Sn基釬料的Zn含量對純鋁超聲釬焊接頭組織和性能的影響

　　摘要：使用Sn基釬料對純鋁進行超聲釬焊，研究了釬料中含Zn量對接頭顯微組織和力學性能的影響。結果表明，超聲振動使釬料中發(fā)生空化效應，大量空化泡的潰滅在2 s內去除純鋁表面的氧化膜，形成無缺陷的接頭。母材被空蝕后進入釬縫，不同釬料對釬縫中鋁的溶解程度不同，因此釬縫中的鋁呈現(xiàn)不同的形貌。當使用Sn-9Zn釬料時，釬縫中的富Zn相長度較大，釬縫內鋁的含量較低;隨著釬料中含Zn量的增加，釬縫中富Zn相變粗大，且釬縫中鋁的含量逐漸增大。接頭的抗剪強度和硬度隨著釬料中含Zn量的增加而升高，在使用Sn-30Zn釬料時獲得接頭的最高抗剪強度為66.4 MPa，硬度為 HV 56。

　　關鍵詞：超聲釬焊;聲空化;空蝕;溶解;抗剪強度

　　《振動.測試與診斷》是由國防科工委主管，全國高校機械工程測試技術研究會和南京航天大學聯(lián)合主辦，是反映振動、動態(tài)測試及故障診斷學科領域的科研成果及其應用情況的技術性刊物。

　　0 前言

　　隨著能源短缺和環(huán)境污染等問題的日趨嚴重，各輕質合金如鋁合金、鎂合金的應用也越來越廣泛。在現(xiàn)代制造業(yè)中，諸多復雜結構件的使用勢必會涉及到鋁合金的焊接問題。使用傳統(tǒng)熔焊方法焊接鋁合金容易導致接頭變形大、殘余應力高，且容易產(chǎn)生氣孔和裂紋等缺陷，接頭性能較低[1-2]。

　　超聲釬焊是20世紀50年代興起的一種焊接方法[3]，它利用液態(tài)釬料在經(jīng)歷超聲波振動時產(chǎn)生的聲空化現(xiàn)象去除母材表面的氧化膜，可在極短的時間內完成焊接[4]。超聲釬焊不僅可以焊接傳統(tǒng)的金屬材料，還可焊接表面能極低的陶瓷和藍寶石等材料[5-6]。除此之外，由于母材不熔化，超聲釬焊接頭的變形很小。因超聲波的加載位置靈活，超聲釬焊可焊接傳統(tǒng)焊接方法難以焊接的復雜構件。自超聲焊接發(fā)明以來，諸多學者將其應用到鋁合金、鈦合金和異種合金的焊接中。Li Yuanxing等人[7]使用Sn釬料對2024鋁合金進行超聲釬焊，結果發(fā)現(xiàn)在超聲波的作用下，釬縫中的含鋁量為3.2%，高于300 ℃時鋁在Sn中的極限溶解度。Xu Zhiwu等人[8-9]在半固態(tài)溫度下對鋁鎂異種合金進行超聲焊接，發(fā)現(xiàn)釬料在半固態(tài)溫度下仍可去除母材表面的氧化膜，完成焊接。Ji Hongjun等人[10]使用Al箔對Al2O3陶瓷進行焊接，結果發(fā)現(xiàn)在700 ℃條件下，90 s內形成的接頭強度高于100 MPa。

　　Sn基釬料因其熔點低、強度較高、不與鋁反應生成金屬間化合物等優(yōu)點而被廣泛應用到鋁合金的焊接過程中[11-12]。文中利用Sn基釬料熔點較低的優(yōu)點對純鋁進行低溫焊接，通過改變釬料中的含Zn量研究其對接頭組織和性能的影響。

　　1 試驗材料與方法

　　試驗過程中選用的母材為3 mm厚的純鋁。焊前，將母材切成50 mm×10 mm的長條并用砂紙進行打磨，而后將鋁放入丙酮內進行超聲清洗10 min。焊接過程中兩鋁板搭接放置，搭接寬度為20 mm;兩板之間的間隙為0.5 mm。釬料成分為Sn-9Zn，Sn-16Zn和Sn-30Zn。圖1為焊接過程示意圖。焊接試驗開始前，將釬料放置在兩板間隙附近，而后加熱;當溫度達到釬料熔點以上20 ℃左右時(三種釬料的焊接溫度分別為220 ℃，257 ℃，330 ℃左右)，施加超聲波振動;此時熔融的釬料會以極快的速度填入兩板間隙中。在焊接過程中所采用的設備型號為UPM-U-P1010A01 超聲波焊接系統(tǒng)，其最大功率為1 000 W。超聲工具頭以0.36 MPa的壓力和20 kHz的振幅運行，超聲施加時間為2 s。整個試驗過程在大氣環(huán)境中進行。

