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合主辦，是反映振動、動態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。在現代制造業中，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]，它利用液態釬料在經歷超聲波振動時產生的聲空化現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焊接方法難以焊接的復雜構件。自超聲焊接發明以來，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，結果發現在超聲波的作用下，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]在半固態溫度下對鋁鎂異種合金進行超聲焊接，發現釬料在半固態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，結果發現在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，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。可以看出，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)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分布的狀態。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，均是尺寸較大且幾乎連續分布的鋁基固溶體。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，液態釬料內部產生空化泡;在經歷一個或幾個超聲周期后，空化泡會潰滅;空化泡潰滅產生的局部極端現象(高溫、高壓)會對母材表面產生空蝕破壞，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。