高纯铝与铜爆炸焊接性能分析.pdf

‘5 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第5 期 d o i l o ．3 9 6 9 ／j ．i 豁n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 4 ．0 5 ．0 1 5 高纯铝与铜爆炸焊接性能分析 陈明，万小勇，董亭义，何金江，高岩，吕保国 北京有色金属研究总院有研亿金新材料股份有限公司，北京1 0 0 0 8 8 摘要使用爆炸焊接对高纯铝与铜坯料进行连接，将超声C s c a n 应用于爆炸焊接复合板坯的无损探伤， 并从坯料微观组织和力学性能等方面分析了焊接性能。结果表明，c - s c a n 能够在不破坏板坯的情况下， 全面快速检测爆炸焊合率；焊接完成后，铝板坯晶粒间有条状应力带，热处理后应力带消失且晶粒未异 常长大。爆炸焊接能实现高纯铝与铜的高强度焊接，焊接强度约4 3M P a 。 关键词高纯铝；爆炸焊；超声无损探伤；微观组织 中图分类号T G 4 5 6 ．6文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 4 0 5 一0 0 5 6 一0 4 P e r f o r m a n c eA n a l y s i s0 nI n t e r l a y e ro fH i g hP u r i t yA l u m i n u m a n dC o p p e rB o n d e db yE x p l o s i V eW e l d i n g C H E NM i n g ，W A NX i a o y o n g ，D O N GT i n g y i ，H EJ i n _ j i a n g ，G A OY a n ，L d B a o g u o G e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t ef o rN o n f e r r o u sM e t a l ，G r i k i nA d v a n c e dM a t e r i a l sC oL t d ，B e 巧i n gl O 0 0 8 8 ，C h i n a A b s t r a c t H i g hp u “t ya l u m i n u ma n dc o p p e rw e r eb o n d e db ye x p l o s i v ew e l d i n g ． T h eb o n d i n gp l a t ew a s n o n d e s t r u c t i v et e s t e db yC s c a n ．T h ew e l d i n gp r o p e r t i e so fA 1 ／C uc o m p o s i t ep l a t ew e r ea n a l y z e di nt e r m s o fm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tC s c a n ，a san o n d e s t r u c t i v et e s t i n g m e t h o d ，c a nd e t e c tb o n d i n gq u a l i t yr a p i d l y ． E x i s t i n gi nc o m b i n e di n t e r f a c ea f t e rw e l d i n g ，s t r i ps t r e s s z o n e sd i s a p p e a rw i t hn og r a i ng r o w t ha f t e rh e a tt r e a t m e n t ． E x p l o s i v ew e l d i n gc a nr e a l i z et h es t r e n g t hw e l d b e t w e e nh i g hp u r i t ya l u m i n u ma n dc o p p e rw i t ht e n s i l es t r e n g t ho fc o m b i n e di n t e r f a c eo fa b o u t4 3M P a ． K e yw o r d s h i g hp u r i t ya l u m i n u m ；e x p I o s i V ew e l d i n g ；u l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ；m i c r o s t r u c t u r e 爆炸焊接是爆炸加工新技术中一种特种金属焊 接方法，利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速 碰撞而实现焊接，适合于焊接异种金属，如铝、铜、 钛、镍、钽、不锈钢与碳钢的焊接，铝与铜的焊接 等m ] 。 