有色金属材料与工程  2017, Vol. 38 Issue (4): 187-192   PDF    
引用本文
王冰, 刘平, 刘新宽, 王子延, 王艳艳, 陈小红, 刘小稚. Cu-Al异种材料的感应加热焊接及其工艺研究[J]. 有色金属材料与工程, 2017, 38(4): 187-192.
WANG Bing, LIU Ping, LIU Xinkuan, WANG Ziyan, WANG Yanyan, CHEN Xiaohong, LIU Xiaozhi. Induction Heating Welding and Process Investigation of Cu-Al Dissimilar Materials[J]. Nonferrous Metal Materials And Engineering, 2017, 38(4): 187-192.
Cu-Al异种材料的感应加热焊接及其工艺研究
王冰1, 刘平1, 刘新宽1, 王子延2, 王艳艳1, 陈小红1, 刘小稚2     
1. 上海理工大学 材料科学与工程学院, 上海 200093;
2. 亚仕龙汽车科技(上海)有限公司, 上海 200433
收稿日期：2016-12-17
作者简介：王冰(1991-), 女, 硕士研究生.研究方向:电功能材料.E-mail:wangbingccc@163.com
通信作者：刘平(1962-), 男, 教授.研究方向:电功能材料.E-mail:liuping@usst.edu.cn
摘要：利用感应加热原理，使用功率为0~60 kW且连续可调的高频感应加热设备，完成Cu-Al合金板材的焊接，研究焊接件的界面形貌、元素分布及界面物相分析.分析加热电流和加热时间对界面形貌和结合强度的影响.采用ZWICK-Z050电子万能材料试验机测试界面结合强度，采用扫描电子显微镜和偏光显微镜观察界面形貌，用X射线衍射仪进行物相分析.结果表明：界面中间化合物主要为Al2Cu，Cu9Al4和CuAl相，其中Cu侧主要是Cu9Al4和CuAl相，Al侧主要是Al2Cu相；随着加热电流的增大或加热时间的延长，Cu-Al界面结合层由不平整变为平整，且宽度逐渐增大，同时Cu-Al界面结合强度先增大后减小.感应加热焊接试样界面结合强度可达53 MPa，结合良好.
关键词：Cu-Al异种材料    感应加热    焊接    结合层    结合强度    
Induction Heating Welding and Process Investigation of Cu-Al Dissimilar Materials
WANG Bing1, LIU Ping1, LIU Xinkuan1, WANG Ziyan2, WANG Yanyan1, CHEN Xiaohong1, LIU Xiaozhi2     
1. School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;
2. ASL Automobiles Science & Technology(Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200433, China
Abstract: Taking advantage of the induction heating principle, a high-frequency induction heating equipment with power of 0-60 kW and continuously adjustable was used to weld copper-aluminum plate.Interface microstructure, elemental distribution and phase analysis of the welded assembly were studied.The effects of heating current and heating time on interfacial microstructures and bonding strength were analyzed.The bond strength was measured by ZWICK-Z050 electronic universal testing machine.The microstructures of interfaces were observed by scanning electron microscope and polarizing microscope.The phases were determined by X-ray diffraction.The results indicated that the intermediate compounds at the interface were mainly Al2Cu, Cu9Al4 and CuAl.Cu9Al4 and CuAl phases were mainly on Cu side, while Al2Cu phase was chiefly on Al side.With the increase of heating current or heating time, the bonding layer of Cu-Al interface became smoother and wider.At the same time, the bonding strength of Cu-Al interface increased first and then decreased.Bonding strength of the sample welded by induction heating method could reach 53 MPa.
Key words: Cu-Al dissimilar material     induction heating     welding     bonding layer     bonding strength    

随着现代工业的发展, 单一的Cu或Al金属零件已难以满足产品需求[1].Cu-Al复合材料不仅具有Cu的导电性好、导热率高、易钎焊、接触电阻低和外表美观等特点, 还具有Al的质轻、耐蚀、经济等优点.以Al代替部分Cu, 开发Cu-Al复合材料, 可节约Cu资源, 与此同时, 还可使材料获得人们所需要的特性[2-6].因此, Cu和Al异质金属的连接引起人们的广泛重视.

Cu与Al在物理性能方面存在较大的差异, 特别是熔点相差424 ℃, 线膨胀系数相差40%以上, 导电率相差70%以上.其中Al与O易形成Al2O3氧化膜, 熔点高达2 050 ℃; 而Cu与O以及Pb, Bi, S等杂质易形成多种低熔点共晶组织.这些都给Cu, Al的焊接带来了一定的困难[7-8].此外, Cu和Al都是极易被氧化的金属, 在连接过程中氧化十分激烈, 能生成高熔点的氧化物.因此, 在焊接中很难使焊缝达到完全熔合.而且Cu与Al两种金属的导热性都比较大, 焊接时熔池金属结晶快, 高温时的冶金反应气体来不及逸出, 进而在焊接时产生气孔, 影响焊接接头的强度以及耐蚀性[9-13].目前常用的Cu连接方法有熔焊、压焊和钎焊等[14-15], 其中可用于大面积Cu-Al板状材料焊接的有钎焊、爆炸焊和摩擦焊.但是钎焊的接头强度低, 耐热能力差, 抗蚀性也差.爆炸焊焊接成型的材料易变形, 不仅存在边缘效应, 而且爆炸密度、炸药暴轰速度和被焊材料间距等工艺参数难以控制.而摩擦焊设备成本较高, 因此其应用受到一定的限制[16-17].

