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强点问答:铝/钛(Al/Ti)散热器的搅拌摩擦钎焊新技术研究

时间:2013-09-07 来源:强点焊接网 作者:管理员 点击:

在航天航空工业中Ti、Al、Mg轻金属获得了广泛应用,这些轻金属异种金属之间的焊接是不可避免的。其中Al材由于在散热与耐腐蚀方面兼具良好性能,故在对Ti件进行冷却时,常须在Ti件表面大面积焊接Al板材。Ti/Al异种金属接头的熔焊可焊性因脆性金属间化合物的出

        在航天航空工业中Ti、Al、Mg轻金属获得了广泛应用,这些轻金属异种金属之间的焊接是不可避免的。其中Al材由于在散热与耐腐蚀方面兼具良好性能,故在对Ti件进行冷却时,常须在Ti件表面大面积焊接Al板材。Ti/Al异种金属接头的熔焊可焊性因脆性金属间化合物的出现而很差。Al/Ti焊接技术目前研究较多的是钎焊[1-5]、熔—钎焊(用激光或TIG为能源) [6]、摩擦焊[7]。其中,激光熔—钎焊、TIG熔—钎焊、摩擦焊、搅拌摩擦焊适于对接接头,不适于大面积搭接接头。与电弧相比,激光能源虽具有能量集中、冷速快的特点(有利异种金属于对接焊接),但过小的加热斑点尺寸及高昂的设备投资是影响其大面积搭接接头应用的障碍之一。钎焊虽然适于大面积搭接,但接头强度并不理想。例如,对于6061Al/TC4接头,我国台湾学者Chang[1]采用Al-8.4Si-20Cu-10Ge与Al-8.4Si -20Cu-10Ge-0.1Re钎料在530℃、Ar气保护环境下,所得钎焊接头的剪切强度分别为20MPa与51MPa。其中,0.1%稀土元素的主要作用有:降低钎料熔点;形成富Al的强化相;使针状CuAl2球化。国内外常用的铝/钛合金真空钎焊用钎料化学成分为Al-10Si-1Mg[2,3]或Al-11.6Si-1~2Mg[4,5], 接头剪切强度同样约在50MPa。
        熔—钎焊(welding-brazing)的特点在于,在熔点低的Al材界面处为熔焊连接方式,而在熔点高的Ti材界面处为钎焊连接方式,从而可有效限制金属间化合物,但这种技术并不适合于大面积散热器的场合。因此,须寻求去膜能力强、绿色节能的Ti/Al大面积钎焊技术。另一方面, Al/Ti搅拌摩擦焊则受制于针的磨损与断裂。
        2009年,西安交通大学焊接研究所申报了适于“铝/异种金属”搭接组合的搅拌摩擦钎焊(friction stir brazing:FSB)专利技术,2012年授权[8];2011年首次公开报道了该项技术在铝/钢搭接接头及铝/钢复合板制备中的成功应用[9]。FSB 可利用工具的界面扭转与锻压作用[10]强化界面“机械去膜”能力,可免用钎剂与保护气体,尤为适于Al与异种高强金属间的大面积焊接。迄今为止,课题组已经先后完成了铝/钢、铝/ 不锈钢、铝/铜组合的试验,并成功将FSB技术用于搅拌摩擦焊匙孔的填充与铸件或焊缝局部缺陷的修补[11]。本项目主要进行Al/Ti板材大面积搅拌摩擦钎焊工艺可行性研究,主要从工艺便捷性、焊道表面成形、界面组织、宏观性能四个方面进行了论证。
 
2    试验材料与方法
2.1    搅拌摩擦钎焊新技术简介
        图1所示为铝与异种高强金属的搅拌摩擦钎焊(FSB)专利技术示意图。为了消除高强异种金属(见图中母材2)对工具的磨损,将铝与异种高强金属分别安装于上、下侧;同时使用了无针工具。与炉中钎焊相比,搅拌摩擦钎焊具有以下优势:(1)在冶金质量方面,因搅拌工具对界面的挤压与扭转作用,具有明显的可用机械途径实现去膜的优势;(2)在施工方面,热源为洁净,集中的摩擦热,能耗低,操作简单且劳动条件好,无需任何保护气体与钎剂,变形小。残余应力低及接头力学性能优异。与传统搅拌摩擦焊相比,搅拌摩擦钎焊具有以下优势[12]:(1)所采用的工具为无针工具,施焊过程中工具与钛板不接触,从而有效地避免了钛对搅拌针的磨损,延长了工具的寿命且消除了焊道末端的匙孔。(2)若为了避免工具磨损采用无针工具,则由于工具对母材界面间机械作用的减弱使得两板界面上变形、破膜、混合变得困难,从而导致界面结合极差,断裂于原始界面。针对搭接搅拌摩擦焊普遍存在的上/下界面塑性流动混合难以实现的问题,为实现界面间致密化和上下混合,FSB利用母材向钎料中的快速溶解代替塑性变形,从而降低了对界面处塑性变形及通过塑性流动实现上/下混合的苛求。(3)通过界面挤压,扭转+膜下潜流(Zn钎料的加入)+加压挤出多种机制有效的去除铝母材表面的氧化膜,特别是在铝一侧的去膜方面极具优势。(4)在氧化膜随低熔、低强液相被挤出后,最终所得到的界面组织实质为洁净、致密、连续的微米级扩散层,由此可靠地保证了覆/基板界面间的快速熔合。(5)单道有效焊接宽度远高于传统带针搭接搅拌摩擦焊单道有效焊接宽度,再加之无需填充匙孔,故生产率可提高2倍以上。
2.2    试验材料与规范
        选用市售纯铝板和TC4(Ti-6Al-4V)合金板作为母材,其尺寸均为:100mm(L)×60mm (W)×2mm(T)。其中纯铝和TC4板的搭接宽度为22mm。选用的钎料为锌,其长度选择为105mm,宽度为20mm,厚度为0.1mm。在焊接前, 纯铝,TC4板和锌钎料都用砂纸将表面打磨干净, 并用酒精清洗,防止电镀膜对焊接性能产生影响。本实验选用直径为20mm的无针搅拌头,材质为45钢,倾角3度,转速1500r/min,仅改变焊速(23.5、75、150、235、300、375与475mm/min)进行试验,从工艺便捷性、焊道表面成形、界面组织、宏观性能四个方面进行可行性评价。本实验铝钛夹持时让铝作为后退侧,钛作为前进侧,搅拌头在铝上搅拌摩擦。
        焊后用线切割切取25mm宽(略大于轴肩直径)的试样进行拉剪测试。界面组织观察采用背散射图像并辅之以能谱分析方法。
 
