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铝/铜电子束焊接头力学性能与化合物分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-03-20  来源:中国触摸屏网
核心提示:  0前言随着现代工业科技的发展进步,对各类工程构件的性能提出了更高更苛刻的要求,同时又出现了资源短缺、环境污染等问题。其中,异种材料的连接技术可以充分发挥不同材料的优势性能(如强度、硬度、塑性、耐蚀

  0前言随着现代工业科技的发展进步,对各类工程构件的性能提出了更高更苛刻的要求,同时又出现了资源短缺、环境污染等问题。其中,异种材料的连接技术可以充分发挥不同材料的优势性能(如强度、硬度、塑性、耐蚀性、导电性、导热性等),并且还可以降低结构整体设计制造成本,实现构件的结构功能一体化。铝和铜都具有延展性能好、导热导电性能好等优点,实现铝/铜异种材料的有效连接能充分发挥两种材料的固有性能,对汽车、航空航天等现代工业构件的轻量化设计、节能减排有着重要的积极意义。

  目前铝/铜异种材料焊接方法涉及在搅拌摩擦焊、TIG焊、电阻点焊、超声波焊、真空扩散焊、钎焊。铝铜两种材料在物理、化学性能上有较大的差异,在焊接过程中易产生金属间化合物和热应力等问题,使得焊接接头强度不高。铝和铜的熔点相差较大,往往铝熔化了而铜还处于固态,易形成未熔合和夹杂,焊接难度较大。铝的热膨胀系数大,而弹性系数小,焊后变形就较大,要求使用热量集中的电源。电子束焊能量特别集中,能量密度特别高,焊缝熔深大、熔宽小,比较适合于铝铜焊接。然而,目前关于铝/铜异种材料真空电子束焊的研究报道并不多见。因此,本文拟以铝/铜为研究对象,对其焊接接头的力学性能和化合物进行分析和研究。

  1试验材料及方法试验采用2mm厚的T2紫铜和2mm厚的2A16铝合金进行电子束焊接。将两种材料加工成几何尺寸均为150mmX80mm的板材,采用对接的焊接方式,电子束扫描方式采用0型扫描。经过前期的试焊发现,将电子束偏向铝合金侧偏移距离为0.1mm时才能获得完整的接头,因而整个焊接过程将电子束偏向铝合金距离设置为0.1mm不变。将试样加工成如所示的标准尺寸。

  拉伸试样示意图采用WDW4504型试验机对不同参数下的试样进行拉伸试验,拉伸速度1mm/min,以获得其搭接接头的抗拉强度。选择最佳工艺参数下的试样,在沿垂直焊缝的方向截取观察试样,经研磨抛光腐蚀后,通过扫描电镜对焊接接头的显微组织进行分析。

  2试验结果及分析2.1力学性能由由可知的,当固定焊接速度为1800mm/min,扫描幅值为0.5mm时,接头抗拉强度随着电子束流的增大呈现先增大后减小的趋势,在焊接电子束流为60mA时获得的接头强度最高,为52.7MPa.当电子束流偏小时,焊接输入的热能量偏小,焊接接头Cu原子和Al原子的反应较少,接头主要由A1液铺展在Cu侧上。此时,依靠粘着力和少量的金属间化合物使得铝和铜连接在一起。随着电子束流的增大,输入熔池的能量增大,Cu侧母材熔化量逐渐增大,Cu原子和Al原子的扩散变得剧烈,生成的金属间化合物逐渐增多,铝铜的连接则由Al在铜侧上的铺展逐渐向全面生成金属间化合物过度,在横向上慢慢占据整个接头的界面,接头力学性能逐渐大。当电子束流继续大时,生成的金属间化合物多,接头的脆性加,同时在大的热输入下,母材和熔池的晶粒变得粗大,使得接头的力学性能下降。当电子束流加到65mA时,由于热输入过大,使得焊缝焊穿严重,未能获得焊接接头,在中以0MPa表示。

  电子束流对抗拉强度的影响电子束流固定为62mA时,接头抗拉强度随着扫描幅值的大呈现先大后减小的趋势,在扫描幅值为0.8mm时获得的接头抗拉强度最高,为71.2MPa.当扫描幅值偏小时,电子束在熔池上方的作用面积偏小,在相同的焊接速度下使得此时单位面积上的热输入量偏大,母材及熔池的晶粒因为热作用多时间充分而变得粗大,且Cu原子和Al原子的作用剧烈,生产的金属间化合物偏大,使得接头的力学性能下降。随着扫描幅值的大,电子束在熔池上方的作用面积大,在相同的焊接速度下单位面积上的热输入量减小,母材以及熔池的晶粒粗大情况减轻,界面处的产生金属间化合物含量上和厚度上偏小,使得接头抗拉强度上升。当扫描幅值继续加时,单位面积上的热量减少的更多,界面处的金属间化合物含量变得更少,没有铺全整个接头的母材界面,从而使得接头抗拉强度减小。当幅值加到1.5mm时,因热量不够,接头呈现为未焊透,在中以0MPa表示。

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  妇-由可知的,当电子束流固定为60mA,电子束流固定为0.5mm时,接头抗拉强度随着扫描幅值的大呈现先大后减小的趋势,在焊接速度为2200mm/min时获得的接头抗拉强度最高,为61.23MPa.当焊接速度偏小时,在单位面积内获得的热输入量偏大,母材及熔池的晶粒因为热作用多时间充分而变得粗大,生产的金属间化合物含量偏多,脆性加,使得接头的力学性能不高。随着焊接速度的加,单位面积上获得的热输入量减小,生产的金属间化合物的含量减小,脆性减小,接头强度开始加。当速度大到2500mm/min时,接头的金属间化合没有铺满铜铝的横向界面,使得力学性能开始下降。

