预热辅助下超声滚焊异种材料连接工艺

周荣稳 李昌徽

摘要： 在Al/Cu异种材料焊接时，由于本身性能有较大差别，特别是物理和化学性能，这是焊接的困难所在，固相焊中的超声波滚焊焊接方法特别适合异种材料的焊接。文中采用TIG电弧预热减小焊接时工件温差和超声波滚焊工艺结合在一起使用，此方法下，TIG电弧的预热和超声波振动机械能的共同作用可以有效提高该焊接方法的焊接能力。在试验的过程中改变输入的电流值，对各种参数下的异种材料滚焊接头进行全面的比对分析，发现异种材料之间的超声波滚焊过程是一种基于焊接区金属充分贴合、塑性变形、机械嵌合及界面区原子扩散与键合等作用的焊接过程，实现了Al/Cu异种材料超声波滚焊连接。

关键词： Al/Cu异种材料; TIG电弧预热; 超声波滚焊; 机械嵌合

中图分类号： TG 44

Abstract： In the Al/Cu dissimilar materials welding， because their own performance is quite different， especially the physical and chemical properties， which is welding difficulties. Ultrasonic rolling welding in solid phase welding is especially suitable for welding heterogeneous materials. In this paper， TIG arc preheating is adopted to reduce the temperature difference between the workpiece and ultrasonic rolling welding process. Under this method， the joint action of the preheating of TIG arc and the mechanical energy of ultrasonic vibration can effectively improve the welding capacity of this welding method. Changing the input current value in the process of the test results， the various parameters of rolling dissimilar materials welding head to conduct a comprehensive comparative analysis， it is founded that ultrasonic seam welding process between dissimilar materials is a kind of based on fully joint weld zone metals， plastic deformation and mechanical chimeric and atomic diffusion in the interface area and the bonding effect of welding process， which realizes the Al/Cu ultrasonic seam welding of dissimilar materials.

Key words： Al/Cu heterogeneous materials; TIG arc preheating; ultrasonic rolling welding; mechanical chimeric

基金項目：国家自然科学基金项目（50628506，50705049）

0 前言

在Al/Cu异种材料焊接时，成功案例和经验较少，实际应用中两者焊接特别困难。超声波滚压焊接方法属于固相焊的一种，实际应用技术成熟，适合焊接异种材料，但是固相焊并不容易实施影响了应用范围[1]。TIG电弧的预热可以提高超声波滚压焊的焊接质量和应用范围。文中探究不同焊接速度下的Al/Cu异种材料超声波滚焊工艺，为获得超声波焊接速度和电流值的最佳配合，在一定速度下改变电流值进行焊接试验。通过对试件进行物象成分、组织特征、接头力学性能等分析，进而了解Al/Cu异种材料的焊接特点和工艺要求，并研究Al/Cu异种材料的连接的机理。

1 焊接材料、焊接设备及焊接方法

1.1 焊接材料

试验所选材料为6061铝合金、T2紫铜板材，板材尺寸规格都为150 mm×70 mm×1 mm。

1.2 试验设备

采用TIG电弧预热辅助超声波滚焊焊接工艺[2]，使用的TIG设备为德国雷姆生产的240-450AC/DC氩弧焊机，该氩弧焊机是一台多功能数字化焊机，预热能力强，可进行脉冲焊接。试验用超声波滚焊焊接机主要构成部件有：2 kW超声波发生器、自制焊接平台和夹具、空气压力机等工装，其中超声波发生系统包括：20 kHz超声波发生器、换能器、旋转压头。焊机机构如图1所示。

1.3 焊接方法

由于铝合金比铜合金要软，所以在本焊接工艺中，铝合金板材需要置放于铜合金板材上面。两板材的搭接长度为20 mm以保证超声波滚焊焊头完全作用于两板材重叠区域[3]。

2 试验结果与分析2.1 TIG电弧预热辅助的Al/Cu超声波滚焊工艺参数的确定  焊接速度过快过慢都会影响焊接的质量[4]，筛选焊接效果较好的焊接速度 3 mm/s作为基本速度，焊接工艺参数见表1。

2.2 不同电流值下的Al/Cu接头成形特点

选取TIG电流为20 A，25 A，30 A下的D2，D3和D4三种典型的焊接接头进行观察比较，从图2中很明显的可以看出，由于电流的增加，更多的热量传递给铝合金，导致铝合金在不同程度上产生软化，在机械振动、热量和压力的共同作用下，铝合金与超声波滚焊焊头发生粘结，在铝合金材料表面留下较深的痕迹，甚至造成材料的破坏。

