表 1 母材的化學成分
Table 1. Chemical composition of base metals
| 母材 | 質量分數/% | ||||||
| Al | Mg | Si | Cu | Fe | Pb | 其他 | |
| 5052鋁合金 | 余 | 2.48 | 0.17 | ≤0.5 | |||
| T2紫銅 | ≥99.90 | 0.005 | 0.005 | 0.04 | |||
分享：離焦量對鋁合金/紫銅激光熔釬焊接頭組織和性能的影響
0. 引 言
銅因具有導電性強、導熱性能優異、耐腐蝕性能好、易加工成形等特點，在新能源汽車三電系統、電力電子和制冷散熱等領域應用廣泛[1-2]。但是，我國銅礦資源貧乏，為緩解銅資源的短缺，“以鋁代銅”是國家倡導的一種發展趨勢。鋁的資源豐富，導熱導電性優良，耐腐蝕性能良好，與銅組成的銅鋁復合結構可兼具兩種材料的優勢[3-5]，成本低、質量輕，具有十分重要的研究意義和實用價值。
材料連接主要有機械連接和焊接兩種方法[6-8]。機械連接較為靈活，但會大幅度降低金屬材料的導電導熱性能；而焊接中的熔釬焊在實施時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金屬潤濕母材并填充接頭間隙，從而實現金屬的高質量連接。其中，激光熔釬焊技術具有激光熱源能量控制精準、焊接質量高、易于自動化、適用于大規模生產等優點，成為鋁/銅金屬的連接方法之一。鄧呈敏等[9]研究發現，2A16耐熱硬鋁/T2紫銅激光熔釬焊接頭的界面反應層厚度低至10.23 μm，抗拉強度為274.25 MPa。萬秀蓮等[10]研究發現在最佳工藝參數下，LY16鋁合金/T2紫銅激光熔釬焊接頭的界面反應層厚度為9.23 μm，接頭抗拉強度高達274.25 MPa。李志勇等[11]研究發現，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度先增大再減小。趙瑩等[12]研究發現，在合適的工藝參數下，銀中間層的添加有利于改善銅/鋁熔釬焊接頭的成形質量。目前，鋁/銅激光熔釬焊的研究多聚焦于工藝參數優化和填充材料選擇以控制界面反應層的金屬化合物種類與厚度方面，有關離焦量這一關鍵參數的研究尚缺乏系統性。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進行5052鋁合金和T2紫銅的對接連接，研究了離焦量對焊絲熔化后在銅板上的鋪展面積以及對接頭組織和性能的影響，旨在為鋁/銅復合結構的應用研究提供參考數據。
1. 試樣制備與試驗方法
母材為市購的5052 Al-Mg系合金及T2紫銅，尺寸均為80 mm×60 mm×2 mm，化學成分見表1，抗拉強度分別為230，270 MPa，斷后伸長率分別為15%和35%。填充金屬為規格?1.6 mm的Zn-Al藥芯焊絲，化學成分（質量分數/%）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工業機器人、Fronius TPS 4000型MIG焊接電源、送絲設備及控制系統組成的設備對5052鋁合金/T2紫銅進行激光熔釬焊試驗。焊前對母材進行除銹除油污處理，隨后放置在焊接工作臺上進行對接裝配，根部間隙為0.5 mm。在焊接過程中，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，保護氣體為純度99.99%氬氣，保護氣體流量為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。
在不同離焦量下對相同質量焊絲加熱5 s后，采用Image J軟件測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，采用蔡司光學顯微鏡（OM）及Merlin Compact型掃描電鏡（SEM）觀察接頭微觀結構，用SEM配套的能譜儀（EDS）進行微區成分分析。采用XRD-6000型X射線衍射儀（XRD）對物相組成進行分析，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型全自動維氏硬度計測接頭的硬度，測試區域為截面中部自鋁合金母材至銅母材，測試間距為0.3 mm，距焊縫中心相同距離處測3次取平均值，載荷為1.96 N，保載時間為30 s。按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》，在接頭上以焊縫為中心垂直于焊接方向截取拉伸試樣，標距長度為60 mm，將正面和背面余高切除后，采用WDW-10型電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，做3次平行試驗，取試驗結果的平均值。
2. 試驗結果與討論
2.1 焊絲的潤濕鋪展性能
當離焦量為0，+2，+6，+8 mm時，焊絲在紫銅表面的鋪展面積分別為149.43，147.41，111.59，78.21 mm2，可見隨著離焦量的增加，焊絲在紫銅表面的鋪展面積減小，潤濕鋪展性能變差。隨著離焦量增加，激光束聚焦在接頭的區域變大，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，當離焦量為0時，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裂紋、未焊透等缺陷，正面成形不均勻，這是由于此時激光距母材表面過近，熱輸入過高，鋁合金側母材熔化量過多，焊接時出現大量飛濺所致；當離焦量為+2，+4 mm時，焊縫正面不連續，鋁合金母材熔化量過多，導致焊縫背面出現焊瘤、裂紋等缺陷，說明此時焊接熱輸入仍過高；當離焦量為+6 mm時，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明顯的缺陷；當離焦量為+8 mm時，此時焊接熱輸入明顯太低，鋁合金母材熔化量不足，部分區域未焊透，焊縫背面熔寬變窄且不連續。綜上，當離焦量為+6 mm時，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，當離焦量為0，+2，+4 mm時，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，此時焊縫金屬在銅側鋪展較為充分，熔融鋁合金液快速流淌進入焊縫背部，造成背面余高較高且凹凸不平；當離焦量為+6 mm時，熔融焊絲和局部熔融的鋁合金在銅側的鋪展面積較大，銅的熔化量極少，未出現明顯的熔合現象，整個接頭符合熔釬焊特征；當離焦量為+8 mm時，焊接熱輸入量過小，正面焊縫金屬鋪展不良，鋁合金熔化量也較少，接頭背面銅側出現了局部未焊合缺陷。