技术 | 铝/黄铜异种金属TIG填丝熔钎焊工艺研究

为了缓解中国铜资源紧缺问题，同时降低生产成本，采用铝/铜异种金属复合结构实现铝部分代替铜不仅可以满足使用需求，还具有一定经济性. 铝/铜异种金属广泛采用焊接方法进行连接，现阶段主要采用熔化焊、钎焊、压力焊等方法. 由于铝与铜物理、化学性质差异较大并且冶金相容性差，采用熔化焊方法难以实现铝/铜异种金属的可靠连接. 压力焊和钎焊方法对接头的结构尺寸有限制，而且生产效率相对降低. 近年来，熔钎焊方法成为异种难焊金属连接领域的研究热点，有望突破传统方法在结构适应性、接头质量等方面的不足.

熔钎焊利用异种金属熔点差异大的特点，在低熔点材料侧形成熔化焊接头，而在高熔点材料侧形成钎焊接头，焊接过程可以添加或者不添加填充材料. 北京工业大学激光工程研究院的董鹏等人采用激光深熔钎焊的方法对厚度为3 mm的1060铝合金和T2紫铜进行对接，所得铝/铜异种金属焊缝内晶粒较为细小，但焊缝内含有脆硬的Cu3Al2和CuAl2金属间化合物，接头的抗拉强度可以达到铝合金母材的94%. 卢森堡大学的Solchenbach等人通过控制热输入同时令光斑环形摆动实现了铝/铜异种金属的激光熔钎焊搭接，在铝/铜界面处形成了厚度均匀的金属间化合物层. 

文中采用TIG电弧作为热源，对铝/黄铜异种金属进行填丝熔钎焊搭接，并对接头的微观组织和力学性能进行研究.

1 焊接试验与工艺参数

试验材料为5052-H32铝合金和H62-Y2黄铜，其化学成分及力学性能分别如表1、表2所示，尺寸分别为200 mm×75 mm×2 mm和200 mm×75 mm×1 mm. 填充材料选用Al-12%Si药芯焊丝，焊前先用钢丝刷除去试件表面氧化膜，然后再用丙酮洗除打碎的氧化膜残渣及试件表面的油污. TIG填丝熔钎焊搭接过程如图1所示，采用铝板在上、黄铜板在下，搭接宽度为10 mm，令焊搶与板面成90°并偏向铜母材侧1 mm，钨极高度为5 mm，采用纯氩气保护. 焊接工艺参数为：焊接速度为2 mm/s、送丝速度为0.8 m/min，焊接电流为90～130 A.

表1 5052铝合金化学成分(质量分数，%)及力学性能

SiMg杂质Al抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)0．172．48≤0．5余量23012～20

表2 H62黄铜化学成分(质量分数,%)及力学性能

CuFe杂质Zn抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)60～630．15≤0．5余量31515

图1 铝/黄铜TIG熔钎焊搭接示意图(mm)

沿垂直于焊接方向截取试样，对样品进行标准的金相样品制备，使用凯勒试剂(3 mL HNO3，6 mL HCl，6 mL HF，150 mL H2O)腐蚀1～2 s. 采用GX51金相显微镜(Optical microscopy， OM)对接头各个区域组织进行观察，再利用TESCAN VEGA3扫描电子显微镜(scanning electron microscopy， SEM)分析界面层组织并通过能谱(energy disperse spectroscopy，EDS)分析界面物相. 利用HV-1000DT显微硬度计对接头横截面进行显微硬度分析，图2为显微硬度测试示意图，line1，line2为水平和垂直方向硬度测试位置线. 硬度测试试验力为1.96 N，保持时间10 s，测试点间距为0.2 mm. 沿垂直于焊接方向制取长度为150 mm，宽度为10 mm的拉伸试样，焊缝居于试样中部. 在室温下进行拉伸试验，拉伸速率为3 mm/min，拉伸数据采用3个拉伸试样的平均值.

图2 显微硬度分析位置示意图

2 接头成形与微观组织

图3 不同焊接电流下所得接头宏观形貌

图3为不同焊接电流下所得接头表面形貌. 当焊接电流为90 A时(图3a)，由于焊接热输入不足导致焊丝及铝母材熔化后在黄铜母材表面的润湿性较差，很难形成完整的接头. 焊接电流为110 A所得焊接接头宏观形貌如图3b所示，熔化的焊丝及铝母材在黄铜母材表面铺展较好，但是局部区域不太均匀. 焊接电流为130 A时(图3c)，由于热输入过大使得黄铜母材过量熔化导致焊穿，后续接头组织分析主要针对焊接电流为110 A的接头进行.

