旋轉摩擦焊鋁-銅接頭的顯微組織與力學性能

陳 杰 鄭 革 董武峰 胡天寒 丁 凱 高玉來,5

(1.永固集團股份有限公司,浙江 樂清 325600; 2.上海大學 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海 200444;3.上海大學 先進凝固技術中心,上海 200444; 4.上海大學 材料科學與工程學院,上海 200444;5.上海金屬零部件綠色再制造工程技術研究中心,上海 200444)

銅的導熱和導電性能優異,并具有良好的延展性和加工成形性能,在各工業部門得到了廣泛應用[1-2]。鋁的導熱和導電性能僅次于銀、銅和金。鑒于鋁礦資源豐富、價格低廉,鋁和銅的物理性質相似,但密度僅為銅的1/3,因此,在實際工業應用中常用鋁代替銅以降低成本、節約資源[3-4]。目前,鋁代銅技術已應用于電力、電子、化工、能源等多個領域,例如電力傳輸系統[5-6]、鋰離子電池[7]、熱交換器和太陽能吸收器[8]等。然而,用鋁代替銅必然會涉及鋁和銅的連接,因此如何實現鋁和銅的可靠連接已成為研究者關注的重點。

鋁與銅的熔點和電極電位相差較大,而且鋁-銅界面處極易形成金屬間化合物(intermetallic compound, IMC),這對鋁-銅接頭的導電和導熱性能等均有很大影響。Amani等[9]研究了Al/Cu爆炸焊接頭在熱處理過程中界面IMC的形成規律,發現鋁-銅界面存在4種類型的IMC;基于熱力學分析,IMC的生成順序依次為Al2Cu、Al4Cu9、AlCu和Al3Cu4。Ren等[10]研究發現,鋁-銅界面Al2Cu的形成受Cu和Al在熔體中的擴散控制,且隨溫度升高而越易生成,AlCu的形成則同時受Cu和Al在Al2Cu中的擴散影響。Chen等[11]認為,鋁-銅界面IMC主要有Al2Cu、AlCu和Al4Cu9,其中Al2Cu在與Al熔體接觸的區域形成,AlCu和Al4Cu9在靠近Cu基體的區域形成。Abbasi等[12]研究Al/Cu冷壓焊時發現,隨著IMC厚度的增加,焊接接頭的電導率迅速降低;當IMC厚度超過2.5 μm時,接頭的剝離強度明顯降低。Solchenbach等[13]采用熱輸入更小的激光釬焊方法實現了Al/Cu的焊接,研究發現,當界面層厚度超過3～5 μm這一臨界值時,接頭導電性能明顯下降。Garg等[14]發現,AA6061鋁合金與Cu的焊接接頭失效于接頭界面處Al/Cu金屬間化合物層。由于Al/Cu的熔焊易在界面處生成脆性高電阻IMC,因此多采用焊接溫度較低的固相焊技術焊接鋁/銅。

旋轉摩擦焊是一種較成熟的焊接技術[15-17],在Al/Cu焊接中應用廣泛。Kimura等[18]研究了Al/Cu旋轉摩擦焊初始階段界面組織的變化,發現在焊接過程中,頂鍛變形首先發生在鋁側,在摩擦焊時間達到6 s時界面開始產生IMC。Lee等[5]研究了Al/Cu摩擦焊后熱處理過程中界面IMC對接頭導電性能和力學性能的影響,發現隨著熱處理溫度的升高和時間的增加,IMC厚度逐漸增加,接頭的導電性能急劇降低,力學性能降低,接頭的斷裂位置從鋁母材轉變為界面。上述研究結果充分說明,旋轉摩擦焊鋁-銅接頭界面組織對其力學性能影響顯著。因此,本文使用旋轉摩擦焊技術對1070純鋁和T2純銅進行焊接,并對鋁-銅接頭界面組織及其對接頭力學性能的影響進行了研究。

