镀镍层对铜铝金属间化合物的影响

张璐瑶,武小娟,孙焕焕,郑成博,王 聪

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院,沈阳 110159)

铜和铝都具有强氧化性,焊接时易在接头处形成硬而脆的金属间化合物,使接头易发生脆断,降低接头的力学性能[1-2]。金属间化合物的类型、数量、形态及分布均对接头的性能有影响[3]。因此,减少及避免金属间化合物的产生及控制其生长成为铜铝异种金属焊接的关键。

冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)具有热输入小、焊接变形小、无飞溅、焊缝均匀一致等特点,特别适合薄板连接[4]。Contreras R等[5]采用CMT焊接技术对铝-镀锌低碳钢进行焊接,结果表明,采用CMT焊接将铝合金连接到镀锌低碳钢是可行的。李镇等[6]研究了镀镍层对铝/钢异种金属激光焊接质量的影响,表明镀镍层能有效阻止铝铁间扩散反应,为铜铝的焊接提供了新思路。化学镀镍可有效提高铜的耐磨性及腐蚀性[7-9],具有不受形状限制、操作简便、可控性强等优点。本文采用CMT焊接技术对铜板和铝板进行搭接实验,通过对铜板进行表面化学镀镍,研究镀镍层对金属间化合物的厚度及焊缝力学性能表现的影响。

1 试验材料

试验材料为T2和Al1060薄板,尺寸为200mm×100mm×2mm,采用CMT焊接方法搭接成形,两种材料成分见表1。焊前需对T2铜板进行镀镍处理,对不同镀镍层厚度下的铜板进行焊接。

表1 Al1060与T2板的质量分数 wt%

1.1 化学镀镍工艺

化学镀镍镀液配方如表2所示。镀前处理方法为:砂纸打磨→除油除锈→热水洗→酸洗(体积分数30%HCL,酸洗3min,温度25℃)→冷水洗→活化(酸性氯化钯溶液)→水洗→化学镀镍(pH=11,温度90℃)。

表2 化学镀镍配方

1.2 CMT焊接

将铝板搭接在铜板上并固定在实验平台的夹具上,采用TransPlus Synergic 4000 型CMT焊机进行焊接。焊接时,采用直径φ1.2mm 的铝硅焊丝ER4043作为填充金属,并用氩气保护,焊接参数如表3所示。

表3 焊接参数

1.3 形貌与物相分析

运用倒置金像显微镜、日立公司S-3400N扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)等仪器,对不同镀镍层厚度下焊接所得的接头进行形貌及物相分析。

1.4 力学性能测试

使用AG-250KNE万能试验机对接头试样进行拉伸,焊缝位于拉伸试样中心,拉伸速率为0.5mm/min。

2 结果与分析

2.1 镀镍层厚度及表面形貌分析

利用金相显微镜对不同镀镍时间下试样进行镀镍层厚度检测,用扫描电子显微镜(SEM)对不同镀镍时间下的镀镍试样表面形貌进行观察,如图1所示。

图1可见试样截面具有明显的镀镍层,试样与镀镍层结合紧密且具有明显的分界线。镀镍时间20min的试样镀层平均厚度是2.09μm;镀镍时间40min的试样镀层平均厚度是6.36μm;镀镍时间60min的试样镀层平均厚度是5.39μm。结合镀层形貌变化可知,在40min前随着镀镍时间的增加,镀层厚度增加,镀层形貌呈花状;但施镀时间超过40min后,镀层厚度反而开始下降,且镀层形貌花状物明显粗大;这是因为随着镀镍时间的增加,溶液中镍离子减少,同时由于镀液pH值降低,导致反应速率的降低,出现逆反应或其它副反应;在镀镍后期,镀液颜色发生改变,铜板镀镍层明显变色,铜板表面出现黑色的氧化镍杂质,使镀层厚度减小,表面形貌粗大。

图1 镀镍层截面厚度与镀层形貌

2.2 焊接接头组织形貌及物相分析

将焊接后的接头部分切成5mm×10mm的试样,用电子显微镜进行显微观察,不同镀镍时间下接头组织形貌如图2所示。

图2 焊接接头处组织形貌

由图2可以看出,焊接接头处靠铜侧存在向焊缝内部生长的连续致密的金属间化合物,且随着镀层厚度的变化,金属间化合物的厚度呈现一定的变化趋势。当镀层厚度由2.09μm增加至6.36μm时,焊接接头处的金属间化合物厚度由28.17μm减少至17.05μm;当镀层厚度由6.36μm减少至5.39μm时,接头处金属间化合物厚度由17.05μm增加至22.66μm。结果表明,焊接接头处金属间化合物的厚度随着镀镍层厚度的增加而减少。为进一步确认焊接接头处金属间化合物的组成,对该区域进行物相分析,其结果如图3所示。

由图3可知,焊接接头中存在Cu3.8Ni、Al3Ni2两种含镍相。表明镍层与铜铝形成固溶体与化合物,有效地阻断了铜铝之间的相互扩散;镍层厚度的增加致使接头处镍含量增加,增大了镍与铜铝形成固溶体与化合物的概率,减少了铜铝间金属化合物的形成。

图3 接头物相分析结果

2.3 焊接接头拉伸性能测试

为检测铜铝焊接接头的力学性能,对接头进行拉伸试验。将焊好的试样切割成25mm×100mm的拉伸试样。不同镀层厚度下接头的平均抗拉强度如表4所示。

表4 不同镀层厚度下接头的平均抗拉强度

由表4可知,镀镍层厚度为2.09μm的试件平均最大抗拉强度为46MPa;随着镀镍层厚度增加至6.36μm时,平均最大抗拉强度为70.77MPa,接近母材Al1060的平均最大抗拉强度(78MPa);试件在铝侧拉断而焊接接头没有断裂。结合物相分析结果,镀镍层的存在有效减少了接头处金属间化合物的形成,金属间化合物厚度小,脆性小,且因为焊接热影响区的存在,会使处于热影响区的Al1060的抗拉强度发生改变。因此当镀镍层厚度达到6.36μm时,试件在铝侧焊接热影响区处发生断裂。

3 结论

(1)随着镀镍时间的增加,镀层厚度逐渐增加;但当镀镍时间超过40min,随着镀镍时间的增加,镀层厚度逐渐下降。镀镍40min时,镀层厚度最大为6.36μm。

(2)随着镀镍层厚度的增加,焊接接头处金属间化合物的厚度减小,镀镍层厚度最大为6.36μm时,接头处金属间化合物厚度最小为17.05μm。物相分析表明在接头处存在Cu3.8Ni、Al3Ni2两种含镍相。镍层与铜铝形成固溶体与化合物,有效地阻断了铜铝之间的相互扩散。

(3)当镍层厚度为6.36μm时,焊接接头平均最大抗拉强度为70.77MPa,接近母材Al1060的抗拉强度,且在铝侧热影响区处断裂,接头呈现出良好的抗拉性。