周榮穩(wěn) 李昌徽

摘要： 在Al/Cu異種材料焊接時(shí)，由于本身性能有較大差別，特別是物理和化學(xué)性能，這是焊接的困難所在，固相焊中的超聲波滾焊焊接方法特別適合異種材料的焊接。文中采用TIG電弧預(yù)熱減小焊接時(shí)工件溫差和超聲波滾焊工藝結(jié)合在一起使用，此方法下，TIG電弧的預(yù)熱和超聲波振動(dòng)機(jī)械能的共同作用可以有效提高該焊接方法的焊接能力。在試驗(yàn)的過(guò)程中改變輸入的電流值，對(duì)各種參數(shù)下的異種材料滾焊接頭進(jìn)行全面的比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)異種材料之間的超聲波滾焊過(guò)程是一種基于焊接區(qū)金屬充分貼合、塑性變形、機(jī)械嵌合及界面區(qū)原子擴(kuò)散與鍵合等作用的焊接過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了Al/Cu異種材料超聲波滾焊連接。

關(guān)鍵詞： Al/Cu異種材料; TIG電弧預(yù)熱; 超聲波滾焊; 機(jī)械嵌合

中圖分類號(hào)： TG 44

Abstract： In the Al/Cu dissimilar materials welding， because their own performance is quite different， especially the physical and chemical properties， which is welding difficulties. Ultrasonic rolling welding in solid phase welding is especially suitable for welding heterogeneous materials. In this paper， TIG arc preheating is adopted to reduce the temperature difference between the workpiece and ultrasonic rolling welding process. Under this method， the joint action of the preheating of TIG arc and the mechanical energy of ultrasonic vibration can effectively improve the welding capacity of this welding method. Changing the input current value in the process of the test results， the various parameters of rolling dissimilar materials welding head to conduct a comprehensive comparative analysis， it is founded that ultrasonic seam welding process between dissimilar materials is a kind of based on fully joint weld zone metals， plastic deformation and mechanical chimeric and atomic diffusion in the interface area and the bonding effect of welding process， which realizes the Al/Cu ultrasonic seam welding of dissimilar materials.

Key words： Al/Cu heterogeneous materials; TIG arc preheating; ultrasonic rolling welding; mechanical chimeric

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50628506，50705049）

0 前言

在Al/Cu異種材料焊接時(shí)，成功案例和經(jīng)驗(yàn)較少，實(shí)際應(yīng)用中兩者焊接特別困難。超聲波滾壓焊接方法屬于固相焊的一種，實(shí)際應(yīng)用技術(shù)成熟，適合焊接異種材料，但是固相焊并不容易實(shí)施影響了應(yīng)用范圍[1]。TIG電弧的預(yù)熱可以提高超聲波滾壓焊的焊接質(zhì)量和應(yīng)用范圍。文中探究不同焊接速度下的Al/Cu異種材料超聲波滾焊工藝，為獲得超聲波焊接速度和電流值的最佳配合，在一定速度下改變電流值進(jìn)行焊接試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行物象成分、組織特征、接頭力學(xué)性能等分析，進(jìn)而了解Al/Cu異種材料的焊接特點(diǎn)和工藝要求，并研究Al/Cu異種材料的連接的機(jī)理。

1 焊接材料、焊接設(shè)備及焊接方法

1.1 焊接材料

試驗(yàn)所選材料為6061鋁合金、T2紫銅板材，板材尺寸規(guī)格都為150 mm×70 mm×1 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用TIG電弧預(yù)熱輔助超聲波滾焊焊接工藝[2]，使用的TIG設(shè)備為德國(guó)雷姆生產(chǎn)的240-450AC/DC氬弧焊機(jī)，該氬弧焊機(jī)是一臺(tái)多功能數(shù)字化焊機(jī)，預(yù)熱能力強(qiáng)，可進(jìn)行脈沖焊接。試驗(yàn)用超聲波滾焊焊接機(jī)主要構(gòu)成部件有：2 kW超聲波發(fā)生器、自制焊接平臺(tái)和夾具、空氣壓力機(jī)等工裝，其中超聲波發(fā)生系統(tǒng)包括：20 kHz超聲波發(fā)生器、換能器、旋轉(zhuǎn)壓頭。焊機(jī)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

1.3 焊接方法

由于鋁合金比銅合金要軟，所以在本焊接工藝中，鋁合金板材需要置放于銅合金板材上面。兩板材的搭接長(zhǎng)度為20 mm以保證超聲波滾焊焊頭完全作用于兩板材重疊區(qū)域[3]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1 TIG電弧預(yù)熱輔助的Al/Cu超聲波滾焊工藝參數(shù)的確定 ?焊接速度過(guò)快過(guò)慢都會(huì)影響焊接的質(zhì)量[4]，篩選焊接效果較好的焊接速度 3 mm/s作為基本速度，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 不同電流值下的Al/Cu接頭成形特點(diǎn)

選取TIG電流為20 A，25 A，30 A下的D2，D3和D4三種典型的焊接接頭進(jìn)行觀察比較，從圖2中很明顯的可以看出，由于電流的增加，更多的熱量傳遞給鋁合金，導(dǎo)致鋁合金在不同程度上產(chǎn)生軟化，在機(jī)械振動(dòng)、熱量和壓力的共同作用下，鋁合金與超聲波滾焊焊頭發(fā)生粘結(jié)，在鋁合金材料表面留下較深的痕跡，甚至造成材料的破壞。

