超声辅助SiO₂纳米颗粒强化铝/铜等离子弧熔钎焊工艺

Ultrasonic assisted SiO₂ nanoparticles strengthened Al/Cu plasma arc fusion brazing welding process

摘要

利用超声波辅助纳米强化等离子弧熔钎焊工艺成功实现了铝/铜异种金属的连接，并获得了形态良好的铝/铜搭接接头。使用SEM、EDS、XRD、拉伸实验和导电性能测试等方法，分析研究了超声波和SiO₂纳米颗粒对搭接接头的宏观和微观形貌、组织结构、力学性能以及导电性能的影响。结果表明：在超声波和SiO₂纳米颗粒耦合作用下得到的搭接接头，液态铝在铜表面的铺展和润湿效果更好，焊缝正面成形良好，接头主要由金属间化合物层区和Al-Cu共晶区组成，金属间化合物层的厚度明显减小，接头力学性能显著提高，采用了SiO₂纳米颗粒和超声波的铝/铜接头的相对电导率为153.527%IACS，导电性能有所改善。

Abstract

The joining of aluminum/copper dissimilar metals is successfully achieved by ultrasonic-assisted nano-enhanced plasma arc fusion brazing， and a well-formed aluminum/copper lap joint is obtained. The effects of ultrasonic waves and SiO₂ nanoparticles on the macroscopic and microscopic morphology， organizational structure， mechanical properties and conductive properties of lap joints are analyzed and studied by SEM， EDS， XRD， tensile test and conductivity test. The results show that the lap joint is obtained under the coupling action of ultrasonic waves and SiO₂ nanoparticles， and the spreading and wetting effect of liquid aluminum on the copper surface is better， the front side of the weld is well formed， and the joint is mainly composed of intermetallic compound layer region and Al-Cu eutectic region. The thickness of the intermetallic compound layer is reduced obviously，and the mechanical properties of the joint is significantly improved. The relative conductivity of the aluminum/copper joint using SiO₂ nanoparticles and ultrasonic waves is 153.527%IACS， exhibiting improved mechanical properties and electrical conductivity.

Graphical abstract

关键词

超声振动 / SiO₂纳米颗粒 / 金属间化合物 / 力学性能 / 导电性能

Key words

ultrasonic vibration / SiO₂ nanoparticle / intermetallic compound / mechanical property / electrical conductivity

铜及铜合金以其优良的导电性、导热性和耐腐蚀性能，被广泛应用于新能源汽车、电气装备以及航空航天等产业^［1-3］，金属铝导电性能仅次于铜且具有密度小和易加工等特点，在结构件轻量化方面应用广泛^［4-5］。铜材料的高消耗量导致其资源匮乏且其价格昂贵，而铝资源的储量大且铝及铝合金的价格低，因此逐渐采用铝与铜的复合材料来代替铜，以此达到减轻构件质量、降低生产成本的目的^［6-7］。当前，铝/铜异种复合构件在电力电子、航空航天、能源工业等领域的应用需求快速增长，铝/铜之间的连接已成为异种金属焊接研究的重点方向之一^［8］。

许多专家学者尝试使用焊接的方法实现铝/铜异种金属的连接，目前最常用的焊接方法主要为压焊^［9］、搅拌摩擦焊^［10-11］、钎焊^［12-13］、超声波复合焊接^［14-15］和熔钎焊^［16-17］。魏燕妮等^［18］采用真空扩散焊工艺完成了铝/铜异种金属的连接，结果显示，银有效抑制了界面处脆硬相金属间化合物的形成，接头的力学性能有所改善且界面的电化学腐蚀电位明显提高。苏文英等^［19］采用火焰钎焊实现了铝/铜异种金属连接，结果显示，锌基钎料LZ2的铺展性、抗拉强度等各项性能最佳。Otten等^［20］利用电子束熔钎焊接技术并采用对接的方式实现了铝/铜异种金属连接，发现当电子束在铝侧0.4 mm处时，接头的性能最好，界面层由Al₂Cu和Al₄Cu₉组成。张旭超^［21］对铝/铜异种金属TIG熔钎焊的温度场和流场进行了数值模拟，分析认为熔池内部出现了两股较小紊流，随着流体的剧烈流动，焊缝中形成气孔。Ji等^［22］研究了超声波钎焊Al/Zn-Al/Cu接头的组织性能，结果表明，超声波的加入使元素均匀分布在整个焊缝中，CuZn₅晶须在各个方向的生长速度几乎一样。Gu等^［23］发现添加Fe₂O₃纳米颗粒不仅可以提高焊料的润湿性，还能抑制金属间化合物的生长。石玗等^［24］采用四种焊丝进行了铝/铜异种金属旁路耦合电弧MIG熔钎焊实验，发现Si元素能够抑制金属间化合物的生长，提高接头的力学性能。本课题组前期实验发现，在铝/铜等离子弧熔钎焊时添加SiO₂纳米颗粒可以有效改善接头的力学性能^［25］。

