分享：離焦量對(duì)鋁合金/紫銅激光熔釬焊接頭組織和性能的影響

0.   引　言

銅因具有導(dǎo)電性強(qiáng)、導(dǎo)熱性能優(yōu)異、耐腐蝕性能好、易加工成形等特點(diǎn)，在新能源汽車三電系統(tǒng)、電力電子和制冷散熱等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。但是，我國(guó)銅礦資源貧乏，為緩解銅資源的短缺，“以鋁代銅”是國(guó)家倡導(dǎo)的一種發(fā)展趨勢(shì)。鋁的資源豐富，導(dǎo)熱導(dǎo)電性優(yōu)良，耐腐蝕性能良好，與銅組成的銅鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)可兼具兩種材料的優(yōu)勢(shì)[3-5]，成本低、質(zhì)量輕，具有十分重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。 

材料連接主要有機(jī)械連接和焊接兩種方法[6-8]。機(jī)械連接較為靈活，但會(huì)大幅度降低金屬材料的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能；而焊接中的熔釬焊在實(shí)施時(shí)一般只熔化焊料而基本不熔化母材，利用焊料熔化形成的液態(tài)金屬潤(rùn)濕母材并填充接頭間隙，從而實(shí)現(xiàn)金屬的高質(zhì)量連接。其中，激光熔釬焊技術(shù)具有激光熱源能量控制精準(zhǔn)、焊接質(zhì)量高、易于自動(dòng)化、適用于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，成為鋁/銅金屬的連接方法之一。鄧呈敏等[9]研究發(fā)現(xiàn)，2A16耐熱硬鋁/T2紫銅激光熔釬焊接頭的界面反應(yīng)層厚度低至10.23 μm，抗拉強(qiáng)度為274.25 MPa。萬(wàn)秀蓮等[10]研究發(fā)現(xiàn)在最佳工藝參數(shù)下，LY16鋁合金/T2紫銅激光熔釬焊接頭的界面反應(yīng)層厚度為9.23 μm，接頭抗拉強(qiáng)度高達(dá)274.25 MPa。李志勇等[11]研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的提高，5052鋁合金/H62黃銅激光熔釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度先增大再減小。趙瑩等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在合適的工藝參數(shù)下，銀中間層的添加有利于改善銅/鋁熔釬焊接頭的成形質(zhì)量。目前，鋁/銅激光熔釬焊的研究多聚焦于工藝參數(shù)優(yōu)化和填充材料選擇以控制界面反應(yīng)層的金屬化合物種類與厚度方面，有關(guān)離焦量這一關(guān)鍵參數(shù)的研究尚缺乏系統(tǒng)性。作者選用Zn-Al藥芯焊絲作為填充金屬，采用激光熔釬焊技術(shù)進(jìn)行5052鋁合金和T2紫銅的對(duì)接連接，研究了離焦量對(duì)焊絲熔化后在銅板上的鋪展面積以及對(duì)接頭組織和性能的影響，旨在為鋁/銅復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究提供參考數(shù)據(jù)。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

母材為市購(gòu)的5052 Al-Mg系合金及T2紫銅，尺寸均為80 mm×60 mm×2 mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1，抗拉強(qiáng)度分別為230，270 MPa，斷后伸長(zhǎng)率分別為15%和35%。填充金屬為規(guī)格?1.6 mm的Zn-Al藥芯焊絲，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為78Zn，22Al，藥芯為Cs-Al-F釬劑。 

采用由YLS-6000-S2-TR型光纖激光器、High YAG-BIMO型聚焦鏡頭、ABB工業(yè)機(jī)器人、Fronius TPS 4000型MIG焊接電源、送絲設(shè)備及控制系統(tǒng)組成的設(shè)備對(duì)5052鋁合金/T2紫銅進(jìn)行激光熔釬焊試驗(yàn)。焊前對(duì)母材進(jìn)行除銹除油污處理，隨后放置在焊接工作臺(tái)上進(jìn)行對(duì)接裝配，根部間隙為0.5 mm。在焊接過(guò)程中，激光束與母材平面呈75°夾角，焊絲位于激光束前方呈45°送入，光絲間距為0～1 mm，保護(hù)氣體為純度99.99%氬氣，保護(hù)氣體流量為15 L·min−1，激光功率為2 400 W，焊接速度為6 mm·s−1，送絲速度為2 m·min−1，離焦量為0，+2，+4，+6，+8 mm。 