高纯铝在电子行业有广泛应用，它们通常与铝、 铜等焊接制成产品。由于高纯铝的再结晶温度不超 过3 0 0 ℃，为保证材料的高强度可靠焊接，同时又要 防止材料微观组织在焊接热加工中不发生变异，焊 接一直是研究的重点和难点口] 。目前铝和铜的大面 积连接方法主要有两种，即钎焊和扩散焊接。钎焊 收稿日期2 0 1 3 1 0 一1 6 基金项目国家0 2 重大科技专项 2 0 1 1 z X 0 2 7 0 5 作者简介陈明 1 9 8 0 一 ，男，陕西商洛人，工程师． 焊料一般为I n 、s n 及其合金D ] ，但由于焊料熔点限 制和焊接强度影响，钎焊并不适合铝和铜的高强度 连接。大量研究表明[ 5 1 ] ，扩散焊接能实现铝／铜的 高强度焊接，铝／铜扩散焊接焊前需对金属表面严格 处理，工艺较为复杂，且扩散温度一般都在5 0 0 ℃以 上，在这个温度下高纯铝晶粒会异常长大，影响坯料 性能；同时扩散焊接过程热循环时间长，生产率低， 且焊接工件的尺寸受到设备的限制，大规模生产成 本高，因此需要一种经济化生产并保证连接质量的 大面积高纯铝与铜的焊接方法。 本文采用高纯度铝与无氧铜板坯进行爆炸焊接研 万方数据 2 0 1 4 年第5 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i mm ．c n 。5 7 ’ 究，分析爆炸焊接组织性能，结合超声c s c a n 对爆炸复 合的背板进行无损探伤，评估爆炸焊接的可靠性。 1试验方法 本试验复板为无氧铜坯料，尺寸为4 0 0m m 起爆 4 0 0m m 9m m ，基板材料为超纯铝 9 9 ．9 9 9 ％ 坯料，尺寸为4 0 0m m 4 0 0m m 2 0m m ，复板与基 板均精加工表面，表面粗糙度R a ≤1 ．6p m ，爆炸焊 接时两板平行放置，问距8 ～1 0m m ，选用膨化炸 药，坯料边角处引爆，焊接示意图如图1 所示。 炸药 一 复板l 铜 基板 高纯锌 图1爆炸焊接示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p I o s i V ew e I d i n g 爆炸焊接完成后，对复合坯料进行退火压平，并 采用超声设备进行超声探伤，探伤时使用4 寸1 0 M H z 聚焦探头。 使用0 1 y m p u sB X 5 1 型光学显微镜分析超纯铝 坯料焊接前后的金相组织，用S U 一1 5 0 0 扫描电镜及 其自带E D S 分析焊接后焊接界面微观组织和结合 区的成分，采用C S s 4 4 2 0 0 电子万能拉伸机分析焊 接坯料的结合强度。 2 试验结果及讨论 2 ．1 超声扫描分析 图2 是爆炸焊接坯料超声检测图。图2 a 中A 区为未焊合区，B 区表示已焊合，其中B 区中夹杂着 少量B ’区，B ’区对应的回波强度稍低于B 区，这是 由焊接界面的波峰波谷和中间过渡层对声波反射不 同造成的[ 8 ] 。图中右下角为起爆点，从图上可看到， 坯料焊接方向沿起爆点成放射状展开，起爆点及坯 料边缘焊接质量较差，经计算，去除坯料边角，本次 爆接坯料焊合率≥9 8 ％，焊接质量良好。 为了进一步确认超声检测准确性，分别在图2 a 中的A 区与B 区切取试样，观察其纵截面的金相组 织，结果如图3 所示。从图3 a 可看到，两种坯料未 结合，焊接失效。而图3 b 中的焊接面焊接状况较 好，铝坯料与铜已完全贴合。从上述结果可确定超 声无损探伤能准确检测爆炸焊接坯料的结合情况。 图2 焊接坯料超声检测图 F i g ．2 U l t r a s o n i ct e s t i n go fe x p l o s i V ew e I d i n gb j e t 造成边缘处未焊合的主要原因是爆炸焊接时， 基板和复板之间有一夹角B ，炸药爆炸时产生复板 结合面法向向下的力嘲。根据物理学原理，这个力 分可为使复板下落的分力 使基板和复板结合 和一 个向前作用力，向前作用力对后面复板和基本起到 拉扯作用，当这个拉力作用到坯料边缘时，极可能会 使材料开裂，因此图2 中起爆点及其两侧边缘的焊 合率较差。 一一 矗熊 ／ 万方数据 ‘b 8 。 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第5 期 一一 2 ．2 爆炸焊接界面 爆炸焊接坯料的纵截面形貌如图4 所示。