由于铝/铜两种金属的物理性能和化学性能差异较大^［26］，相互固溶度低，焊接过程中脆硬性金属间化合物容易生成，使得接头连接处容易开裂，严重影响接头的力学性能。本工作在铝/铜异种金属等离子弧焊方法及界面认识的基础之上，针对铝/铜焊接接头的成形及界面问题，提出超声辅助SiO₂纳米颗粒强化界面调控的等离子弧焊新方法，通过施加超声和添加纳米颗粒的方式来抑制金属间化合物层的生长，达到改善接头性能的目的，分析了纳米颗粒、超声波对接头宏观形貌、界面微观组织、接头力学性能与导电性能的影响。

1 实验材料与方法

实验采用的材料是150 mm×50 mm×2 mm的1060纯铝薄板和T2紫铜板，其化学成分如表1所示。采用搭接的方式将铝板和铜板放置在工作台上，铝母材在上，铜母材在下，搭接量为10 mm。等离子弧中心距离铝板3 mm，距离超声波振动工具头30 mm，以保证液态铝能够在铜板上充分铺展。焊前对铝、铜薄板进行表面清理，以去除铝、铜母材表面的氧化膜和油污等杂质，降低焊缝中产生气孔等缺陷的可能性，使得焊接过程更为稳定。为探究纳米颗粒、超声波对接头的影响，选用尺寸为20 nm的SiO₂纳米颗粒和功率为600~900 W的超声波，将SiO₂纳米颗粒与QJ201铝钎焊熔剂混合配比成含3%（质量分数）纳米粉末的助焊剂，用刷子均匀涂覆在试件焊接区，通过是否添加纳米颗粒以及超声波形成对照实验，分析SiO₂纳米颗粒以及超声波对接头宏微观形貌、金属间化合物层厚、接头的力学性能以及导电性能的影响。本实验的焊接过程示意图如图1所示。

焊接设备采用额定工作电压为交流220 V的DML-VO2BD等离子弧焊机；超声波辅助设备是额定工作频率为20 kHz的GBS-SMP30A型超声波铝熔体处理设备。经过前期反复实验，得出相对较佳工艺参数，本工作采用表2所示的参数进行焊接实验^［25］。实验所需的检测设备及其用途如表3所示。

2 结果与分析

2.1 接头形貌分析

2.1.1 接头宏观形貌分析

采用等离子弧熔钎焊方法以搭接的形式实现了铝/铜异种金属的连接，图2为铝/铜接头的宏观形貌图。由于铝、铜的熔点相差较大，所以在焊接过程中，铜几乎不熔化，铝则发生熔化，熔融铝在铜基体上铺展开来，进而形成了典型的铝/铜熔钎焊接头。观察图2（a），（b）发现，添加了SiO₂纳米颗粒的接头表面成型良好，无明显的裂纹等焊接缺陷，且液态铝在铜侧具有更好的铺展性和润湿性。这是因为SiO₂纳米颗粒属于表面活性材料，在其吸附作用下，导致铝液与铜母材的总界面能降低，润湿角变小，从而提高了熔融铝的润湿性^{［25，27］}。从图2（c）可以看出，添加了超声波的接头表面成型良好，无明显缺陷，原因是超声波可以破碎接头表面的氧化膜，铝液更容易发生扩散。从图2（d）可以看出，在SiO₂纳米颗粒和超声辅助的共同作用下，铝液在铜表面的铺展和润湿有所提高，焊缝正面成型更加良好，背面的铝挤出量更少。

