銀釬料焊縫凝固行為的數值模擬

王永彪 王嘉鑫 劉新田 張 洋 鐘素娟 劉建秀 王 艷

(1.鄭州輕工業大學 河南省機械裝備智能制造重點實驗室,河南 鄭州 450002;2.新型釬焊材料與技術國家重點實驗室,河南 鄭州 450000)

降低能耗和物耗,發展循環經濟和低碳技術,是貫徹綠色發展理念的重要一環。藥芯焊料因其低焊劑消耗、低環境污染、高焊接質量和低成本等優點而受到廣泛關注[1-3]。熔焊藥芯焊絲是通過根據焊接接頭的環境調整藥芯合金的成分和比例來精確設計的。釬焊用藥芯銀焊料中Sn、Cu和Ni的添加提高了焊料的強度[4-6]。添加適量的B可抑制晶界鐵素體析出,促進針狀鐵素體形成,并提高合金的韌性[7]。合金的力學性能在很大程度上取決于其凝固組織,而傳統模擬較少涉及焊縫凝固熱力學和動力學,因此有必要建立更合理的模型研究焊縫凝固行為。

本文以BAg30CuZnSn釬料為研究對象,通過對釬料微觀組織的觀察和相場模型的建立,采用試驗和模擬相結合的方法研究了釬焊后冷卻速率及B含量對釬料焊縫凝固行為的影響,這對深入理解釬料焊縫凝固微觀組織的演化規律,改善焊縫的性能具有重要意義。

1 相圖熱力學和擴散動力學計算

采用Thermo-Calc軟件對成分(摩爾分數,%)為36Cu、32Zn和2Sn的Ag-Cu-Zn-Sn合金進行熱力學計算,得到的相圖如圖1所示。

圖1 Ag-Cu-Zn-Sn合金相圖Fig.1 Phase diagram of Ag-Cu-Zn-Sn alloy

由相圖導出1 073 K下fcc_A1+液相共存的相平衡曲線斜率為-2.48。采用原子遷移率計算基礎組分Ag與其他元素之間的有效互擴散率,Mi(i=Cu,Zn,Sn)是合金組分的化學遷移率,其與雜質擴散系數直接相關[8-10]:

(1)

式中:φ表示fcc_A1或液相;Di是示蹤劑擴散率;R是氣體常數;T是溫度。所需遷移率取自遷移率數據庫TCAL3,計算結果如表1所示。

表1 元素的擴散率和遷移率Table 1 Diffusivity and mobility of elements

2 相場模型

引入一組序參量φ來表示不同的相和界面,φ滿足-1≤φ≤1,其中φ=-1表示液體,φ=1表示固相,當第i個晶粒的φi值為1時,其他φj(j≠i)的值均為0。將界面定義為-1≤φ1+φ2+…+φN≤1,使得系統中的任意點都可以用矢量φ=(φ1,φ2,…,φN)來表示[11-13]:

(2)

由于合金中Sn含量較低,在模型中將其簡化,B元素作為形核質點加入,形核模型[14]為:

(3)

式中:μn是形核參數,與形核密度N0有關;ΔT是過冷度;Vc是焊后冷卻速率;fs=(φ+1)/2是固相體積分數。

3 結果分析

采用質量分數均為60%的Cu60Sn40+40%釬劑、Cu60Sn40+38%釬劑+2%B和Cu60Sn40+37%釬劑+3%B等3種釬料進行釬焊,所得焊縫顯微組織及相應的相場模擬結果如圖2所示。從圖2可以看出:當釬料不含B元素時,焊縫組織主要是柱狀樹枝晶,枝晶界面前沿沒有等軸晶,枝晶生長空間充足、尺寸較大,并生成了大量二次枝晶臂;加入2%的B元素后,枝晶界面前沿發生了明顯的柱狀晶向等軸晶轉變的現象;繼續增加B含量,促進了柱狀晶的生長,枝晶形核數量增加,但枝晶尖端半徑逐漸減小。因此,增加B含量有利于柱狀晶的生長和抑制等軸晶的形成。

(a)60%Cu60Sn40+40%釬劑;(b)60%Cu60Sn40+38%釬劑+2%B;(c)60%Cu60Sn40+37%釬劑+3%B

枝晶尖端半徑是描述枝晶生長的重要參數[14-16]。模擬了不同焊后冷卻速率下60%Cu60Sn40+38%釬劑+2%B釬料焊縫的枝晶形貌,如圖3(a)所示?？梢?當冷卻速率為0.1 K/s時,少量等軸晶在液相中形核,此時枝晶尖端半徑較大,形核數量較少。當冷速增加至0.5 K/s時,枝晶尖端半徑逐漸減小,形核數量增加。這是因為冷速較低時,過冷度較小,導致形核數量減少,枝晶生長空間充足,枝晶尖端半徑較大。隨著冷速的進一步增大,枝晶生長速度增大、生長空間減小、競爭生長加劇,從而抑制了枝晶的生長,枝晶尖端半徑減小。保持Vc=0.2 K/s不變,模擬了不同B含量下焊縫的枝晶形貌,結果如圖3(b)所示?？梢姰擝質量分數為1%時,枝晶尖端半徑較大,形核數量較少,柱狀晶前沿發生了明顯的晶型轉變現象。隨著B含量的增加,枝晶尖端半徑逐漸減小,形核數量逐漸增加,柱狀晶生長得到了促進,等軸晶生長受到抑制。然而,當B質量分數達到4%時,枝晶形態變化不明顯。

不同焊后冷卻速率和不同B含量下形核數量和枝晶尖端半徑如圖4所示。從圖4(a)可以看出:當冷卻速率為0.1 K/s時,枝晶形核數為15,尖端半徑為37 μm;隨著冷卻速率的增大, 枝晶形核數量增加,尖端半徑減小。從圖4(b)可以看出:當B質量分數為1%時,枝晶形核數為7,尖端半徑為32 μm;隨著B含量的增加,枝晶形核數逐漸增加到31,而枝晶尖端半徑減小到16.5 μm;然而,當B質量分數為4%時,形核數量和枝晶尖端半徑的變化不明顯,這可能是因為B含量的增加抑制了奧氏體向鐵素體的轉變,但當B含量增加到一定程度時,這種影響開始減弱。

圖3 不同焊后冷卻速率(a)和不同B含量下(b)60%Cu60Sn40+38%釬劑+2%B釬料焊縫的枝晶形貌(Vc=0.2 K/s)Fig.3 Dendrite morphologies of 60%Cu60Sn40+38% flux+2%B welding seams under different post weld cooling rates(a) and different B contents (b) (Vc=0.2 K/s)

圖4 形核數量和枝晶尖端半徑隨焊后冷卻速率(a)和含硼量(b)的變化Fig.4 Variation of nucleation number and dendrite tip radius with post weld cooling rates(a) and B content(b)

3 結論

(1)B元素的加入使得銀釬料焊縫枝晶發生了明顯的柱狀晶向等軸晶轉變的現象。

(2)焊后冷卻速率的改變對焊縫顯微組織的影響較大。當冷卻速率為0.1 K/s時,含2%B釬料焊縫的枝晶尖端半徑達到37 μm,枝晶形核數為15;當冷卻速率增加到0.5 K/s時,枝晶尖端半徑減小到16.5 μm,枝晶形核數增加到35。

(3)B質量分數為1%時,枝晶尖端半徑達到32 μm,形核數較少為7;隨著B含量的增加,枝晶尖端半徑逐漸減小,形核數量不斷增加;而當B質量分數達到4%時,枝晶形貌幾乎不變,枝晶尖端半徑穩定在17 μm左右。