由图 4 可见，爆炸焊接结合界面呈波状 图4 a ，铝坯料与 铜坯料之间有明显的中间过渡层 图4 b ，每个波峰 超声伶测A 【夏 前存在一漩涡，漩涡不仅有气孑L ，裂纹和疏松等缺 陷，还有新生成的金属问化合物和其它小颗粒残留 物质。 中间层的线扫描分析结果如图5 所示。 图3 坯料焊缝组织 F i g ．3 I n t e r f a c i a lm i c r o s t r u c t u r e0 fe x p l o s i v eb o n d i n g j ；jr ∥泌鬻i 鹣黪 ’ 。 l“‘ 瓤簸撼黪擎；秘≯o 。i a 一 藏瀛赫懑妇盛 图4 铝一铜爆炸焊接纵截面宏观形貌 a 和s E M 形貌 b F i g ．4M a c r o s t r u c t u r e a a n dS E Mm o r p h o I o g y b o fI o n g i t u d i n a ls e c t i o no fA l C ue x p I o s i V ew e l d i n g 图5中间层线扫描图 F i g ．5 L i n es c a n n i n go fi n t e r l a y e r 从图5 可看出，铝与铜坯料间互相有扩散，厚度 约为4 0 肚m ，定量分析表明，中间层中铝和铜的原子 百分数分别为6 9 ．5 6 ％和3 0 ．4 4 ％，二者的原子比接 近2 1 ，可确定中间层主要为A 1 C u 。A l 。C u 为脆 性相，由于爆炸焊接界面两侧基体都发生了剧烈的 塑性变形而存在大量残余应力，这就导致局部过厚 的A 1 。C u 层开裂。爆炸焊接在瞬间完成，如果只有 扩散，中间层厚度应该极薄，一般不超过1 肚m ，因此 爆炸焊接界面还有其它反应发生，这可根据爆炸焊 接机制进行分析。爆炸焊接以压力焊为主，同时也 存在有熔化焊和扩散焊机制。在爆炸焊接过程中， 当复板向基板倾斜撞击时，界面两侧薄层金属在切 应力的作用下，在碰撞点上，由于高速倾斜撞击产生 很大的压力，该处的金属受到很大的剪切作用，塑性 剪切功转变成热量，由热传导所消耗的热量只占很 小一部分，大部分热量促使金属温升，在爆炸瞬间， 万方数据 2 0 1 4 年第5 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 9 碰撞区处于近似绝热状态，界面两侧薄层金属温度 急剧升高而使其中一部分熔化，这层熔化了的金属 在塑性变形和波形成的过程中，大部分被推向了漩 涡区，由金属物理学原理可知，在爆炸焊接的过程 中，由于不同金属间的高的浓度梯度，界面两侧不同 的金属在高压、高温、高温下的塑性变形和熔化及其 综合作用的条件下，原子相互发生扩散n ”1 2 3 。当 铝一铜爆炸焊接工艺参数不合适时，必然导致界面 处出现连续熔化区和过厚的扩散层，生成大量脆性 相，导致焊接质量下降。 2 ．3 金相分析 图6 为爆炸焊接前后的金相组织。 图6 铝坯料金相组织 F i g ．6M e t a I I g r a p ho fa l u m i n u mb i I l e t 焊接前铝坯料晶粒等轴均匀 图6 a ，平均晶粒 尺寸约为1 6 4 “m 。焊接后铝坯料的内晶界平直完 整 图6 b ，晶粒尺寸与形貌与焊前无明显差异，但 晶粒内部出现大量应力带，这是由焊接时爆炸产生 的冲击波造成的。应力带的存在会降低靶材性能， 因此必须对坯料进行热处理消除内部残余应力，热 处理后晶粒等轴均匀 图6 c ，晶界完整，应力带消 失，晶粒尺寸约为1 7 3 肚m ，与焊前无明显变化。 爆炸焊接前后硬度测试结果显示，焊前超纯铝 坯料已完全再结晶，维氏硬度约为H V l 3 ；爆炸焊接 后由于应力带的存在导致硬度升高，硬度值约为 H V 2 1 ；焊接坯料热处理后，坯料内应力带消失，大 部分残余应力消除，硬度降低，达到H V l 6 。 2 ．4 拉伸性能分析 爆炸焊接的铝与铜板坯的拉伸曲线见图7 ，坯 料抗拉强度约为4 3M P a ，远高于普通软钎焊的抗拉 强度1 1M P a ，符合高强度焊接需要。 3结论 1 通过超声C s c a n 无损探伤，能够反应爆炸焊 接的结合程度。 2 爆炸焊接存在过渡区，过渡区主要为中间层 A l 。C u 金属间化合物。 3 爆炸焊接后晶粒内部存在大量应力带，导致 铝坯料硬度升高，热处理后应力带消失，坯料硬度值 下降，晶粒尺寸与爆炸焊接前无明显变化。 图7 焊接坯料拉伸曲线 F i g ．7 T e n s i l ec u r V e so fw e l d i n gs a m p l e s 4 采用爆炸焊接，能够实现高纯铝和无氧铜的 高质量焊接。 参考文献 [ 1 ] 郑远谋，黄荣光，陈世红．爆炸焊接和金属复合材料 [ J ] ．复合材料学报，1 9 9 9 ，1 6 1 1 4 2 1 ． [ 2 ] 董亭义，刘小鱼，马万珍，等．