銅鋁瞬間液相擴(kuò)散焊組織與性能研究.pdf

1、銅與鋁是電力工業(yè)常用的導(dǎo)電材料。在發(fā)電、輸電、變電和配電過程中，需要將銅與鋁連接起來，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。常規(guī)的螺栓連接雖然易拆裝，但降低了有效導(dǎo)通面積，增大了接觸電阻，降低了安全可靠性。因此，電力工業(yè)中常使用閃光焊和摩擦焊制備的銅鋁過渡接頭進(jìn)行銅鋁的連接。長期的運(yùn)行情況表明，閃光焊和摩擦焊接頭中存在的未焊合、氧化物夾雜、金屬間化合物等缺陷在運(yùn)行過程中因接頭溫升、環(huán)境因素和外力作用會降低接頭強(qiáng)度，縮短銅鋁過渡接頭的使用壽命。
　　金屬

2、間化合物是銅鋁焊接中不可避免的第二相，其高硬度和高電阻率的特性會嚴(yán)重惡化接頭性能。瞬間液相擴(kuò)散焊可形成無析出相、無空洞，成分和組織與母材相似的接頭，是解決異種材料可焊性差的先進(jìn)連接技術(shù)。利用銅鋁的互擴(kuò)散而不使用中間層材料進(jìn)行銅鋁的瞬間液相擴(kuò)散焊，接頭中因存在過量的金屬間化合物其抗拉強(qiáng)度低于鋁母材。為解決閃光焊等固相焊接頭使用壽命短和瞬間液相擴(kuò)散焊接頭強(qiáng)度低等問題，本文開發(fā)了銅鋁瞬間液相擴(kuò)散焊用鋁合金中間層和配套焊接工藝，研究了熱處理過程

3、中金屬間化合物的生長行為及其對接頭性能的影響。
　　試驗(yàn)用焊接母材為T2純銅、1060純鋁和5A02鋁鎂合金，中間層材料為60～80μm厚度的鋁合金箔片。使用自制的感應(yīng)加熱瞬間液相擴(kuò)散焊設(shè)備進(jìn)行50mm×5mm銅排-鋁排、φ57mm×3.5mm鋁管-鋁管，φ60mm×8mm鋁鎂合金管-鋁鎂合金管的焊接。焊前采用機(jī)床加工工件表面，粗糙度Ra0.23～0.68μm。把與焊接面相同尺寸的中間層合金箔片放置于兩個工件間，固定工件和中間層合

4、金箔片，設(shè)定焊接溫度、時間和壓力工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。焊接過程中，在連接區(qū)域通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，焊后接頭自然冷卻至室溫。采用萬能試驗(yàn)機(jī)和微歐計(jì)測試接頭的力學(xué)性能和電氣性能，以掃描電鏡、能譜儀和X射線衍射儀分析接頭組織、成分和相，研究中間層合金元素和焊接工藝對接頭性能和組織的影響。采用350℃保溫500小時的熱處理方法研究銅鋁瞬間液相擴(kuò)散焊接頭中金屬間化合物的生長行為及其對接頭性能的影響，并與閃光焊接頭進(jìn)行對比分析。
　　根據(jù)瞬間液相擴(kuò)散

5、焊接原理和鋁表面氧化膜去除機(jī)制，利用合金化原理設(shè)計(jì)了系列鋁合金中間層，其所含元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為: Si6％～8％，Cu2.5～4％，Mg0～2.5％， Ga1％，RE0.05％。接頭組織和性能分析表明，Al-8Si-4Cu-2Mg-1 Ga-0.05RE中間層合金具有很好的降低熔點(diǎn)作用和去除鋁表面氧化膜效果，實(shí)現(xiàn)了開放環(huán)境下的銅鋁異種材料的瞬間液相擴(kuò)散連接。接頭拉伸和彎曲力學(xué)性能優(yōu)于無中間層的瞬間液相擴(kuò)散焊接頭，與鋁母材相當(dāng)，導(dǎo)電性優(yōu)于鋁母

