电磁脉冲焊接铜铝异种材料接头的组织与性能分析

张杰

（枣庄科技职业学院，山东滕州277500）

电磁脉冲焊接铜铝异种材料接头的组织与性能分析

张杰

（枣庄科技职业学院，山东滕州277500）

采用电磁脉冲焊接方法，进行T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料焊接试验，并测试与分析了显微组织、物相组成、表面硬度和力学性能。结果表明，该方法可获得较高质量的焊接接头，接头抗拉强度为137 MPa，达到LF21防锈铝母材的110%，达到T3纯铜母材的51%；焊接接头由α-Al固溶体相、Cu相和CuAl2相组成。

电磁脉冲焊；异种材料焊接；T3纯铜；LF21防锈铝；焊接接头

0 前言

随着科技的进步，异种材料在同一产品中越来越多地被采用。然而，异种材料的连接成为了一个重要的技术难题。焊接是金属材料连接的一种有效途径，对于铜、铝等有色金属而言，常规的熔化焊往往极易导致焊接接头存在气孔、孔洞、热裂纹、夹杂等焊接缺陷[1-4]。电磁脉冲焊是一种通过强大的电磁压力来实现可靠连接的常温固相焊接工艺，在焊接有色金属方面具有常规熔化焊难以比拟的优点。但是，目前关于铜铝异种材料的电磁脉冲焊研究还鲜有报道。在此尝试采用电磁脉冲焊方法进行T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料焊接试验，并测试与分析接头的显微组织、表面硬度和力学性能。

1 试验材料与方法

1.1 试样材料

母材为T3纯铜与LF21防锈铝，尺寸φ16mm× 100 mm。采用EDX1800C型X射线荧光光谱仪检测母材化学成分，检测结果如表1所示。母材的室温力学性能如表2所示。

1.2 试验方法

采用电磁脉冲焊方法，在自制的电磁脉冲焊机上进行T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料焊接工艺试验。电磁脉冲焊的工作原理如图1所示。根据电磁感应定律，脉冲电流通过一种特殊线圈时将产生交变磁场，并且在外层加工零件内产生感应电流，感应电流产生的磁场与线圈磁场相互作用，线圈和外圈零件之间就出现斥力，最终导致外圈加工零件以较高的运动速度向内圈加工零件贴合而成形焊接[5]。T3纯铜与LF21防锈铝的电磁脉冲焊焊接工艺过程如图2所示。电磁脉冲焊的工艺参数如表3所示。

表1 母材化学成分Tab.1 Chemical composition of base metals%

表2 母材室温力学性能Tab.2 Mechanical properties of base materials at room temperature

图1 电磁脉冲焊工作原理Fig.1 Working principle of electromagnetic pulse welding

采用GX18型金相显微镜和JSM6510型扫描电子显微镜观察T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料电磁脉冲焊接头的显微组织。采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪对接头的物相组成进行分析，测试时扫描速度为4°/min、扫描范围为10°～90°、选用Cu靶。采用HV-1000型显微硬度计测试接头的硬度分布。采用HY-932型拉伸试验机测试接头的室温力学性能，并采用SEM6510型扫描电子显微镜观察断口。

图2 电磁脉冲焊工艺流程Fig.2 Electromagnetic pulse welding process

表3 电磁脉冲焊工艺参数Tab.3 Electromagnetic pulse welding process parameters

2 试验结果及讨论

2.1 显微组织

T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料电磁脉冲焊接头的显微组织金相照片和SEM照片分别如图3和图4所示。由图3和图4可以看出，在本试验工艺条件下，T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料电磁脉冲焊接头无明显的裂纹、夹杂、气孔等缺陷，接头质量较好。焊缝区材料呈网状分布。

图3 电磁脉冲焊接头显微组织金相照片Fig.3 Microstructure photomicrographs of electromagnetic pulse welding joint

2.2XRD分析

T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料电磁脉冲焊接头的XRD图谱如图5所示。由图5可知，该异种材料的电磁脉冲焊焊接接头由α-Al固溶体相、Cu相和CuAl2相组成。

图4 电磁脉冲焊接头显微组织SEM照片Fig.4 Microstructure SEM photo of electromagnetic pulse welding joint