1 試驗材料與方法

試驗材料為1070純鋁棒和T2純銅棒,兩種棒材的直徑分別為25和20 mm。使用旋轉摩擦焊工藝連接1070純鋁和T2純銅,摩擦焊設備型號為C-20L。旋轉摩擦焊參數如表1所示。焊后先去除焊接接頭的飛邊,再對接頭進行鍛壓,以獲得接近實際使用形態的接頭。原始焊接接頭及鍛壓后接頭如圖1所示。按照電力金具評估方法[19]對鍛壓后接頭進行室溫彎曲試驗,彎曲斷裂于界面為不合格,斷裂于非界面為合格。彎曲試驗采用的兩塊試樣的焊接工藝相同,焊前端面狀態不同。在實際生產中,焊接試樣端面需先進行打磨以去除表面氧化物和油污,打磨后需在2 h內完成焊接,但偶爾會出現材料端面清理不完全及氧化等情況,從而影響接頭界面的結合效果。

由于鋁和銅的耐蝕性能和電化學性能差別較大,采用分步法對原始態接頭和彎曲試驗斷裂后接頭進行腐蝕。Al側熱影響區及母材采用體積比為1.5∶1的HCl+HF腐蝕劑進行腐蝕,Cu側熱影響區及母材采用1 g FeCl3+20 mL HCl+100 mL去離子水的腐蝕劑進行腐蝕。采用光學顯微鏡(optical microscope, OM)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)及電子探針顯微分析儀(electron probe microanalyzer, EPMA)對焊接接頭組織和鋁-銅界面進行觀察和微區成分分析。

表1 旋轉摩擦焊工藝參數Table 1 Rotary friction welding process parameter s

圖1 旋轉摩擦焊鋁-銅接頭外觀Fig.1 Appearance of the rotary friction welded Al-Cu joints

2 結果與討論

2.1 原始態焊接接頭組織

圖2為原始態鋁-銅焊接接頭銅母材及銅側熱影響區的顯微組織,可觀察到明顯的銅晶粒,晶粒內部存在孿晶結構,兩個區域的顯微組織無明顯差異。圖3為原始態接頭鋁母材及鋁側熱影響區的顯微組織,可見鋁母材的晶粒存在明顯的取向,受焊接熱影響,鋁側熱影響區晶粒未發現有明顯的取向性。

原始態鋁-銅焊接接頭的SEM形貌如圖4所示。圖4(a,d)為銅母材的SEM形貌,可觀察到明顯的孿晶結構;圖4(b,e)為鋁母材的SEM形貌,可觀察到明顯的帶狀組織;圖4(c,f)為鋁側熱影響區的SEM形貌,該區域無明顯的帶狀組織,晶粒呈等軸狀。白海青等[20]研究了鋁合金摩擦焊接頭的組織演變,認為近界面的熱影響區受焊接熱的影響而產生動態再結晶。李小欣等[21]研究了焊接參數對5A06鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響,認為焊核區在焊接過程中受焊接熱的影響會發生動態再結晶,帶狀組織消失,晶粒呈等軸狀。徐仲勛等[22]也認為焊接熱的作用可以使鋁合金的熱影響區發生再結晶。因此,鋁-銅接頭鋁側熱影響區的等軸狀晶粒與摩擦焊過程焊接熱引起的再結晶有關。

圖2 原始態鋁-銅焊接接頭銅母材(a,b)和銅側熱影響區(c,d)的顯微組織Fig.2 Microstructures of the Cu base metal(a, b) and heat affected zone of copper side (c, d) for the welded Al-Cu joint in original state

圖3 原始態鋁-銅焊接接頭鋁側熱影響區(a,b)和鋁母材(c,d)的顯微組織Fig.3 Microstructures of the heat affected zone of the aluminum side(a,b) and Al base metal(c,d) for the welded Al-Cu joint in original state

圖4 原始態鋁-銅接頭銅母材(a,d)、鋁母材(b,e)和鋁側熱影響區(c,f)的SEM形貌Fig.4 Scanning electron micrographs of the Cu base metal(a, d), Al base metal(b, e) and heat affected zone of alumimum side(c, f) for the welded Al-Cu joint in original state