在不同離焦量下對(duì)相同質(zhì)量焊絲加熱5 s后，采用Image J軟件測(cè)量焊絲熔化后在紫銅表面的鋪展面積。在接頭上截取尺寸為10 mm×20 mm×2 mm的金相試樣，進(jìn)行鑲嵌、粗磨、拋光，用Keller試劑（95 mL H2O+1.5 mL HCl+2.5 mL HNO3+1 mL HF）腐蝕6～8 s后，采用蔡司光學(xué)顯微鏡（OM）及Merlin Compact型掃描電鏡（SEM）觀察接頭微觀結(jié)構(gòu)，用SEM配套的能譜儀（EDS）進(jìn)行微區(qū)成分分析。采用XRD-6000型X射線衍射儀（XRD）對(duì)物相組成進(jìn)行分析，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描范圍為10°～90°，掃描速率為6 （°）·min−1。采用KB30S型全自動(dòng)維氏硬度計(jì)測(cè)接頭的硬度，測(cè)試區(qū)域?yàn)榻孛嬷胁孔凿X合金母材至銅母材，測(cè)試間距為0.3 mm，距焊縫中心相同距離處測(cè)3次取平均值，載荷為1.96 N，保載時(shí)間為30 s。按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》，在接頭上以焊縫為中心垂直于焊接方向截取拉伸試樣，標(biāo)距長(zhǎng)度為60 mm，將正面和背面余高切除后，采用WDW-10型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，做3次平行試驗(yàn)，取試驗(yàn)結(jié)果的平均值。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   焊絲的潤(rùn)濕鋪展性能

當(dāng)離焦量為0，+2，+6，+8 mm時(shí)，焊絲在紫銅表面的鋪展面積分別為149.43，147.41，111.59，78.21 mm2，可見(jiàn)隨著離焦量的增加，焊絲在紫銅表面的鋪展面積減小，潤(rùn)濕鋪展性能變差。隨著離焦量增加，激光束聚焦在接頭的區(qū)域變大，提供的焊接熱輸入降低，焊絲的鋪展面積減小。 

2.2   接頭成形性能

由圖1可知，當(dāng)離焦量為0時(shí)，銅母材部分熔化，鋁合金母材大量熔化，焊縫正面和背面出現(xiàn)裂紋、未焊透等缺陷，正面成形不均勻，這是由于此時(shí)激光距母材表面過(guò)近，熱輸入過(guò)高，鋁合金側(cè)母材熔化量過(guò)多，焊接時(shí)出現(xiàn)大量飛濺所致；當(dāng)離焦量為+2，+4 mm時(shí)，焊縫正面不連續(xù)，鋁合金母材熔化量過(guò)多，導(dǎo)致焊縫背面出現(xiàn)焊瘤、裂紋等缺陷，說(shuō)明此時(shí)焊接熱輸入仍過(guò)高；當(dāng)離焦量為+6 mm時(shí)，正面焊縫金屬鋪展較為充分，背面平滑美觀，焊縫正面和背面未出現(xiàn)明顯的缺陷；當(dāng)離焦量為+8 mm時(shí)，此時(shí)焊接熱輸入明顯太低，鋁合金母材熔化量不足，部分區(qū)域未焊透，焊縫背面熔寬變窄且不連續(xù)。綜上，當(dāng)離焦量為+6 mm時(shí)，鋁合金/紫銅激光熔釬焊焊縫的成形性能最好。 

圖  1  不同離焦量下接頭宏觀形貌

Figure  1.  Macromorphology of joints under different defocusing distances: (a, c, e, g, i) front side and (b, d, f, h, j) back side

由圖2可以看出，當(dāng)離焦量為0，+2，+4 mm時(shí)，激光距母材表面較近，焊接熱輸入較大，銅母材部分熔化，鋁合金母材熔化量多，此時(shí)焊縫金屬在銅側(cè)鋪展較為充分，熔融鋁合金液快速流淌進(jìn)入焊縫背部，造成背面余高較高且凹凸不平；當(dāng)離焦量為+6 mm時(shí)，熔融焊絲和局部熔融的鋁合金在銅側(cè)的鋪展面積較大，銅的熔化量極少，未出現(xiàn)明顯的熔合現(xiàn)象，整個(gè)接頭符合熔釬焊特征；當(dāng)離焦量為+8 mm時(shí)，焊接熱輸入量過(guò)小，正面焊縫金屬鋪展不良，鋁合金熔化量也較少，接頭背面銅側(cè)出現(xiàn)了局部未焊合缺陷。綜上，+6 mm離焦量下接頭的橫截面形貌最佳。 