2.3  不同电流值下的Al/Cu接头界面区组织特征

2.3.1 界面区形貌特征

当TIG电流比较小时，仅仅依靠超声波的振动作用不足以使得Al/Cu板材发生较大的塑性变形，两者连接界面无明显的波纹状产生[5]，接头搭接区并没有完全结合，以至部分区域有未连合裂纹的出现，如图3a所示。随着电流的增大，Al/Cu界面发生了明显的塑性变形，以彼此起伏的波浪状互相嵌入，由于界面区原子扩散与键合，界面结合程度明显提高，如图3b所示。当电流达到30 A时，母材之间的互相嵌入程度进一步增大，这有助于母材之间形成更为有效稳定的连接。

2.3.2 界面区组织特征

接头的强度与质量取决于界面区组织构成，对Al/Al及Al/Cu界面层进行了EDX能谱分析，对中所示的位置进行了元素分析，从而可以详细分析各个参数下界面区组织构成，如图4所示，通过15 A与30 A的能谱分析对比发现，大电流的即30 A的比小电流的即15 A的不管是铝元素还是铜元素都下降的比较平缓，这说明在大电流下扩散比较大，上部分的形貌图可以很好地说明这一点。

2.3.3 二次电子分析

文中仅对金相组织和拉伸试验效果较好的参数下所得的试件进行了二次电子扫描，图5所示的即为20 A电流的参数下试验所得试件的断口形貌[6]。

从图5中可以看到，不管是铝侧还是铜侧在撕裂口的表面存在排列较密的撕裂棱，在撕裂棱之间还存在着一些韧窝，韧窝是焊接接头韧性断裂最主要的断口形貌，其形成的过程包括纤维空洞生核、长大、聚集直至断裂，故其线拉伸强度数值比较高，通过观察可以发现个别的区域发生了粘连，说明在该参数下扩散的较剧烈，连接质量也较好。

2.3.4 不同电流值下的Al/Cu接头力学性能及断口分析

静载拉伸试验测量结果如图6所示。由以上试验结果分析可以看出，在一定的焊接速度下，随着TIG电流值的增大，焊接接头的强度也跟着也相应增大，当电流值为35 A时接头强度达到最大，拉力约1.712 kN，但界面处温度过高，母材接触面发生了熔化现象[7]。由以上分析可知，随着电流值的增加，在超声波振动的摩擦与压力下，搭接区提高了结合强度。利用TIG电弧预热与超声波滚焊相结合的焊接工艺大大增强了超声波焊接技术对异种材料的焊接能力，实现了有效连接。

2.3.5  断口分析

图7显示的是AlCu搭接接頭拉伸试验后断裂宏观[8]，所有的断裂形式都如图中显示的那样，另外部分试件没有产生横向断裂，只发生了纵向撕裂，断裂发生在焊接界面区。焊接界面区在超声波滚焊焊头的作用下，边界有着明显的压痕，并且焊接区中心的颜色也不同于周围母材区。由此可以看出随着电流的增大，铜板上粘连扩散的铝更多。

3 结论

TIG电弧的预热和超声波振动机械能的共同作用可以有效提高该焊接方法的焊接能力，并利用该方法实现了Al/Cu异种材料的连接。可以得出以下主要结论：

（1） Al/Cu异种材料焊接时利用TIG电弧预热与超声波滚焊相结合的焊接工艺大大增强了超声波焊接技术对异种材料的焊接能力，使厚度为1 mm板状Al/Cu异种材料之间的实现了有效连接。

（2） 变化不同的焊接速度，在选取的合适的速度下（3 mm/s），分别对各种参数下的 Al/Cu异种材料滚焊接头进行全面的比对分析，发现 Al/Cu异种材料之间的超声波滚焊过程是一种基于焊接区金属充分贴合、塑性变形、机械嵌合及界面区原子扩散与键合等作用的焊接过程。

参考文献

[1] 朱政强， 吴宗辉， 范静辉. 超声波金属焊接的研究现状与展望[J]. 焊接技术， 2010， 39（12）： 1-6.

[2] 李亚江，王娟. 异种难焊材料的焊接与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2004.210-212.

[3] 王叶， 陈斌. 超声波焊接原理及其工艺研究[J]. 科技创业家， 2013（7）： 158-158.

[4] 刘积厚. TIG 电弧预热辅助下的 Al/Mg 异种金属超声波滚焊工艺研究[D]. 哈尔滨工业大学， 2014.

[5] 曲文卿， 董峰， 齐志刚， 等. 异种材料的连接[J]. 航天制造技术， 2006（3）： 44-49.

[6] Aritoshi M，Okita K，Enjo T，et al. Friction welding ofoxygen free copper to pure aluminum [J]. Quarterly Journalof the Japan Welding Society，1991，9（4）： 3-10.

[7] 吴永智， 宁立芹， 毛建英，等. Al/Cu异种接头钎焊扩散焊的研究进展[J]. 新技术新工艺， 2010（6）：56-58.

[8] 美国金属协会. 有色合金及纯金属[M]. 北京： 机械工业出版社，1994.