2.3 ?不同電流值下的Al/Cu接頭界面區(qū)組織特征

2.3.1 界面區(qū)形貌特征

當(dāng)TIG電流比較小時(shí)，僅僅依靠超聲波的振動(dòng)作用不足以使得Al/Cu板材發(fā)生較大的塑性變形，兩者連接界面無(wú)明顯的波紋狀產(chǎn)生[5]，接頭搭接區(qū)并沒(méi)有完全結(jié)合，以至部分區(qū)域有未連合裂紋的出現(xiàn)，如圖3a所示。隨著電流的增大，Al/Cu界面發(fā)生了明顯的塑性變形，以彼此起伏的波浪狀互相嵌入，由于界面區(qū)原子擴(kuò)散與鍵合，界面結(jié)合程度明顯提高，如圖3b所示。當(dāng)電流達(dá)到30 A時(shí)，母材之間的互相嵌入程度進(jìn)一步增大，這有助于母材之間形成更為有效穩(wěn)定的連接。

2.3.2 界面區(qū)組織特征

接頭的強(qiáng)度與質(zhì)量取決于界面區(qū)組織構(gòu)成，對(duì)Al/Al及Al/Cu界面層進(jìn)行了EDX能譜分析，對(duì)中所示的位置進(jìn)行了元素分析，從而可以詳細(xì)分析各個(gè)參數(shù)下界面區(qū)組織構(gòu)成，如圖4所示，通過(guò)15 A與30 A的能譜分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大電流的即30 A的比小電流的即15 A的不管是鋁元素還是銅元素都下降的比較平緩，這說(shuō)明在大電流下擴(kuò)散比較大，上部分的形貌圖可以很好地說(shuō)明這一點(diǎn)。

2.3.3 二次電子分析

文中僅對(duì)金相組織和拉伸試驗(yàn)效果較好的參數(shù)下所得的試件進(jìn)行了二次電子掃描，圖5所示的即為20 A電流的參數(shù)下試驗(yàn)所得試件的斷口形貌[6]。

從圖5中可以看到，不管是鋁側(cè)還是銅側(cè)在撕裂口的表面存在排列較密的撕裂棱，在撕裂棱之間還存在著一些韌窩，韌窩是焊接接頭韌性斷裂最主要的斷口形貌，其形成的過(guò)程包括纖維空洞生核、長(zhǎng)大、聚集直至斷裂，故其線拉伸強(qiáng)度數(shù)值比較高，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)個(gè)別的區(qū)域發(fā)生了粘連，說(shuō)明在該參數(shù)下擴(kuò)散的較劇烈，連接質(zhì)量也較好。

2.3.4 不同電流值下的Al/Cu接頭力學(xué)性能及斷口分析

靜載拉伸試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖6所示。由以上試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，在一定的焊接速度下，隨著TIG電流值的增大，焊接接頭的強(qiáng)度也跟著也相應(yīng)增大，當(dāng)電流值為35 A時(shí)接頭強(qiáng)度達(dá)到最大，拉力約1.712 kN，但界面處溫度過(guò)高，母材接觸面發(fā)生了熔化現(xiàn)象[7]。由以上分析可知，隨著電流值的增加，在超聲波振動(dòng)的摩擦與壓力下，搭接區(qū)提高了結(jié)合強(qiáng)度。利用TIG電弧預(yù)熱與超聲波滾焊相結(jié)合的焊接工藝大大增強(qiáng)了超聲波焊接技術(shù)對(duì)異種材料的焊接能力，實(shí)現(xiàn)了有效連接。

2.3.5 ?斷口分析

圖7顯示的是AlCu搭接接頭拉伸試驗(yàn)后斷裂宏觀[8]，所有的斷裂形式都如圖中顯示的那樣，另外部分試件沒(méi)有產(chǎn)生橫向斷裂，只發(fā)生了縱向撕裂，斷裂發(fā)生在焊接界面區(qū)。焊接界面區(qū)在超聲波滾焊焊頭的作用下，邊界有著明顯的壓痕，并且焊接區(qū)中心的顏色也不同于周圍母材區(qū)。由此可以看出隨著電流的增大，銅板上粘連擴(kuò)散的鋁更多。

3 結(jié)論

TIG電弧的預(yù)熱和超聲波振動(dòng)機(jī)械能的共同作用可以有效提高該焊接方法的焊接能力，并利用該方法實(shí)現(xiàn)了Al/Cu異種材料的連接?？梢缘贸鲆韵轮饕Y(jié)論：

（1） Al/Cu異種材料焊接時(shí)利用TIG電弧預(yù)熱與超聲波滾焊相結(jié)合的焊接工藝大大增強(qiáng)了超聲波焊接技術(shù)對(duì)異種材料的焊接能力，使厚度為1 mm板狀A(yù)l/Cu異種材料之間的實(shí)現(xiàn)了有效連接。

（2） 變化不同的焊接速度，在選取的合適的速度下（3 mm/s），分別對(duì)各種參數(shù)下的 Al/Cu異種材料滾焊接頭進(jìn)行全面的比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn) Al/Cu異種材料之間的超聲波滾焊過(guò)程是一種基于焊接區(qū)金屬充分貼合、塑性變形、機(jī)械嵌合及界面區(qū)原子擴(kuò)散與鍵合等作用的焊接過(guò)程。

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