為了緩解中國(guó)銅資源緊缺問(wèn)題，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，采用鋁/銅異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鋁部分代替銅不僅可以滿足使用需求，還具有一定經(jīng)濟(jì)性. 鋁/銅異種金屬?gòu)V泛采用焊接方法進(jìn)行連接，現(xiàn)階段主要采用熔化焊、釬焊、壓力焊等方法. 由于鋁與銅物理、化學(xué)性質(zhì)差異較大并且冶金相容性差，采用熔化焊方法難以實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬的可靠連接. 壓力焊和釬焊方法對(duì)接頭的結(jié)構(gòu)尺寸有限制，而且生產(chǎn)效率相對(duì)降低. 近年來(lái)，熔釬焊方法成為異種難焊金屬連接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，有望突破傳統(tǒng)方法在結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、接頭質(zhì)量等方面的不足.

熔釬焊利用異種金屬熔點(diǎn)差異大的特點(diǎn)，在低熔點(diǎn)材料側(cè)形成熔化焊接頭，而在高熔點(diǎn)材料側(cè)形成釬焊接頭，焊接過(guò)程可以添加或者不添加填充材料. 北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院的董鵬等人采用激光深熔釬焊的方法對(duì)厚度為3 mm的1060鋁合金和T2紫銅進(jìn)行對(duì)接，所得鋁/銅異種金屬焊縫內(nèi)晶粒較為細(xì)小，但焊縫內(nèi)含有脆硬的Cu3Al2和CuAl2金屬間化合物，接頭的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到鋁合金母材的94%. 盧森堡大學(xué)的Solchenbach等人通過(guò)控制熱輸入同時(shí)令光斑環(huán)形擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)了鋁/銅異種金屬的激光熔釬焊搭接，在鋁/銅界面處形成了厚度均勻的金屬間化合物層. 

文中采用TIG電弧作為熱源，對(duì)鋁/黃銅異種金屬進(jìn)行填絲熔釬焊搭接，并對(duì)接頭的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究.

1 焊接試驗(yàn)與工藝參數(shù)

試驗(yàn)材料為5052-H32鋁合金和H62-Y2黃銅，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1、表2所示，尺寸分別為200 mm×75 mm×2 mm和200 mm×75 mm×1 mm. 填充材料選用Al-12%Si藥芯焊絲，焊前先用鋼絲刷除去試件表面氧化膜，然后再用丙酮洗除打碎的氧化膜殘?jiān)霸嚰砻娴挠臀? TIG填絲熔釬焊搭接過(guò)程如圖1所示，采用鋁板在上、黃銅板在下，搭接寬度為10 mm，令焊搶與板面成90°并偏向銅母材側(cè)1 mm，鎢極高度為5 mm，采用純氬氣保護(hù). 焊接工藝參數(shù)為：焊接速度為2 mm/s、送絲速度為0.8 m/min，焊接電流為90～130 A.

表1 5052鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及力學(xué)性能

SiMg雜質(zhì)Al抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長(zhǎng)率A(%)0．172．48≤0．5余量23012～20

表2 H62黃銅化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)及力學(xué)性能

CuFe雜質(zhì)Zn抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長(zhǎng)率A(%)60～630．15≤0．5余量31515

圖1 鋁/黃銅TIG熔釬焊搭接示意圖(mm)

沿垂直于焊接方向截取試樣，對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的金相樣品制備，使用凱勒試劑(3 mL HNO3，6 mL HCl，6 mL HF，150 mL H2O)腐蝕1～2 s. 采用GX51金相顯微鏡(Optical microscopy， OM)對(duì)接頭各個(gè)區(qū)域組織進(jìn)行觀察，再利用TESCAN VEGA3掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy， SEM)分析界面層組織并通過(guò)能譜(energy disperse spectroscopy，EDS)分析界面物相. 利用HV-1000DT顯微硬度計(jì)對(duì)接頭橫截面進(jìn)行顯微硬度分析，圖2為顯微硬度測(cè)試示意圖，line1，line2為水平和垂直方向硬度測(cè)試位置線. 硬度測(cè)試試驗(yàn)力為1.96 N，保持時(shí)間10 s，測(cè)試點(diǎn)間距為0.2 mm. 沿垂直于焊接方向制取長(zhǎng)度為150 mm，寬度為10 mm的拉伸試樣，焊縫居于試樣中部. 在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為3 mm/min，拉伸數(shù)據(jù)采用3個(gè)拉伸試樣的平均值.

圖2 顯微硬度分析位置示意圖

2 接頭成形與微觀組織

圖3 不同焊接電流下所得接頭宏觀形貌

圖3為不同焊接電流下所得接頭表面形貌. 當(dāng)焊接電流為90 A時(shí)(圖3a)，由于焊接熱輸入不足導(dǎo)致焊絲及鋁母材熔化后在黃銅母材表面的潤(rùn)濕性較差，很難形成完整的接頭. 焊接電流為110 A所得焊接接頭宏觀形貌如圖3b所示，熔化的焊絲及鋁母材在黃銅母材表面鋪展較好，但是局部區(qū)域不太均勻. 焊接電流為130 A時(shí)(圖3c)，由于熱輸入過(guò)大使得黃銅母材過(guò)量熔化導(dǎo)致焊穿，后續(xù)接頭組織分析主要針對(duì)焊接電流為110 A的接頭進(jìn)行.