本文在Cu-Al焊接方面寻求新的思路, 利用感应加热原理, 通过感应加热的方法完成Cu-Al合金板材的焊接.

1 试验材料和方法

试验选用6003铝合金和C1100紫铜板来进行感应加热焊接, 厚度分别为6 mm和2 mm.焊前Cu板及Al板分别用400目, 600目, 800目, 1 200目, 1 500目和2 000目的砂纸进行磨样, 以去除油污、氧化层及吸附水, 使Cu, Al的表面接触良好.然后分别用无水乙醇和Al材清洗液清洗Cu, Al的接触面, 以减少焊接面间的杂质.

焊接过程在一台功率为0~60 kW连续可调的高频感应加热设备上完成.将Cu板和Al板同时放入感应线圈内, 利用电磁感应在导体内产生的涡流发热来达到加热工件的目的.当温度达到Al的熔点后, Al会发生部分熔化而Cu仍保持固态, 此时再施加一定的压力, 即可实现Cu, Al异种材料的焊接.

焊接界面反应产物采用D8-ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)分析, 界面形貌观察采用Quanta FEG 250型场发射环境扫描电子显微镜(SEM)和XPL-15型偏光显微镜(PM)分析, 界面的结合强度按照DL/T 247—2012中的标准测试方法[18], 在ZWICK-Z050电子万能材料试验机上测试.

2 结果与分析 2.1 界面形貌

使用该感应加热法焊接得到试样的显微组织如图 1所示.从图 1中可以看出, 左侧为Cu, 右侧为Al, Cu-Al界面结合良好, 过渡层界面清晰, 结合层可分为4个区域.其中左侧Spectrum1是Al向Cu中的扩散厚度(富Cu区), 右侧Spectrum4为Cu向Al中的扩散厚度(富Al区).从图 1中还可以看出, Spectrum1的厚度远大于Spectrum4的厚度, Cu与过渡层间界面平直, 而Al与过渡层间呈现不规则的舌状.一方面因为柯肯达尔效应表现为Cu向Al中的扩散速度大于Al向Cu中的扩散速度; 另一方面则是由于Cu向Al中的扩散激活能小于Al向Cu中的扩散激活能.

图 1 Cu/Al界面的SEM图 Fig. 1 SEM image of Cu/Al interface
2.2 界面物相分析

为进一步确定扩散界面的生成相, 将焊接件沿界面拉开, 然后分别对断口两侧表面进行XRD分析.图 2为沿界面拉开后的断口截面图.从图 2中可以看出, 在受到外力时, 由于中间化合物的脆性大, 断裂主要是发生在中间化合物上, 且在断面两边的Cu层和Al层都残留部分的中间化合物.因此, 中间化合物层决定了Cu-Al复合排结合强度的大小.图 3为Cu, Al焊接件沿界面拉开后断口两侧表面的XRD图谱分析.从图 3中可以判断出, 沿复合排界面撕开后, Cu侧主要是Cu9Al4相和CuAl相, Al侧则主要是Al2Cu相.

图 2 焊件沿界面拉开后的断口形貌 Fig. 2 Fracture morphology of welded part tore along the interface

图 3 焊缝断面两侧的XRD图谱 Fig. 3 XRD pattens of the interfaces

在焊接过程中, Cu基体与Al液直接接触, Cu基体吸热熔化, Cu-Al液固界面迅速形成.由于Al原子与Cu原子在界面两侧浓度的差异, 使得其界面两侧存在较大浓度梯度, Cu原子向Al液中扩散, Al液中的Al原子向Cu基体中扩散.而由于扩散速度的不同, 在Cu侧出现了图中的富Cu过渡层, 在Al侧出现了富Al过渡层.结合Cu-Al二元合金相图和图 3中的物相分析, 说明了在Cu-Al结合面上存在的Cu-Al金属间化合物, 主要有Al2Cu, Cu9Al4和CuAl等.

2.3 工艺参数对界面形貌的影响 2.3.1 加热电流对界面形貌的影响

焊接时, 线圈电流的大小直接影响到感应电流的大小和感应加热的速率, 感应加热速率的不同决定了熔敷层成型的质量和效率.由于Al的熔化需要一定的温度, 只有超过此温度, 液态Al才能顺利铺展.当加热电流很小时, 加热速率小, 加热温度低, Al的熔化速度很慢, 且在相同时间内Al熔化的量较少, Cu和Al之间反应不充分且反应时间短, 因此结合效果并不好, 结合界面较窄且不平整, 如图 4(a)所示.当加热电流增大时, 加热速度增大, 加热温度升高, Al熔化速度增大且在相同时间被熔化的Al量较多, Cu-Al界面反应充分, 形成的结合层均匀平整, 结合层约10 μm, 如图 4(b)所示.加热电流更大时, 界面结合层更厚, 可达50 μm, 如图 4(c)所示.加热速度快可节省时间, 提高生产效率, 从这个角度来说, 感应加热速度越大越好, 也就是电流越大越好.然而, 由于感应加热存在集肤效应, 一般都是表层很薄的一层有电流通过, 因此大部分热量会集中于此.如果加热速度过快, 会使得表面熔敷的Al过热, 从而破坏Al的成形, 容易形成空洞.综合考虑, 加热电流I=25 A时, 界面结合最优.