圖  2  不同離焦量下接頭的橫截面宏觀形貌

Figure  2.  Cross section macromorphology of joints under different defocusing distances

2.3   接頭顯微組織

5052鋁合金/T2紫銅激光熔釬焊接頭包括銅母材、銅側(cè)釬焊界面反應(yīng)層、焊縫、鋁合金熱影響區(qū)和鋁合金母材。由圖3可知：不同離焦量下接頭銅側(cè)釬焊界面均不太平直，這是因?yàn)樵诩す鉄嵩吹淖饔孟?，銅母材發(fā)生少量熔化，在界面處形成一層深灰色的金屬間化合物反應(yīng)層；焊縫均由雪花狀的Al-Zn共晶組織和α-Al固溶體構(gòu)成；鋁合金側(cè)存在明顯的熔化焊特征，鋁合金母材大量熔化，與熔融焊絲一起形成熔池，近鋁合金側(cè)組織沿著最大溫度梯度成核，形成柱狀晶區(qū)；由于鋁合金、紫銅的熱導(dǎo)率較高，在激光熱源離開后熔池溫度迅速降低，柱狀晶停止生長(zhǎng)，導(dǎo)致柱狀晶區(qū)細(xì)小且狹窄。 

圖  3  不同離焦量下接頭銅側(cè)和鋁合金側(cè)焊縫的顯微組織

Figure  3.  Microstructures of weld on copper (a-e) and aluminum alloy (f) sides of joint under different defocusing distances

由圖4、圖5和表2以及Al-Cu-Zn二元及三元相圖可以推測(cè)：當(dāng)離焦量為0時(shí)，接頭銅側(cè)釬焊界面反應(yīng)層淺灰色I(xiàn)區(qū)的物相主要為Al4Cu9相，深灰色I(xiàn)I區(qū)主要為Al4.2Cu3.2Zn0.7相，焊縫樹枝晶狀組織為Al0.71Zn0.29相；當(dāng)離焦量增加至+4 mm時(shí)，界面反應(yīng)層I區(qū)物相由Al4Cu9相變?yōu)锳lCu+CuZn相，II區(qū)及焊縫物相不變；當(dāng)離焦量增加至+6 mm時(shí)，界面反應(yīng)層I區(qū)物相仍為AlCu+CuZn混合相，但I(xiàn)I區(qū)為CuZn5相，焊縫樹枝狀晶組織為Al0.71Zn0.29相；當(dāng)離焦量增加至8 mm時(shí)，界面反應(yīng)層I區(qū)物相為AlCu相，II區(qū)為Al4.2Cu3.2Zn0.7相，焊縫枝晶狀組織為Al0.71Zn0.29相。不同離焦量下焊縫中心深灰色相均為α-Al固溶體。 

圖  4  不同離焦量下接頭銅側(cè)釬焊界面反應(yīng)層和焊縫的微觀形貌

Figure  4.  Micromorphology of brazing interface reaction layer on copper side and weld of joints under different defocusing distances

圖  5  不同離焦量下接頭的XRD譜

Figure  5.  XRD patterns of joints under different defocusing distances

2.4   接頭力學(xué)性能

由圖6可以看出，接頭焊縫區(qū)域的硬度高于紫銅和鋁合金母材，這是由于焊縫主要是由α-Al固溶體和細(xì)小的樹枝晶Al-Zn化合物構(gòu)成。銅側(cè)釬焊界面反應(yīng)層的硬度最高，這主要是因?yàn)樵搮^(qū)域存在大量的Al-Cu化合物、Cu-Zn化合物和Al-Cu-Zn化合物。受激光熱源軟化作用的影響，銅側(cè)釬焊界面反應(yīng)層靠近紫銅母材區(qū)域的硬度低于紫銅母材。離焦量主要對(duì)接頭焊縫和銅側(cè)釬焊界面反應(yīng)層的硬度略有影響。 

圖  6  不同離焦量下接頭的顯微硬度分布

Figure  6.  Microhardness distribution of joints under different defocusing distances