  焊接速度(mm/min)焊接速度对抗拉强度的影响2.2接头显微组织及成分分析为在工艺参数电子束流为62mA,焊接速度为1800mm/min,扫面幅值为0.8mm,扫描频率为1000Hz下接头的宏观形貌。图中灰暗色的为铝母材侧,亮白的为铜母材侧。中间白灰相交的为熔池中心。从图中可以看出,Al和Cu在熔池中混合的较为均匀,这主要是由于电子束焊接时电子束流对熔池的冲击搅拌作用以及O型扫描所造成的。

  扫描幅值(mm)扫描幅值对抗拉强度的影响接头宏观形貌由图可知,在紧靠铜侧的组织呈现出两个化合物层,对其进行EDS分析,分析结果如表1所示。

  由表可知,紧靠铜的一层存在较大块状的相,其Cu原子的百分含量为36.18%,Al原子含量为63.82%,原子比接近AhCu,故推测其化合物为AhCu.该AhCu厚度层、约为50叫,每个小块状的相约为10m.因电子束焊焊接时能量密度很大,热量很集中,在紧靠铜侧处的温度梯度很小,Al原子和Cu原子在高温度的作用下急剧的扩散,并相互反应生成新相,新物相在温度的作用下有着充裕的长大连接成块的趋势,同时由于此片层紧靠铜母材,铜母材本身有着良好的导热性,这使得靠铜侧的片层的物相的长大受到抑制,因此表现为块状的尺寸不至于很偏大。在铜侧母材的热传导下,使得温度梯度沿着母材方向伸展,因而看到的块状长大的方向趋势是依托铜材以长大基础,垂直于界面线,向熔池内延展的趋势。

  焊接接头化合物层在块状层左侧,呈现出一层约为20 m厚度的窄层,其平均块状大小约为5m,Cu原子百分含量为29.38%,Al原子百分含量为70.62%,原子比接近于AhCu,推测其为AhCu和Al基固溶体。这是由于此层紧靠焊接中心边缘,在电子束流冲击搅拌,O型扫描的作用下,柱状的新相的生长被抑制,促进等轴新相的形成,因而呈现出等轴的块状,同时在右侧铜母材热传导的作用下,使得块状的长大不会很充分。在这两者的同时作用下,因此块状的尺寸比右侧紧靠母材的一层略微偏小。

  表1接头EDS分析为了进一步确定及验证上述的分析结果,对铝/铜异种金属接头进行了XRD分析,为焊接接头的XRD分析结果。如图可知接头中除含有Al、Cu两种母材相之外,还含有AhCu金属间化合物,这与以上的分析推测一致;进而可以确定在铝/铜异种金属电子束焊接接头中形成的金属间化合物主要为AhCu;而界面处主要存在AhCu金属间化合物及Al2Cu与a(Al)形成的共晶组织。

  接头化合物XRD分析2.3接头化合物热力学分析根据A卜Cu二元相图可知,除了铝在铜中的固溶体和铜在铝中的固溶体外,铝和铜之间会反应生成AUCu9,AhCu3,Al3Cu4,AlCu,Al2Cu五中金属间化合物。而在铝/铜电子束焊中,当电子束扫描过后,最后接头化合物却为AhCu.△H为生成焓,E为晶体结合能。根据热力学条件,合金在平衡状态下存在的相的状态是系统吉布斯自由能最低的状态。A和B两元素通过反应生成金属间化合物AxBy的生成焓或形成自由能越小越容易先析出,且必须小于零。根据EET理论价电子结构数据的结合能值计算出化合物的生成焓AH,m和n分别是结构式AmBn中A和B的原子数。Cu元素和Al元素在温度的作用下发生相互扩散并反应,并在热力学最有利条件下生成接头化合物。

  当温度低的时候分子动能低,能够越过反应势垒的分子数量少。由于动力学有利的反应路径活化能低,势垒低,因此能够越过这个势垒的分子相对于其他的反应路径而言多一些(Boltzmann分布)。而高温的时候,分子动能高,活化能势垒不再是影响反应的主要因素了,这时候反应路径的最终产物自由能低成为主要因素,即热力学有利。同时系统的自由能变化和界面的反应元素浓度对接头生成的化合物也存在影响。pretorius等将系统自由能变化和界面反应元素的浓度结合起来考虑,提出了有型,用来预测反应界面上的最先生成相。EHF定义如下:Ce为界面反应限制元素的有效浓度(通常取体系最低共品温度点对应的限制元素的浓度),Ci为对应相中限制元素的浓度。Cu元素和Al元素在温度的作用下发生相互扩散并反应,并在热力学最有利条件下生成接头化合物。表2中为Cu-Al系金属化合物的键能,晶体结合能以及计算出来的焓△H. 6蒋淑英,李世春。Al/Cu系金属间化合物价电子结构计算与界面反应预测。材料热处理学报,2014(8):213-218.表2 Cu-Al系化合物的有效生成热和化合物形成焓如表2所示,在所有的Cu-Al系能直接生成的金属间化合物中,Al2Cu有效生成焓最小,即Al2Cu. 3结论(五号宋体)接头抗拉强度随着焊接速度、电子束流、扫描幅值的大呈先大后减小的趋势,当焊接速度为1800mm/min,电子束流为62mA,扫描幅值为0.8mm时抗拉强度达到最大值71.2MPa.铝/铜电子束焊接头化合物为Al2Cu,电子束的O型扫描冲击作用以及母材的良好的导热性使得Al2Cu相的长大得到抑制,呈现为等轴状。

  Al2Cu有效生成焓最小,优先在接头上析出。

 
 
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