图5 接头XRD图谱Fig.5 XRD patterns of the joint

2.3 硬度分布

T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料电磁脉冲焊接头的硬度分布如图6所示。由图6可知，上述异种材料的电磁脉冲焊焊接接头的硬度在LF12防锈铝一侧出现最大值（118 HV），这主要是因为在靠近防锈铝基体一侧生成了较多的金属间化合物。此外，由图6还可知，在接头两侧反应区的硬度变化较为明显，这是因为T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料在电磁脉冲焊接过程中材料组元相互扩散，在焊缝两侧发生了剧烈的置换反应，生成α-Al固溶体相或化合物相CuAl2。T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料通过电磁脉冲焊接形成了具有良好综合性能的焊接接头。

2.3 力学性能

T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料电磁脉冲焊接头的室温力学性能测试结果如图7所示。由图7可知，采用电磁脉冲焊方法获得的T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料焊接接头抗拉强度为137 MPa，达到LF21防锈铝母材抗拉强度的110%，达到T3纯铜母材抗拉强度的51%。接头的屈服强度为60 MPa，达到LF21防锈铝母材屈服强度的102%，达到T3纯铜母材屈服强度的88%。由此可见，该异种材料电磁脉冲焊接头具有较佳的力学性能。图8是该异质材料接头的室温拉伸断口SEM照片。由图8可知，T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料电磁脉冲焊接头室温拉伸断口由较多拉长的韧窝和解理台阶构成，表现为明显的韧性断裂与脆性断裂的混合断裂特征。

图6 接头硬度分布Fig.6 Distribution of the joint

图7 接头力学性能测试结果Fig.7 Test results of joints performance

3 结论

（1）采用电磁脉冲焊接方法，可以获得较高质量的T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料焊接接头，接头抗拉强度为137 MPa，达到LF21防锈铝母材抗拉强度的110%，达到T3纯铜母材抗拉强度的51%；接头屈服强度为60MPa，达到LF21防锈铝母材屈服强度的102%，达到T3纯铜母材屈服强度的88%。

图8 试样4接头拉伸断口形貌SEM照片Fig.8 SEM images of the sample 4 joint tensile fracture

（2）T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料电磁脉冲焊焊接接头由α-Al固溶体相、Cu相和CuAl2相组成。

（3）T3纯铜与LF21防锈铝的电磁脉冲焊接头在LF12防锈铝一侧出现硬度最大值（118 HV），且在接头两侧反应区的硬度变化较为明显，这主要是因为T3纯铜与LF21防锈铝的异种材料在电磁脉冲焊接过程中材料组元相互扩散，在焊缝两侧发生了剧烈的置换反应，生成α-Al固溶体相或化合物相CuAl2。

[1]Ouyang Jiahu，Yarrapareddy Eswar，Kovacevic Radovan. Microstructural evolution in the friction stir welded 6061 aluminum alloy(T6-temper condition)to copper[J].Jounral of Materials Processing Technology，2011，272（3）：110-122.

[2]Wu Chaoyun，Zhang Jin.State-of-art on corrosion and protection of magnesium alloys based on patent literatures[J]. Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2011（21）：892-902.

[3]吕赞，王琳，岳玉梅，等.搅拌头压入速度和停留时间对2024铝合金搅拌摩擦焊接温度场的影响[J].热加工工艺，2013，42（1）：171-173.

[4]王春炎，曲文卿，姚军山，等.2219-T87铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能[J].焊接学报，2010，31（10）：77-80.

[5]Lee Won-Bae，Bang Kuek-Saeng，Jung Seung-Boo.Effects of intermetallic compound on the electrical and mechanical properties of friction welded Cu/Al bimetallic joints during annealing[J].Jounral of Alloys and Compounds，2012，590（5）：212-219.

Microstructure and properties analysis of welded joints of electromagnetic pulsed welding for Copper/Aluminum dissimilar materials

ZHANG Jie
（Zaozhuang Vocational College of Science and Technology，Tengzhou 277500，China）

Welding tests of T3 fine copper and rust-proof aluminum LF21 dissimilar materials are conducted by electromagnetic pulsed welding method，and the microstructure，phase composition，surface hardness and mechanical properties are tested and analyzed. The results show that this method can achieve high-quality welded joints，and the joint tensile strength is 137 MPa，reaching 110% tensile strength of LF21 rust-proof aluminum base material，and 51%tensile strength of T3 copper base metal；welded joints comprise α-Al solid solution phase，Cu phase and CuAl2phase.

electromagnetic pulsed welding；dissimilar welding materials；T3 fine copper；LF21 rust-proof aluminum；welded joints

TG249.2

：A

1001-2303（2015）09-0185-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.42

2014-11-14

全国教育科学规划教育部重点课题（GKA113007）

张 杰（1974—），男，山东滕州人，讲师，学士，主要从事电磁脉冲的研究工作。