3    试验结果
3.1    焊道表面成形
        在所选定规范下,焊道表面成形良好(焊道表面光滑、飞边少、无匙孔),几乎不受焊速及钎料有或无的影响。图2为不加钎料焊接后所得Al/Ti接头外观成形。加入钎料后,各焊速下所得Al/Ti组合的FSB接头外观成形效果如图4所示。图3反映的信息可汇总如下:(1)钎料的加入并未对表面焊道成形带来不利影响;(2)在各焊速下,摩擦热都足以使钎料顺利熔化;(3)溶化后的低熔点、低强度钎料都能被挤出。这些实验现象都是支持FSB可行性的。


3.2    接头性能与断裂位置
        对于无针工具,无钎料时铝/钛搭接搅拌摩擦焊接头断裂于铝/钛界面处,且拉伸断裂强度低。这是由于无针工具本身丧失了针对界面氧化膜的直接破碎作用(通常搭接搅拌摩擦焊的针必须穿透界面,但穿透过多易导致致密性不良、断针等问题);同时轴肩虽有锻压与扭转的机械作用,但仅靠轴肩的前述机械作用尚不足以破碎氧化膜。这一结果反证了钎料的必要性。
        对于无针工具,加入钎料后,各规范下所得Al/Ti组合搅拌摩擦钎焊(FSB)接头拉剪测试中的断裂载荷与断裂位置如表1所示。可以看出, 加入钎料后铝/钛板的焊接性能明显得以改善,绝大多数试样断裂位置从界面转移到母材上,说明钎料的加入对性能的提高具有决定性的作用。仅个别中速试样断裂于界面时,断裂载荷均很低,这应与工具热—力综合作用效果及其导致的界面组织不良有关。当试样断裂于铝母材内时,虽然断裂载荷均较高,但其差值仍较大;其差异原因应主要在于各规范下铝母材本身的再结晶软化程度、实际压入深度及界面热应力水平(热膨胀系数适配所致)的不同。

 
       图4为基于表1所得的反映焊速与载荷对应关系的曲线。可以看出,焊速375mm/min时,焊件性能最稳定且最好,这个焊速下焊件上铝材的载荷和纯铝载荷对比得到总体性能评估,该实验焊后铝材载荷能达到纯铝载荷的73.4%。如上分析,接头最大载荷低于原始轧制态母材的综合原因有:(1)再结晶软化过程对铝材产生影响;(2)由于搅拌头的压入和搅拌摩擦作用, 减少了铝材的厚度,导致载荷下降;(3)规范参数不同导致轴肩热——力作用效果的差别;(4)界面温度场分布不同导致的热应力的差别。
3.3    接头界面组织
        接头低倍照片观察表明,中心区易焊合,而边缘区致密性差,这与轴肩压力分布的不均匀性、界面残余热应力分布的不均匀性有关。前者因温度分布、焊道真实轮廓曲线的区别使中心区强,边部弱;后者易引起边缘裂纹(end crack)。



 
        高倍界面组织(如图5、6所示BSE图像)观察表明(用375mm/min焊速所得断裂载荷最高的试样),在已焊合的中心区,界面组织具有如下特征:(1)界面致密,即使放大到5000 倍以上,也未观察到间隙,这无疑得益于轴肩的锻压作用。(2)低熔点、低强度的Zn钎料实际已被挤出,这一结果与宏观成形试验中观察到的钎料珠的出现是一致的;(3)破膜效果理想,Al的氧化膜可随钎料一并挤出,这主要得益于Al向Zn中的溶解,但该溶解过程仍需轴肩的机械作用来引发。(4)界面金属间化合物难以观测到。这与热输入偏低、该扩散偶金属间化合物生长慢有关。图6中能谱分析结果见表2。

 
        较高焊速(375mm/min)所得接头断裂载荷最高的原因可初步归纳为:锻压力强,热输入低,界面热应力危害低。
4.1   FSB焊道成形美观、界面洁净致密、宏观性能稳定。
4.2   当加入Zn钎料后,界面改善表现在以下三个方面:(1)通过膜下溶解能有效去除铝母材处的氧化膜;(2)在工具的锻压力作用下界面致密;(3)界面未观察到明显的金属间化合物。最后,在375mm/min的焊速下获得了断裂于铝母材(而非界面)的良好接头。
4.3   FSB具有高效、经济(免用保护气体)的明显优势。其高效的原因有:单道焊接面积(取决于肩的直径)远大于普通搅拌摩擦搭接焊(取决于针的直径);焊速可高达375mm/min(本实验条件下)。
4.4   针对搭接搅拌摩擦焊普遍存在的工具的恶性磨损、上/下界面塑性流动混合难以实现的问题,FSB利用母材向钎料中的快速溶解代替塑性变形实现界面间紧密接触,从而降低了对界面处塑性变形及通过塑性流动实现上/下混合的苛求。
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