6、材。中間層合金內(nèi)Mg元素具有良好的去除鋁表面氧化膜作用，但過多的Mg會破壞銅鋁焊縫界面平衡性，形成微觀粗糙界面，降低接頭塑性和導(dǎo)電性。Si和Cu具有良好的降低熔點(diǎn)作用，形成的瞬間液相可擠出銅鋁接頭區(qū)殘留氧化膜，提高接頭塑性和導(dǎo)電性。
　　按照鋁母材高溫抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)的焊接壓力可擠出焊縫區(qū)的氧化物，減少空洞，實(shí)現(xiàn)銅鋁接頭界面處的潔凈。8～13MPa焊接壓力范圍內(nèi)，金屬間化合物的相種類和厚度基本不受壓力影響，銅鋁接頭抗拉強(qiáng)度和電阻率都變

7、化不大。以金屬間化合物層厚度為前提條件，利用Fick擴(kuò)散定律計(jì)算的溫度、時間關(guān)系，可確定銅鋁焊接工藝參數(shù)范圍。2～10s保溫時間內(nèi)，隨著保溫時間的延長，接頭區(qū)Cu9Al4生長較慢，而CuAl2金屬間化合物快速增長，并形成了空洞。接頭斷裂特征由韌斷轉(zhuǎn)變?yōu)榇鄶?，接頭抗拉強(qiáng)度下降，電阻率增大。560℃～640℃溫度范圍內(nèi)，焊接溫度不影響金屬間化合物的相變化，但影響金屬間化合物層的厚度和缺陷。低的焊接溫度會形成不平衡凝固的共晶組織且有大量的空洞

8、，金屬間化合物呈樹枝狀生長且厚度很大;高的焊接溫度會促進(jìn)銅鋁過度擴(kuò)散，導(dǎo)致金屬間化合物快速增長，增加金屬間化合物層厚度。隨焊接溫度的升高，接頭區(qū)空洞減少，但過高的焊接溫度會產(chǎn)生裂紋。600℃、2s、9MPa的焊接工藝參數(shù)有效抑制了金屬間化合物的生成和生長。銅鋁接頭區(qū)為2μm厚的Cu9Al4和CuAl2，無氧化物和空洞，接頭強(qiáng)度與鋁母材相當(dāng)、彎曲180°不開裂，電阻率低于鋁母材，達(dá)到理論計(jì)算值，接頭綜合性能優(yōu)于閃光焊和無中間層長時液相擴(kuò)散

9、焊。
　　接頭熱處理性能和組織研究表明，瞬間液相擴(kuò)散焊和閃光焊接頭中的金屬間化合物在熱處理過程中都由初始的Cu9Al4/CuAl2兩層變?yōu)闊崽幚砗蟮腃u9Al-4/CuAl/CuAl2三層，而且閃光焊接頭中的Cu9Al4逐漸變?yōu)镃uO。金屬間化合物生長過程中出現(xiàn)了柯肯達(dá)爾空洞，瞬間液相擴(kuò)散焊接頭空洞出現(xiàn)在Cu9Al4/CuAl界面處，閃光焊接頭空洞出現(xiàn)在Cu/Cu9Al4界面處，而且閃光焊接頭的空洞很快形成連續(xù)裂紋?？斩吹奈恢门c應(yīng)

10、力梯度有關(guān)。金屬間化合物的生長符合w=K·tn，n=0.37～0.78。CuAl2層和CuAl層的生長都不符合拋物線規(guī)律，即n≠0.5，總金屬間化合物層和Cu9Al4層基本符合拋物線規(guī)律，即n=0.5。CuAl2與Cu9Al4有相近的生長速度，而CuAl的生長速度最慢。閃光焊接頭的金屬間化合物生長速度比瞬間液相擴(kuò)散焊快。金屬間化合物層存在臨界厚度(w0):w＜ w0，銅鋁接頭強(qiáng)度和導(dǎo)電性能與金屬間化合物層厚度無關(guān);w＞w0，銅鋁接頭強(qiáng)度