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、銅側釬焊界面反應層、焊縫、鋁合金熱影響區和鋁合金母材。由圖3可知：不同離焦量下接頭銅側釬焊界面均不太平直，這是因為在激光熱源的作用下，銅母材發生少量熔化，在界面處形成一層深灰色的金屬間化合物反應層；焊縫均由雪花狀的Al-Zn共晶組織和α-Al固溶體構成；鋁合金側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，近鋁合金側組織沿著最大溫度梯度成核，形成柱狀晶區；由于鋁合金、紫銅的熱導率較高，在激光熱源離開后熔池溫度迅速降低，柱狀晶停止生長，導致柱狀晶區細小且狹窄。
圖 3 不同離焦量下接頭銅側和鋁合金側焊縫的顯微組織
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：當離焦量為0時，接頭銅側釬焊界面反應層淺灰色I區的物相主要為Al4Cu9相，深灰色II區主要為Al4.2Cu3.2Zn0.7相，焊縫樹枝晶狀組織為Al0.71Zn0.29相；當離焦量增加至+4 mm時，界面反應層I區物相由Al4Cu9相變為AlCu+CuZn相，II區及焊縫物相不變；當離焦量增加至+6 mm時，界面反應層I區物相仍為AlCu+CuZn混合相，但II區為CuZn5相，焊縫樹枝狀晶組織為Al0.71Zn0.29相；當離焦量增加至8 mm時，界面反應層I區物相為AlCu相，II區為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釬焊界面反應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
| 特征點 | 原子分數/% | ||
| Al | Cu | Zn | |
| A1 | 28.23 | 65.32 | 6.45 |
| B1 | 53.63 | 35.29 | 11.08 |
| C1 | 65.64 | 4.28 | 30.08 |
| A2 | 18.81 | 69.13 | 12.06 |
| B2 | 56.38 | 35.48 | 8.14 |
| C2 | 64.15 | 4.17 | 31.68 |
| A3 | 19.78 | 70.61 | 9.61 |
| B3 | 13.82 | 15.71 | 70.47 |
| C3 | 59.54 | 15.61 | 24.85 |
| A4 | 45.97 | 41.31 | 12.71 |
| B4 | 54.44 | 33.65 | 11.91 |
| C4 | 58.38 | 14.73 | 26.89 |
2.4 接頭力學性能
由圖6可以看出，接頭焊縫區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固溶體和細小的樹枝晶Al-Zn化合物構成。銅側釬焊界面反應層的硬度最高，這主要是因為該區域存在大量的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，銅側釬焊界面反應層靠近紫銅母材區域的硬度低于紫銅母材。離焦量主要對接頭焊縫和銅側釬焊界面反應層的硬度略有影響。
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，接頭的抗拉強度先升后降，當離焦量為+6 mm時，抗拉強度最大，為212 MPa。0，+2，+4 mm 離焦量下焊接熱輸入較高，焊縫出現焊瘤、裂紋等缺陷，導致接頭性能不佳。當離焦量增加到+8 mm時，接頭焊縫背面局部未焊透，整體成形質量較差，抗拉強度急劇降低，僅為77 MPa。當離焦量為+6 mm時，接頭焊縫的成形質量最好，因此拉伸性能最好。
圖 7 接頭的抗拉強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：當離焦量為0，+2 mm時，拉伸時接頭在銅側釬焊界面區域斷裂，這是因為此時焊接熱輸入過大，銅側釬焊界面反應層生成了大量硬脆的Al-Cu化合物，使得該區域成為整個接頭的薄弱點；當離焦量為+4 mm和+6 mm時，接頭在鋁合金母材處斷裂，此時銅側釬焊界面反應層中化合物由Al4Cu9相變成了AlCu+CuZn以及CuZn5相，界面反應層的韌性提高；當離焦量為+8 mm時，接頭在銅側釬焊區斷裂，此條件下焊接熱輸入較小，焊絲融化后在銅表面潤濕鋪展性略差，銅側界面冶金結合不良，同時銅側釬焊界面反應層存在大量脆硬的AlCu相和Al4.2Cu3.2Zn0.7相，這些均導致接頭在銅側釬焊區斷裂。由圖9可以看出：當離焦量為+ 4 mm時，接頭拉伸斷口分布著大量解理臺階，呈現河流花樣，為典型的脆性斷裂形貌；當離焦量為+6 mm時，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 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，潤濕鋪展性能降低。當離焦量為0，+2，+4 mm時，接頭正面焊縫不連續，背面出現焊瘤、裂紋等缺陷，當離焦量為+8 mm時，接頭正面焊縫金屬鋪展不良，背面出現未焊透缺陷，當離焦量為+6 mm時，正面焊縫金屬鋪展良好，焊縫表面未出現明顯缺陷，成形質量最好。
（2）當離焦量為0時，接頭紫銅側釬焊界面反應層主要由Al4Cu9和Al4.2Cu3.2Zn0.7相組成，當離焦量為+6 mm時，主要由AlCu和CuZn5相組成，當離焦量為+8 mm時，主要由AlCu和Al4.2Cu3.2Zn0.7相組成。
（3）不同離焦量對銅側釬焊界面反應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，接頭的抗拉強度先升后降；當離焦量為+6 mm時，抗拉強度最大，為212 MPa，此時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。
文章來源——材料與測試網
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