图 4 不同加热电流下的界面形貌图 Fig. 4 Interface morphologies at different heating current
2.3.2 加热时间对界面组织的影响

线圈通入电流后, Cu和Al开始被加热, 随着温度的升高以及加热时间的延长, Cu, Al发生互扩散, 且随着温度的升高, 互扩散系数逐渐增大.当温度达到Al的熔点时, Al的上表面开始熔化.加热时间越长, 熔化的Al越多, 当施加一定的压力挤出部分Al液后, Cu-Al界面发生结合.在线圈电流I=25 A的相同情况下, 加热时间决定了熔敷层的加热情况.当加热时间过短时, 工件得不到有效加热, 熔化的Al液不能均匀地铺展, 甚至Al层都得不到足够的热量熔化, 因此界面结合不平整, 如图 5(a)所示.当加热时间延长时, 熔敷层得到足够的热量, 适当的Al熔化, Cu-Al界面反应充分, 界面结合良好, 结合层厚约10 μm, 如图 5(b)所示.若加热时间过长, 熔敷层得到过大的热量, 会出现熔敷层过热或过烧的情况, 同样得不到良好的结合层, 结合层厚约50 μm, 如图 5(c)所示.综合考虑, 加热电流I=25 A和加热时间t=15 s时, 界面结合最优.

图 5 不同加热时间下的界面形貌图 Fig. 5 Interface morphologies at different heating time
2.4 工艺参数对界面结合强度的影响

测试界面结合强度的试样示意图见图 6.

图 6 拉伸试样示意图 Fig. 6 Configuration of shear test specimen

界面结合强度计算公式:

$\tau = P/HL$ (1)

式中:τ为界面结合强度; P为拉伸过程中最大力; H为试样剪切面宽度; L为试样剪切面长度.

2.4.1 加热电流对结合强度的影响

图 7为加热时间一定时, 界面结合强度随加热电流的变化曲线.从图 7中可以看出, 界面结合强度随着加热电流的增大而增大.当加热电流超过25 A时, 随着电流的增大, 结合强度反而下降.当加热电流为25 A时, 结合强度达到最大值, 为53 MPa.这是因为加热电流内在地影响焊接面的界面组织, 如2.3.1所述, 加热电流为25 A时, 界面结合均匀且平整.

图 7 不同加热电流下界面的结合强度 Fig. 7 Bonding strength at different heating current
2.4.2 加热时间对界面结合强度的影响

图 8为加热电流一定时, 界面结合强度随加热时间的变化曲线.从图 8中可以看出, 界面结合强度随着加热时间的增大而增大.当加热时间超过15 s时, 随着电流的增大, 结合强度反而下降.当加热时间为15 s时, 结合强度达到最大值, 为52 MPa.这是因为加热时间也内在地影响焊接界面的组织, 如2.3.2所述, 加热时间为15 s时, 界面结合均匀且平整, 结合良好.

图 8 不同加热时间下界面的结合强度 Fig. 8 Bonding strength at different heating time
3 分析与讨论

Cu-Al焊接界面的结合强度取决于界面的组织.界面结合层主要为金属间化合物CuAl, Al2Cu和Cu9Al4, 他们硬度高, 脆性大, 直接影响Cu-Al界面结合强度的大小.结合强度试验结果表明, 加热电流过大与过小、加热时间过长与过短对界面结合强度都是不利的.加热电流过小或加热时间过短, 界面反应不充分, 结合层不平整且不均匀, 不能形成良好的冶金结合, 只有扩散层, 界面结合强度较小.过大的加热电流或过长的加热时间造成硬脆的金属间化合物呈大块状连续分布, 结合层过厚, 对性能不利; 甚至会对母材造成严重溶蚀.Cu, Al的线膨胀系数相差很大, 过厚的结合层会使焊接过程中的热应力提高, 焊缝硬脆性增大, 接头应力不易释放, 内部容易产生微裂纹而使结合强度降低.在加热电流为25 A、加热时间为15 s时, 结合界面均匀平整, 结合层厚度适中, 结合强度最高.

4 结论

对Cu-Al合金板材进行感应加热焊接, 结果表明:

(1) 随着加热电流或加热时间的增大, 界面结合层由不平整逐渐变为平整, 且厚度逐渐增大.

(2) 随着加热电流或加热时间的增大, 界面结合层强度先增大后减小, 最高可达53 MPa.

(3) 焊接过程的最优工艺参数为I=25 A, t=15 s.

(4) 该感应加热焊接的方法可实现Cu-Al合金板材的高质量焊接, 有望成为大面积焊接板材的有效方法.

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