管式结晶器爆炸成型试验 研究[ J ] ．工程爆破，2 0 0 4 ，1 0 3 3 1 3 3 ． [ 3 ] 何金江，郭立山，王欣平，等．高纯铝合金与6 0 6 1 铝合 金的电子束焊接[ J ] ．2 0 0 7 ，3 6 1 9 3 3 3 5 ． [ 4 ] G i c k l e rAE ，L e p r e v o s tFH ．T i p sf o rs 0 1 d e r i n ga l u m i n u m [ J ] ．w e l d i n gJ o u r n a l ，2 0 0 4 ，8 3 2 4 6 4 7 ． 下转第6 7 页 万方数据 2 0 1 4 年第5 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y Lb g r i m m ．c n 6 7 由图3 可知，铸态A l M g 合金中只含有A 1 及 A l 。M g 相，而在A l 一1 0 M g 铸造合金中分别加入锆 和钪后，在合金凝固前，形成了具有较高熔点的金属 间化合物A l 。Z r 和A l 。s c ，可以成为非自发结晶的 核心，并且这些粒子还能够阻碍晶粒的长大，使铸态 枝晶分布更弥散、更细小[ 9 ] 。同时，在A l 。Z r 和 A 1 。S c 等金属间化合物形成过程中，锆和钪与铝原 子发生了置换固溶，使纯铝的晶格发生畸变，阻碍了 位错的运动而产生固溶强化。 3结论 1 添加o ．4 ％的钪和o ．3 5 ％的锆，可以显著提 高A 1 1 0 M g 铸造合金的抗拉强度和延伸率，而且钪 对其抗拉强度的影响强于锆，而锆对延伸率的影响 高于钪。 2 在A l 一1 0 M g 铸造合金中加入钪、锆，是通过 细晶强化作用使其力学性能得到改善的。 3 在A l 一1 0 M g 铸造合金中，同时加入o ．4 ％的 钪和o ．2 ％的锆具有更好的综合性能。 参考文献 [ 1 ] 丁宏升，郭景杰，苏彦庆，等．我国铸造有色合金及其特 种铸造技术发展现状[ J ] ．铸造，2 0 0 7 ，5 6 6 5 6 1 5 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h i r z a d iAA ，A s s a d iH ，w a l l a c hER ．I n t e r f a c ee v o l u t i o na n db o n ds t r e n g t hw h e nd i f f u s i o nb o n d i n gm a t e r i a l s w i t hs t a b l eo x i d ef i l m s [ J ] ． S u r f a c ea n dI n t e r f a c eA n a l y s i s ，2 0 0 1 ，3 1 7 6 0 9 6 1 8 ． [ 8 ] F a nY ，S i n c l a i rA ，R y a nC ，e ta 1 ．U l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o no fe x p l o s i v ew e l d s [ C ] ／／U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m ，2 0 0 1I E E E ．A t l a n t a ，G A ，2 0 0 1 ，1 7 7 3 7 7 6 ． 的机理分析[ J ] ．压力容器，2 0 0 8 ，2 5 2 1 4 ． [ 1 0 ] 肖宏滨，朱锦洪，祝要民等．铝／铜爆炸复合板结合界 面的微观观察[ J ] ．洛阳工学院学报，2 0 0 1 ，2 2 4 2 6 2 8 ． [ 1 1 ] 张保奇．一种金属爆炸焊接结合界面的研究[ D ] ． 辽宁大连大连理工大学，2 0 0 5 ． [ 1 2 ] G r i g n o nF ，B e n s o nD ，M e y e r sMA ，e ta 1 ．E x p l o s i v e w e l d i n go fa l u m i n u mt oa l u m i n u m a n a l y s i s ，c o m p u t a t i o n sa n de x p e r i m e n t s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fI m p a c tE n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ，3 0 1 0 1 3 3 3 1 3 5 1 ． 万方数据