图4 焊接电流为110 A接头光学显微组织

图4是焊接电流为110 A时所得接头各区光学微观组织. 图4a为接头横截面形貌，可看出接头中存在尺寸大小不一的气孔，这是由于高温时气体溶解于熔池金属中，当凝固和相变时，气体的溶解度突然下降而来不及逸出残留在焊缝内部气体. 从接头横截面形貌可以看出，熔钎焊接头可以分为3个区域：铝侧熔化焊焊缝区、焊缝中心区、黄铜侧类钎焊焊缝区. 铝侧熔化焊焊缝区微观组织如图4b所示，凝固过程中液态金属首先在铝熔合线位置形核并长大，最终在熔合线位置形成了柱状晶. 但是由于铝/黄铜导热性能较好，冷却速度较快，限制了柱状晶的进一步长大，故所得柱状晶尺寸相对较小. 焊缝中心区域如图4c所示，主要由细小的树枝晶组成. 黄铜侧类钎焊焊缝区可以再细分为过渡区和界面层，如图4d的所示. 过渡区中形成了块状及条状组织，可能为铝铜或锌铜金属间化合物. 焊接过程中，固态的黄铜母材会向液态的焊缝金属中溶解，同时可能存在黄铜母材少量熔化进入焊缝中，因而主要的元素Al，Cu和Zn在界面附近可能形成金属间化合物相.

采用扫描电镜对界面层组织和物相进行分析. 图5为焊接电流110 A时焊缝与黄铜母材界面层处SEM照片，界面层厚度大约为10 μm，主要由Al，Cu，Zn 3种元素组成，可以观察到明显的分层现象. 对图5中A点进行EDS分析，分析结果如表3所示，根据A点处各元素含量可推测A点处相组成为AlCu相，由于元素溶解，Al/Cu元素含量不是严格的1∶1. 界面层分为Ⅰ，Ⅱ两层. 根据表3中EDS分析结果可以推测得出界面层中Ⅰ层为Cu9Al4金属间化合物层. 焊接过程中焊缝中高含量的Al原子向黄铜母材中扩散，最终形成了界面层中Cu9Al4金属间化合物层，Xia等人[9]用Al-Si合金填充焊丝对铝/铜异种金属钎焊时，接头中也出现了Cu9Al4相.

背散射照片中Ⅱ层与铜母材衬度较小，Cu和Zn原子比接近1∶1，推测为CuZn相. 焊缝金属中Al元素含量较高，焊接过程中Al原子向铜母材中扩散，与铜母材中的Cu原子反应形成了铝铜金属间化合物，令界面层靠近黄铜母材一侧Cu原子含量下降，故形成了CuZn相.

图5 焊接电流为110 A接头界面层SEM照片

表3 图4中各位置能谱分析结果(质量分数，%）

位置CuZnAlA38．458．0853．47B55．6915．1629．15C42．0054．033．97

3 接头力学性能

3.1 显微硬度

焊接电流分别为110 A时所得接头显微硬度如图6所示. 图6a为水平方向接头硬度分布，可以看到铝母材硬度较低，焊缝区域内由于存在网状的Al-Si共晶，导致焊缝中心区域显微硬度增大，焊缝中显微硬度突降点为气孔所在位置. 接头垂直方向硬度分布如图6b所示，黄铜母材硬度较低，界面层和过渡区中形成了金属间化合物相因而其硬度高于焊缝中心区域，焊缝中气孔处显微硬度值变低.

3.2 拉伸性能

对焊接电流110 A所得接头进行拉伸试验，采用拉断载荷对接头的拉伸性能进行表征. 接头拉伸曲线及断裂位置如图7a所示，拉伸载荷为875 N，拉伸试样断于黄铜侧，表面白色物质为粘连的焊缝金属，可以推测为过渡区或界面层位置. 由前面组织分析可知，接头中黄铜侧附近形成了金属间化合物层，过渡区中形成长条状和块状的金属间化合物相. 由于金属间化合物硬度较高且脆性大，易导致裂纹等缺陷的萌生因而拉伸时在此位置断裂.

图6 焊接电流为110 A接头显微硬度分布

利用扫描电子显微镜对断口微观特征进行分析研究，如图7b所示. 可以看到断口为解理断裂，断口表面较为平坦，存在明显的解理台阶和河流花样. 由于黄铜侧过渡区或界面层有金属间化合物相的形成，再加上较大的焊后残余应力，易形成断裂的裂纹源. 拉伸试验过程中，在外加载荷的作用下，裂纹于此处萌生并随持续加载而迅速扩展，最终导致解理断裂.

图7 拉伸断口形貌及应力应变曲线