%以上.其中Al與O易形成Al2O3氧化膜，熔點高達2 050 ℃；而Cu與O以及Pb，Bi，S等雜質易形成多種低熔點共晶組織.這些都給Cu，Al的焊接帶來了一定的困難[7-8].此外，Cu和Al都是極易被氧化的金屬，在連接過程中氧化十分激烈，能生成高熔點的氧化物.因此，在焊接中很難使焊縫達到完全熔合.而且Cu與Al兩種金屬的導熱性都比較大，焊接時熔池金屬結晶快，高溫時的冶金反應氣體來不及逸出，進而在焊接時產(chǎn)生氣孔，影響焊接接頭的強度以及耐蝕性[9-13].目前常用的Cu連接方法有熔焊、壓焊和釬焊等[14-15]，其中可用于大面積CuAl板狀材料焊接的有釬焊、爆炸焊和摩擦焊.但是釬焊的接頭強度低，耐熱能力差，抗蝕性也差.爆炸焊焊接成型的材料易變形，不僅存在邊緣效應，而且爆炸密度、炸藥暴轟速度和被焊材料間距等工藝參數(shù)難以控制.而摩擦焊設備成本較高，因此其應用受到一定的限制[16-17].

本文在CuAl焊接方面尋求新的思路，利用感應加熱原理，通過感應加熱的方法完成CuAl合金板材的焊接.

1 試驗材料和方法

試驗選用6003鋁合金和C1100紫銅板來進行感應加熱焊接，厚度分別為6 mm和2 mm.焊前Cu板及Al板分別用400目，600目，800目，1 200目，1 500目和2 000目的砂紙進行磨樣，以去除油污、氧化層及吸附水，使Cu，Al的表面接觸良好.然后分別用無水乙醇和Al材清洗液清洗Cu，Al的接觸面，以減少焊接面間的雜質.

焊接過程在一臺功率為0～60 kW連續(xù)可調的高頻感應加熱設備上完成.將Cu板和Al板同時放入感應線圈內，利用電磁感應在導體內產(chǎn)生的渦流發(fā)熱來達到加熱工件的目的.當溫度達到Al的熔點后，Al會發(fā)生部分熔化而Cu仍保持固態(tài)，此時再施加一定的壓力，即可實現(xiàn)Cu，Al異種材料的焊接.

焊接界面反應產(chǎn)物采用D8ADVANCE型X射線衍射儀（XRD）分析，界面形貌觀察采用Quanta FEG 250型場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡（SEM）和XPL15型偏光顯微鏡（PM）分析，界面的結合強度按照DL/T 247—2012中的標準測試方法[18]，在ZWICKZ050電子萬能材料試驗機上測試.

2 結果與分析

2.1 界面形貌

使用該感應加熱法焊接得到試樣的顯微組織如圖1所示.從圖1中可以看出，左側為Cu，右側為Al，CuAl界面結合良好，過渡層界面清晰，結合層可分為4個區(qū)域.其中左側Spectrum1是Al向Cu中的擴散厚度（富Cu區(qū)），右側Spectrum4為Cu向Al中的擴散厚度（富Al區(qū)）.從圖1中還可以看出，Spectrum1的厚度遠大于Spectrum4的厚度，Cu與過渡層間界面平直，而Al與過渡層間呈現(xiàn)不規(guī)則的舌狀.一方面因為柯肯達爾效應表現(xiàn)為Cu向Al中的擴散速度大于Al向Cu中的擴散速度；另一方面則是由于Cu向Al中的擴散激活能小于Al向Cu中的擴散激活能.

2.2 界面物相分析

為進一步確定擴散界面的生成相，將焊接件沿界面拉開，然后分別對斷口兩側表面進行XRD分析.圖2為沿界面拉開后的斷口截面圖.從圖2中可以看出，在受到外力時，由于中間化合物的脆性大，斷裂主要是發(fā)生在中間化合物上，且在斷面兩邊的Cu層和Al層都殘留部分的中間化合物.因此，中間化合物層決定了CuAl復合排結合強度的大小.圖3為Cu，Al焊接件沿界面拉開后斷口兩側表面的XRD圖譜分析.從圖3中可以判斷出，沿復合排界面撕開后，Cu側主要是Cu9Al4相和CuAl相，Al側則主要是Al2Cu相.

在焊接過程中，Cu基體與Al液直接接觸，Cu基體吸熱熔化，CuAl液固界面迅速形成.由于Al原子與Cu原子在界面兩側濃度的差異，使得其界面兩側存在較大濃度梯度，Cu原子向Al液中擴散，Al液中的Al原子向Cu基體中擴散.而由于擴散速度的不同，在Cu側出現(xiàn)了圖中的富Cu過渡層，在Al側出現(xiàn)了富Al過渡層.結合CuAl二元合金相圖和圖3中的物相分析，說明了在CuAl結合面上存在的CuAl金屬間化合物，主要有Al2Cu，Cu9Al4和CuAl等.