2.2 室溫彎曲性能

在室溫條件下對相同工藝旋轉摩擦焊的兩塊鋁-銅接頭進行彎曲試驗,兩塊彎曲試樣的斷裂位置及斷口宏觀形貌如圖5所示。結果顯示,1號試樣彎曲斷裂于鋁-銅界面,2號試樣斷裂于鋁側熱影響區。為了進一步確定兩塊試樣的斷裂位置,使用電火花線切割機將斷口試樣縱剖,鑲嵌、磨拋后在顯微鏡下進行觀察。兩塊試樣的斷口全貌和斷口附近顯微組織如圖6和圖7所示。結果顯示,1號試樣基本沿鋁-銅界面斷裂(圖6),2號試樣鋁-銅界面未出現裂紋,結合良好(圖7)。

圖5 試樣彎曲斷裂位置(a)及1號(b)和2號(c)試樣斷口的宏觀形貌Fig.5 Fracture positions of the specimens during bending(a) and macroscopic appearances of the fracture of specimens No.1(b) and No.2(c)

圖6 1號試樣斷口全貌(a)和斷口附近顯微組織(b～e)Fig.6 Overall view of fracture(a) and microstructures near the fracture(b to e) of specimen No.1

兩塊試樣界面的微觀形貌及元素分布如圖8和9所示。圖8(a)和9(a)分別為1號和2號試樣鋁-銅界面的微觀形貌,兩塊試樣界面結合良好。Beygi等[23]利用掃描電子顯微鏡的背散射模式觀察發現界面IMC的襯度與鋁和銅母材存在差異。結合SEM背散射模式下界面的襯度差異(圖8(a)和9(a)中插圖所示),界面均未發現明顯的IMC。兩塊試樣的鋁-銅界面元素面分布分別如圖8(b,c)和圖9(b,c)所示。1號和2號試樣鋁-銅界面存在明顯的元素過渡區,其中1號試樣鋁-銅界面的元素過渡區較窄。為了較準確地表征元素過渡區的寬度,對兩塊試樣鋁-銅界面處元素線分布進行分析,結果如圖8(d)和9(d)所示?？梢?號試樣鋁-銅界面的元素過渡區寬度約為1.8 μm,2號試樣鋁-銅界面的元素過渡區寬度約為2.7 μm。較寬的元素過渡區可以提高鋁-銅接頭的界面結合強度,進而提高鋁-銅接頭的彎曲性能。

圖7 2號試樣斷口全貌(a)和斷口附近顯微組織(b～e)Fig.7 Overall view of fracture(a) and microstructures near the fracture(b to e) of specimen No.2

圖8 1號試樣界面的微觀形貌(a)及元素分布(b～d)Fig.8 Micrograph(a) and element distributions at the interface(b to d) of specimen No.1

圖9 2號試樣界面的微觀形貌(a)及元素分布(b～d)Fig.9 Micrograph(a) and element distributions at the interface(b to d) of specimen No.2

3 結論

(1)利用旋轉摩擦焊工藝實現了1070純鋁與T2純銅的連接。對相同工藝旋轉摩擦焊的兩塊鋁-銅接頭進行室溫彎曲試驗,1號試樣斷裂于鋁-銅界面,2號試樣斷裂于鋁側母材。

(2)Cu母材和Cu側熱影響區可觀察到明顯的銅晶粒,晶粒內部存在孿晶結構,兩個區域的顯微組織無明顯差異。Al母材的晶粒存在明顯的取向,受焊接熱影響,Al側熱影響區發生再結晶,晶粒呈等軸狀。

(3)鋁-銅焊接接頭界面組織對其力學性能的影響顯著,提高鋁-銅界面的結合強度可以大大提高材料的彎曲性能。較窄的元素過渡區是1號試樣在彎曲過程中界面斷裂的主要原因。因此,應嚴格控制旋轉摩擦焊工藝的穩定性,以提高焊接接頭的彎曲性能。