由圖7可知，隨著離焦量的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度先升后降，當(dāng)離焦量為+6 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度最大，為212 MPa。0，+2，+4 mm 離焦量下焊接熱輸入較高，焊縫出現(xiàn)焊瘤、裂紋等缺陷，導(dǎo)致接頭性能不佳。當(dāng)離焦量增加到+8 mm時(shí)，接頭焊縫背面局部未焊透，整體成形質(zhì)量較差，抗拉強(qiáng)度急劇降低，僅為77 MPa。當(dāng)離焦量為+6 mm時(shí)，接頭焊縫的成形質(zhì)量最好，因此拉伸性能最好。 

圖  7  接頭的抗拉強(qiáng)度隨離焦量的變化曲線

Figure  7.  Curve of tensile strength vs defocusing distance of joints

2.5   拉伸斷口形貌

由圖8可知：當(dāng)離焦量為0，+2 mm時(shí)，拉伸時(shí)接頭在銅側(cè)釬焊界面區(qū)域斷裂，這是因?yàn)榇藭r(shí)焊接熱輸入過(guò)大，銅側(cè)釬焊界面反應(yīng)層生成了大量硬脆的Al-Cu化合物，使得該區(qū)域成為整個(gè)接頭的薄弱點(diǎn)；當(dāng)離焦量為+4 mm和+6 mm時(shí)，接頭在鋁合金母材處斷裂，此時(shí)銅側(cè)釬焊界面反應(yīng)層中化合物由Al4Cu9相變成了AlCu+CuZn以及CuZn5相，界面反應(yīng)層的韌性提高；當(dāng)離焦量為+8 mm時(shí)，接頭在銅側(cè)釬焊區(qū)斷裂，此條件下焊接熱輸入較小，焊絲融化后在銅表面潤(rùn)濕鋪展性略差，銅側(cè)界面冶金結(jié)合不良，同時(shí)銅側(cè)釬焊界面反應(yīng)層存在大量脆硬的AlCu相和Al4.2Cu3.2Zn0.7相，這些均導(dǎo)致接頭在銅側(cè)釬焊區(qū)斷裂。由圖9可以看出：當(dāng)離焦量為+ 4 mm時(shí)，接頭拉伸斷口分布著大量解理臺(tái)階，呈現(xiàn)河流花樣，為典型的脆性斷裂形貌；當(dāng)離焦量為+6 mm時(shí)，接頭拉伸斷口分布著尺寸較小的韌窩，呈典型的韌性斷裂形貌。 

圖  8  不同離焦量下接頭的拉伸斷裂宏觀形貌

Figure  8.  Tensile cracking macromorphology of joints under different defocusing distances

圖  9  不同離焦量下接頭拉伸斷口微觀形貌

Figure  9.  Tensile fracture micromorphology of joints under different defocusing distances

3.   結(jié)　論

（1）隨著離焦量的增加，Zn-Al藥芯焊絲熔化后在紫銅表面的鋪展面積降低，潤(rùn)濕鋪展性能降低。當(dāng)離焦量為0，+2，+4 mm時(shí)，接頭正面焊縫不連續(xù)，背面出現(xiàn)焊瘤、裂紋等缺陷，當(dāng)離焦量為+8 mm時(shí)，接頭正面焊縫金屬鋪展不良，背面出現(xiàn)未焊透缺陷，當(dāng)離焦量為+6 mm時(shí)，正面焊縫金屬鋪展良好，焊縫表面未出現(xiàn)明顯缺陷，成形質(zhì)量最好。 

（2）當(dāng)離焦量為0時(shí)，接頭紫銅側(cè)釬焊界面反應(yīng)層主要由Al4Cu9和Al4.2Cu3.2Zn0.7相組成，當(dāng)離焦量為+6 mm時(shí)，主要由AlCu和CuZn5相組成，當(dāng)離焦量為+8 mm時(shí)，主要由AlCu和Al4.2Cu3.2Zn0.7相組成。 

（3）不同離焦量對(duì)銅側(cè)釬焊界面反應(yīng)層及焊縫的硬度略有影響，硬度值變化不大。隨著離焦量的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度先升后降；當(dāng)離焦量為+6 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度最大，為212 MPa，此時(shí)拉伸斷口位于鋁合金母材處，拉伸斷口分布著尺寸較小的韌窩，呈典型的韌性斷裂形貌。

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