　　試驗結束后，使用電火花線切割機制備金相試樣和抗剪試樣。金相試樣經(jīng)過打磨和拋光后在型號為FEI-Quanta 200F的掃描電鏡上觀察接頭組織。接頭的硬度在型號為HVS-1000的硬度計上測量，測量過程中施加的載荷為1.96 N，保壓時間為10 s。室溫抗剪試驗在型號為Instron-5569 的電子萬能試驗機上進行，加載速度為1 mm/min。

　　2 試驗結果與分析

　　2.1 微觀組織

　　2.1.1 使用Sn-9Zn釬料所得接頭組織

　　0圖2為使用Sn-9Zn所得接頭的組織形貌。從圖2a可以看出，接頭內部無肉眼可見的缺陷，鋁/釬料的彎曲界面意味著鋁表面的氧化膜已被完全去除。釬縫內分布著灰色的、細長的相，幾乎貫穿整個釬縫。圖2b為釬縫邊緣處的顯微組織?？梢钥闯?，在鋁/釬料的界面處分布著許多向釬縫內部生長的固溶體。EDS的測試結果表明，該固溶體含有96.1% (原子分數(shù))的鋁，推測其為鋁基固溶體。從圖2可以看出，此時鋁基固溶體的尺寸小于20 μm。靠近釬縫邊緣處，可見尺寸較大的富Zn相。EDS結果表明，此富Zn相含有97.3%的Zn，2.5%的Al和0.2%的Sn。

　　圖2c為釬縫中心的顯微組織。釬縫內部分布著近似圓形的鋁顆粒，尺寸大約為20 μm，鋁顆粒位置靠近富Zn相。此處鋁顆粒的元素含量較鋁/釬料界面處明顯不同。EDS結果表明，此處鋁顆粒含80.2%的鋁、1.5%的Sn和18.3%的Zn。從圖2a可以看出，鋁顆粒在釬縫下方分布較多，其原因可能是超聲直接施加在下板導致下板振動較強，從而產(chǎn)生的空蝕效果較強所致。

　　2.1.2 使用Sn-16Zn釬料所得接頭組織

　　圖3為使用Sn-16Zn釬料所得接頭組織形貌。圖3a為使用Sn-16Zn所得接頭的橫截面形貌。釬縫內部密集地分布著富Zn相和鋁顆粒，且鋁顆粒仍然在釬縫下方分布較密集。與使用Sn-9Zn所得接頭不同的是，使用Sn-16Zn所得接頭內部的富Zn相的長度明顯較短，但分布更加均勻。從圖3a可以看出，使用Sn-16Zn釬料時釬縫內溶解的鋁元素更多，其原因可能是使用Sn-16Zn釬料時焊接溫度較使用Sn-9Zn時更高，此時母材的抗空蝕能力減弱，因此被空化破壞和溶解的程度更大。圖3b為釬縫邊緣處的顯微組織。此時鋁/釬料界面的鋁基固溶體的尺寸明顯變大，且分布更加均勻，在界面處幾乎呈連續(xù)分布的狀態(tài)。圖3c為釬縫中心的顯微組織形貌。富Zn相和鋁顆粒均彌散分布，但二者的尺寸均較圖2c明顯變小。

　　2.1.3 使用Sn-30Zn釬料所得接頭組織

　　圖4為Sn-30Zn釬料所得接頭組織形貌。圖4a為使用Sn-30Zn所得接頭的橫截面形貌。從圖4可以看出，上板處鋁/釬料界面的彎曲程度更大，這說明母材被空蝕的程度更明顯，此結果和高溫條件下母材的抗空蝕能力變弱有關。整個釬縫中密集分布著富Zn相和鋁顆粒，且這二者的密度較使用其它兩種釬料所得接頭的密度更大。圖4b為釬縫邊緣處的顯微組織，此處形貌與使用Sn-16Zn所得相貌相似，均是尺寸較大且?guī)缀踹B續(xù)分布的鋁基固溶體。圖4c為釬縫中心處的組織形貌。除彌散分布的富Zn相之外，焊縫中心還密集分布著許多尺寸極小的鋁顆粒，且此處鋁顆粒被釬組織料溶解的程度更加嚴重。