2.1.2 接头微观形貌分析

为了深入研究SiO₂纳米颗粒和超声波对铝/铜搭接接头的作用，运用Quanta FEG 450场发射扫描电子显微镜对焊缝组织进行了微观形貌观察，结果如图3所示。观察发现，两者均未添加时，Al-Cu金属间化合物层厚为89.36 μm；只添加SiO₂纳米颗粒时，金属间化合物层厚为63.83 μm，接头处形成了更为细密的树枝晶，网状Al-Cu共晶组织的范围明显减小；只施加超声振动时，Al-Cu金属间化合物层厚为48.51 μm，网状Al-Cu共晶组织的范围比较大；当添加SiO₂纳米颗粒和施加超声振动时，Al-Cu金属间化合物层厚为38.30 μm，金属间化合物层发生破碎。出现这种现象的原因是：（1）超声波破碎了依附在SiO₂纳米颗粒上正在长大的树枝状Al-Cu金属间化合物；（2）超声波的空化作用能够提供形核能量，提高晶核的形核率，脆性金属间化合物晶核的数目增多，与之相邻的晶核彼此相遇，阻碍继续生长，从而降低了脆性金属间化合物层的厚度。以上现象说明SiO₂纳米颗粒或超声波的加入能够有效抑制接头界面处金属间化合物的生长，并且在SiO₂纳米颗粒和超声波的耦合作用下，减小脆性金属间化合物层厚度的效果更为显著。

2.2 接头组织及物相分析

为确定接头所拍摄区域中该区域的组织成分及元素的扩散情况，采用扫描电子显微镜自带的能谱仪对接头进行点扫描和线扫描，分别如图4和图5所示，得到的组织成分如表4所示。从表4中可以看出，SiO₂纳米颗粒的添加对接头界面处的相组成没有影响，接头的显微组织大致可以分为两个区域：金属间化合物层区和Al-Cu共晶区。

从图5线扫描结果可以发现，从Cu侧到焊缝区，Cu原子越来越少，Al原子越来越多，界面金属间化合物层处出现一个平台，说明该区域有金属间化合物相生成。还可以看出，Cu原子向Al侧扩散明显，而Al原子很难扩散到Cu侧，在Cu侧几乎检测不到Al原子的存在。出现这种现象的原因可能是：一方面，铝熔点为660 ℃，铜熔点为1083 ℃，熔点差异大，Al母材为液态时，Cu母材还处于固态。另一方面，铝原子和铜原子的原子半径差异较大，相比之下，Cu—Cu键结合紧密，而Al—Al键较易打破，从而导致Cu在铝侧扩散的可能性更大。由于添加的SiO₂纳米颗粒量较少，因此，在EDS扫描结果中无法清楚地看到Si元素的扩散分布情况。为进一步了解Si元素的扩散分布情况，对典型接头进行了电子探针（EPMA）面扫描，结果如图6所示。可以看出，Si元素主要存在于铝铜界面的金属间化合物层中，且分布很不均匀，有团聚现象，少量分布在共晶区。

为进一步确定Al/Cu熔钎焊接头界面处金属间化合物的物相组成，使用X射线衍射仪对接头进行分析，结果如图7所示。可以看出，无论是否添加SiO₂纳米颗粒和超声辅助，接头界面处均有CuAl₂存在，说明铝/铜焊接接头界面处的主要成分为CuAl₂，此外，在界面处还发现了Cu₃Al₂，CuAl，Cu₉Si及SiO₂。因添加的SiO₂纳米颗粒涂覆在铝母材的表面及铝铜结合面处，并且SiO₂ 的分解温度为1713 ℃，远高于结合面处铝溶液的温度，因而SiO₂的分解量很少，再结合图6（b）的EPMA面扫描结果可知，SiO₂主要聚集分布在铝铜界面处。