圖4 焊接電流為110 A接頭光學(xué)顯微組織

圖4是焊接電流為110 A時(shí)所得接頭各區(qū)光學(xué)微觀組織. 圖4a為接頭橫截面形貌，可看出接頭中存在尺寸大小不一的氣孔，這是由于高溫時(shí)氣體溶解于熔池金屬中，當(dāng)凝固和相變時(shí)，氣體的溶解度突然下降而來(lái)不及逸出殘留在焊縫內(nèi)部氣體. 從接頭橫截面形貌可以看出，熔釬焊接頭可以分為3個(gè)區(qū)域：鋁側(cè)熔化焊焊縫區(qū)、焊縫中心區(qū)、黃銅側(cè)類(lèi)釬焊焊縫區(qū). 鋁側(cè)熔化焊焊縫區(qū)微觀組織如圖4b所示，凝固過(guò)程中液態(tài)金屬首先在鋁熔合線位置形核并長(zhǎng)大，最終在熔合線位置形成了柱狀晶. 但是由于鋁/黃銅導(dǎo)熱性能較好，冷卻速度較快，限制了柱狀晶的進(jìn)一步長(zhǎng)大，故所得柱狀晶尺寸相對(duì)較小. 焊縫中心區(qū)域如圖4c所示，主要由細(xì)小的樹(shù)枝晶組成. 黃銅側(cè)類(lèi)釬焊焊縫區(qū)可以再細(xì)分為過(guò)渡區(qū)和界面層，如圖4d的所示. 過(guò)渡區(qū)中形成了塊狀及條狀組織，可能為鋁銅或鋅銅金屬間化合物. 焊接過(guò)程中，固態(tài)的黃銅母材會(huì)向液態(tài)的焊縫金屬中溶解，同時(shí)可能存在黃銅母材少量熔化進(jìn)入焊縫中，因而主要的元素Al，Cu和Zn在界面附近可能形成金屬間化合物相.

采用掃描電鏡對(duì)界面層組織和物相進(jìn)行分析. 圖5為焊接電流110 A時(shí)焊縫與黃銅母材界面層處SEM照片，界面層厚度大約為10 μm，主要由Al，Cu，Zn 3種元素組成，可以觀察到明顯的分層現(xiàn)象. 對(duì)圖5中A點(diǎn)進(jìn)行EDS分析，分析結(jié)果如表3所示，根據(jù)A點(diǎn)處各元素含量可推測(cè)A點(diǎn)處相組成為AlCu相，由于元素溶解，Al/Cu元素含量不是嚴(yán)格的1∶1. 界面層分為Ⅰ，Ⅱ兩層. 根據(jù)表3中EDS分析結(jié)果可以推測(cè)得出界面層中Ⅰ層為Cu9Al4金屬間化合物層. 焊接過(guò)程中焊縫中高含量的Al原子向黃銅母材中擴(kuò)散，最終形成了界面層中Cu9Al4金屬間化合物層，Xia等人[9]用Al-Si合金填充焊絲對(duì)鋁/銅異種金屬釬焊時(shí)，接頭中也出現(xiàn)了Cu9Al4相.

背散射照片中Ⅱ?qū)优c銅母材襯度較小，Cu和Zn原子比接近1∶1，推測(cè)為CuZn相. 焊縫金屬中Al元素含量較高，焊接過(guò)程中Al原子向銅母材中擴(kuò)散，與銅母材中的Cu原子反應(yīng)形成了鋁銅金屬間化合物，令界面層靠近黃銅母材一側(cè)Cu原子含量下降，故形成了CuZn相.

圖5 焊接電流為110 A接頭界面層SEM照片

表3 圖4中各位置能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

位置CuZnAlA38．458．0853．47B55．6915．1629．15C42．0054．033．97

3 接頭力學(xué)性能

3.1 顯微硬度

焊接電流分別為110 A時(shí)所得接頭顯微硬度如圖6所示. 圖6a為水平方向接頭硬度分布，可以看到鋁母材硬度較低，焊縫區(qū)域內(nèi)由于存在網(wǎng)狀的Al-Si共晶，導(dǎo)致焊縫中心區(qū)域顯微硬度增大，焊縫中顯微硬度突降點(diǎn)為氣孔所在位置. 接頭垂直方向硬度分布如圖6b所示，黃銅母材硬度較低，界面層和過(guò)渡區(qū)中形成了金屬間化合物相因而其硬度高于焊縫中心區(qū)域，焊縫中氣孔處顯微硬度值變低.

3.2 拉伸性能

對(duì)焊接電流110 A所得接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用拉斷載荷對(duì)接頭的拉伸性能進(jìn)行表征. 接頭拉伸曲線及斷裂位置如圖7a所示，拉伸載荷為875 N，拉伸試樣斷于黃銅側(cè)，表面白色物質(zhì)為粘連的焊縫金屬，可以推測(cè)為過(guò)渡區(qū)或界面層位置. 由前面組織分析可知，接頭中黃銅側(cè)附近形成了金屬間化合物層，過(guò)渡區(qū)中形成長(zhǎng)條狀和塊狀的金屬間化合物相. 由于金屬間化合物硬度較高且脆性大，易導(dǎo)致裂紋等缺陷的萌生因而拉伸時(shí)在此位置斷裂.

圖6 焊接電流為110 A接頭顯微硬度分布

利用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口微觀特征進(jìn)行分析研究，如圖7b所示. 可以看到斷口為解理斷裂，斷口表面較為平坦，存在明顯的解理臺(tái)階和河流花樣. 由于黃銅側(cè)過(guò)渡區(qū)或界面層有金屬間化合物相的形成，再加上較大的焊后殘余應(yīng)力，易形成斷裂的裂紋源. 拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，在外加載荷的作用下，裂紋于此處萌生并隨持續(xù)加載而迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致解理斷裂.

圖7 拉伸斷口形貌及應(yīng)力應(yīng)變曲線