　　由此，可以推測出超聲釬焊過程中母材先被空蝕而后被溶解的過程[7]。首先，在超聲波振動作用下，液態(tài)釬料內部產(chǎn)生空化泡;在經(jīng)歷一個或幾個超聲周期后，空化泡會潰滅;空化泡潰滅產(chǎn)生的局部極端現(xiàn)象(高溫、高壓)會對母材表面產(chǎn)生空蝕破壞，使得鋁基體被打碎，流入到釬料內部。由于鋁和鋅具有極好的互溶度，進入釬縫內部的鋁會逐漸被釬料溶解。隨著釬料中含Zn量的增加，釬料對鋁的溶解能力逐漸變強，因此釬縫內鋁顆粒的尺寸逐漸變小，如圖2c、圖3c和圖4c所示。

　　2.2 力學性能

　　2.2.1 接頭硬度

　　圖5為使用不同釬料所得接頭釬縫內部的硬度值。母材(純鋁)的硬度約為HV 40。純Sn的硬度較低，僅為HV 20 左右[13]。如圖5所示，當釬料中加入Zn元素時，釬縫的硬度明顯升高，可見Zn元素能夠起到強化釬縫的作用。當使用Sn-9Zn釬料時，釬縫內硬度約為HV 23，當測量點位于富Zn相時，硬度值約為HV 30;釬縫硬度隨著焊Zn量的增加而提高，當使用Sn-30Zn時，釬縫內硬度可達到HV 56。釬縫內硬度提高的另外一個因素可歸因于釬縫中溶解的Al顆粒。郭衛(wèi)兵[14]的試驗結果表明，在超聲釬焊中，氧元素可通過三相界面處進入釬縫內部，與釬縫中溶解的鋁反應，在其表面生成一層Al2O3層，起到強化釬縫的作用。因此，釬焊接頭的硬度隨著釬縫中含Al量的增加而提高。

　　2.2.2 接頭抗剪強度

　　圖6為使用不同釬料所得接頭的抗剪強度。當使用Sn-9Zn釬料時，接頭的抗剪強度為49.8 MPa;接頭的強度隨著釬料中含Zn量的增加而增大，當使用Sn-16Zn釬料時，接頭的強度為56.6 MPa，接頭的抗剪強度在使用Sn-30Zn釬料時最高，為66.4 MPa。接頭強度的提高可歸結為以下兩個原因;①釬縫中含Zn量的增加可起到強化接頭的作用;②鋁顆粒的細化起到的強化釬縫強度的作用。如圖4c所示，當使用Sn-30Zn釬料時，釬縫內鋁顆粒的尺寸極小，可對釬縫強度的提高起到一定的作用。

　　圖7為使用Sn-9Zn所得接頭的斷裂位置和斷口形貌。如圖7a所示，當使用Sn-9Zn釬料時，裂紋沿著釬縫內部擴展，此結果意味著釬縫/母材界面的強度較高。裂紋的擴展無明顯的規(guī)律，穿過富Zn相、Sn-Zn共晶和細小的Al顆粒。圖7b為接頭的斷口形貌，可觀察到細小的韌窩結構和明顯的撕裂棱。

　　圖8為使用Sn-16Zn所得接頭的斷裂位置和斷口形貌。與圖7a所示斷裂位置一樣，使用Sn-16Zn時，裂紋亦沿釬縫內部擴展。如圖8a所示，裂紋主要穿過富Zn相，Sn-Zn共晶相和細小的鋁顆粒。圖8b為接頭的斷口形貌，除與圖7b相似的撕裂棱之外，從圖8b還可觀察到尺寸較小的富Zn相的存在，這與圖3c中釬縫中富Zn相的尺寸較小所一致。

　　圖9為使用Sn-30Zn所得接頭的斷裂位置與斷口形貌。如圖9a所示，裂紋沿釬縫內部擴展，結合圖7a與圖8a所示，此結果可說明接頭的強度由釬縫內部的組織決定。這與圖5中測得的釬縫內部的硬度值隨著釬料中含Zn量的增加而升高的結果相一致。另外，此結果可印證圖6中所述釬縫強度的提高是由于釬縫中含Zn量的增加和鋁顆粒的細化兩個因素的共同作用。圖9b為使用Sn-30Zn所得接頭的斷口形貌，斷面中仍可觀察到富Zn量和撕裂棱。