2.3 工藝參數(shù)對界面形貌的影響

2.3.1 加熱電流對界面形貌的影響

焊接時，線圈電流的大小直接影響到感應電流的大小和感應加熱的速率，感應加熱速率的不同決定了熔敷層成型的質量和效率.由于Al的熔化需要一定的溫度，只有超過此溫度，液態(tài)Al才能順利鋪展.當加熱電流很小時，加熱速率小，加熱溫度低，Al的熔化速度很慢，且在相同時間內Al熔化的量較少，Cu和Al之間反應不充分且反應時間短，因此結合效果并不好，結合界面較窄且不平整，如圖4（a）所示.當加熱電流增大時，加熱速度增大，加熱溫度升高，Al熔化速度增大且在相同時間被熔化的Al量較多，CuAl界面反應充分，形成的結合層均勻平整，結合層約10 μm，如圖4（b）所示.加熱電流更大時，界面結合層更厚，可達50 μm，如圖4（c）所示.加熱速度快可節(jié)省時間，提高生產(chǎn)效率，從這個角度來說，感應加熱速度越大越好，也就是電流越大越好.然而，由于感應加熱存在集膚效應，一般都是表層很薄的一層有電流通過，因此大部分熱量會集中于此.如果加熱速度過快，會使得表面熔敷的Al過熱，從而破壞Al的成形，容易形成空洞.綜合考慮，加熱電流I=25 A時，界面結合最優(yōu).endprint

2.3.2 加熱時間對界面組織的影響

線圈通入電流后，Cu和Al開始被加熱，隨著溫度的升高以及加熱時間的延長，Cu，Al發(fā)生互擴散，且隨著溫度的升高，互擴散系數(shù)逐漸增大.當溫度達到Al的熔點時，Al的上表面開始熔化.加熱時間越長，熔化的Al越多，當施加一定的壓力擠出部分Al液后，CuAl界面發(fā)生結合.在線圈電流I=25 A的相同情況下，加熱時間決定了熔敷層的加熱情況.當加熱時間過短時，工件得不到有效加熱，熔化的Al液不能均勻地鋪展，甚至Al層都得不到足夠的熱量熔化，因此界面結合不平整，如圖5（a）所示.當加熱時間延長時，熔敷層得到足夠的熱量，適當?shù)腁l熔化，CuAl界面反應充分，界面結合良好，結合層厚約10 μm，如圖5（b）所示.若加熱時間過長，熔敷層得到過大的熱量，會出現(xiàn)熔敷層過熱或過燒的情況，同樣得不到良好的結合層，結合層厚約50 μm，如圖5（c）所示.綜合考慮，加熱電流I=25 A和加熱時間t=15 s時，界面結合最優(yōu).

2.4 工藝參數(shù)對界面結合強度的影響

測試界面結合強度的試樣示意圖見圖6.

界面結合強度計算公式：

τ=P/HL（1）

式中：τ為界面結合強度；P為拉伸過程中最大力；H為試樣剪切面寬度；L為試樣剪切面長度.

2.4.1 加熱電流對結合強度的影響

圖7為加熱時間一定時，界面結合強度隨加熱電流的變化曲線.從圖7中可以看出，界面結合強度隨著加熱電流的增大而增大.當加熱電流超過25 A時，隨著電流的增大，結合強度反而下降.當加熱電流為25 A時，結合強度達到最大值，為53 MPa.這是因為加熱電流內在地影響焊接面的界面組織，如2.3.1所述，加熱電流為25 A時，界面結合均勻且平整.

2.4.2 加熱時間對界面結合強度的影響

圖8為加熱電流一定時，界面結合強度隨加熱時間的變化曲線.從圖8中可以看出，界面結合強度隨著加熱時間的增大而增大.當加熱時間超過15 s時，隨著電流的增大，結合強度反而下降.當加熱時間為15 s時，結合強度達到最大值，為52 MPa.這是因為加熱時間也內在地影響焊接界面的組織，如2.3.2所述，加熱時間為15 s時，界面結合均勻且平整，結合良好.

3 分析與討論

CuAl焊接界面的結合強度取決于界面的組織.界面結合層主要為金屬間化合物CuAl，Al2Cu和Cu9Al4，他們硬度高，脆性大，直接影響CuAl界面結合強度的大小.結合強度試驗結果表明，加熱電流過大與過小、加熱時間過長與過短對界面結合強度都是不利的.加熱電流過小或加熱時間過短，界面反應不充分，結合層不平整且不均勻，不能形成良好的冶金結合，只有擴散層，界面結合強度較小.過大的加熱電流或過長的加熱時間造成硬脆的金屬間化合物呈大塊狀連續(xù)分布，結合層過厚，對性能不利；甚至會對母材造成嚴重溶蝕.Cu，Al的線膨脹系數(shù)相差很大，過厚的結合層會使焊接過程中的熱應力提高，焊縫硬脆性增大，接頭應力不易釋放，內部容易產(chǎn)生微裂紋而使結合強度降低.在加熱電流為25 A、加熱時間為15 s時，結合界面均勻平整，結合層厚度適中，結合強度最高.

4 結 論

對CuAl合金板材進行感應加熱焊接，結果表明：

（1） 隨著加熱電流或加熱時間的增大，界面結合層由不平整逐漸變?yōu)槠秸液穸戎饾u增大.

（2） 隨著加熱電流或加熱時間的增大，界面結合層強度先增大后減小，最高可達53 MPa.

（3） 焊接過程的最優(yōu)工藝參數(shù)為I=25 A，t=15 s.

（4） 該感應加熱焊接的方法可實現(xiàn)CuAl合金板材的高質量焊接，有望成為大面積焊接板材的有效方法.

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