2.3 接头力学性能分析

对制备好的铝/铜拉伸试样进行拉伸实验，其抗拉强度如图8所示。从图8可以看出，未添加SiO₂纳米颗粒和超声波的接头抗拉强度为53.72 MPa；相较之下，添加SiO₂纳米颗粒的接头抗拉强度为85.38 MPa，提高了58.9%；施加超声波的接头抗拉强度为71.26 MPa，提高了32.7%；超声波与纳米耦合作用的接头抗拉强度为86.28 MPa，提高了约60.6%；可以看出SiO₂纳米颗粒和超声波耦合能有效提高接头的力学性能。实验表明，金属间化合物层厚度影响抗拉强度，但不是简单的线性关系。添加SiO₂纳米颗粒后，虽然金属间化合物的厚度减小不如施加超声波的效果，但由于SiO₂纳米颗粒作为第二相粒子阻碍位错运动，从而进一步提高了抗拉强度。

将未加SiO₂纳米颗粒和超声波的试样与添加SiO₂纳米颗粒并施加超声波的试样的应力-应变曲线及其拉伸断口形貌进行对比分析，如图9所示。未加SiO₂纳米颗粒和超声波的接头在界面处断裂，而超声波与SiO₂纳米颗粒耦合作用下的接头在铝母材处断裂，最大抗拉强度达到117.43 MPa。这主要是因为SiO₂纳米颗粒抑制了金属间化合物的生长，有效减小了金属间化合物层的厚度；超声波的加入又使界面处的柱状晶破碎细化，形态和分布得到改善，最终使得接头力学性能得到提高。

2.4 接头导电性能分析

对试样进行导电性能测量，测量结果如图10所示。从图10可以看出，铝/铜等离子弧熔钎焊搭接接头的相对导电率介于铝与铜之间，当未添加纳米颗粒和超声波时，接头的导电性能有所下降，随着纳米颗粒及超声波的加入，接头的导电性能呈上升趋势。其主要原因是纳米颗粒和超声振动的耦合作用使得高电阻率的Al-Cu金属间化合物层厚度显著减小，此外化合物变得疏松多孔，有利于电子穿过，最终使得导电性能提高^［28］。

2.5 讨论

通过对接头微观组织的分析，可对其界面反应过程进行阐述，如图11所示。当焊接开始时，在等离子弧的加热作用下，低熔点的Al开始熔化而Cu基本不发生熔化，Al原子开始向铜侧润湿铺展，溶解的Cu原子也向液态铝中扩散，CuAl₂开始在界面处结晶和形核，预先涂覆在母材上的SiO₂纳米颗粒也混入熔池中，吸附在CuAl₂上，形成屏障，阻碍了Cu原子和Al原子的扩散，因此在一定程度上抑制了金属间化合物的生长。此外，纳米颗粒降低了界面的总表面能，使得熔融铝铺展性能变好，铺展宽度提高。超声振动可以诱发空化和声流效应，使得铝铜界面处的金属间化合物树枝晶破碎。同时，超声振动使原本团聚在界面处的纳米颗粒弥散分布在焊缝中，从而阻止了纳米颗粒的团聚，有利于发挥纳米颗粒的作用。

3 结论

（1）采用超声辅助纳米强化等离子弧熔钎焊可以实现铝/铜异种金属的连接，获得成形良好、连续均匀以及无明显缺陷的搭接接头。SiO₂纳米颗粒和超声波的加入可以有效提高铝液对铜基材的润湿性，改善焊缝表面成形，提高接头的力学性能。

（2）SiO₂纳米颗粒的加入，可以有效抑制脆性Al-Cu金属间化合物的生长；超声波的加入可以改善铝液的铺展性，破碎Al-Cu金属间化合物层，防止纳米粒子团聚；超声与纳米耦合作用下的接头金属间化合物层厚度显著减小，同时其形态与分布得到改善，从而有效提高了接头的力学性能。

（3）在SiO₂纳米颗粒和超声波耦合作用下，可改善Al-Cu接头导电性能，其机理是纳米颗粒和超声振动的耦合作用使得高电阻率的Al-Cu金属间化合物层厚度显著减小。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52165045)

甘肃省科技重大专项(22ZD6GA008)