【摘 要】
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Al/Cu复合结构的制造中,由于其异种材料间熔化特性、热物理性能等差异使得实现其有效、可靠的连接是目前急需解决的关键问题。同时接头处界面行为对性能具有重要影响,所以对其界面行为进行多角度多方面深入分析具有重要意义。本文在传统电弧焊低成本、可操作性强的基础上,从工艺方法改进和界面调控方面提出了添加SiO2纳米粉末AC辅助Al/Cu等离子弧熔钎焊实现了成形及力学性能良好的Al/Cu异种金属接头。同时通
【基金项目】
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国家自然科学基金（51665034、51865029）；
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Al/Cu复合结构的制造中,由于其异种材料间熔化特性、热物理性能等差异使得实现其有效、可靠的连接是目前急需解决的关键问题。同时接头处界面行为对性能具有重要影响,所以对其界面行为进行多角度多方面深入分析具有重要意义。本文在传统电弧焊低成本、可操作性强的基础上,从工艺方法改进和界面调控方面提出了添加SiO2纳米粉末AC辅助Al/Cu等离子弧熔钎焊实现了成形及力学性能良好的Al/Cu异种金属接头。同时通过试验分析、结合微纳米尺度下分子动力学模拟对界面处微观组织形成的内在机理进行分析,探究其微观尺度下原子扩散动力学行为与外部因素的内在联系。对进一步提高焊接工艺,实现良好接头和界面分析提供新的思路、技术和理论支撑。通过所建立系统进行试验过程。AC辅助电弧的引入明显影响电弧的行为,增大焊丝的熔化效率。随着交流电流值的增大,焊缝宽度增加,高度逐渐降低,堆焊过程润湿角也由初始的70°逐渐减小为27°,润湿铺展性能呈现出与电流值正相关的效应。随着AC辅助电流值增加,Al/Cu搭接接头有效连接长度由12.25mm增大至15.2mm;在上述试验的基础上,深入分析了不同参数添加SiO2纳米粉末AC辅助Al/Cu等离子弧熔钎焊接头组织及性能差异的内在联系。接头组织区域主要为Al2Cu和Al4Cu9的金属间化合物层区域、Al-Cu共晶区域以及网状焊缝区域。金属间化合物层厚度呈现随AC辅助电流值的增加而增大的正相关关系;AC辅助电流值45A下,加入SiO2纳米粉末界面金属间化合物层厚度降低,界面区域分布有微量Si元素,AC辅助电流值大小对接头物相组成成分无影响。SiO2纳米颗粒吸附于界面IMC以及C u表面由于其相对较高的表面张力和比表面积,起到了扩散阻挡的作用,阻碍了Al和Cu原子的反应和相互扩散,从而有效降低了焊接过程中界面IMC的厚度。添加SiO2粉末不同AC辅助电流值作用下焊缝区域内组织的硬度随着热输入的增加而略微增大,呈现铝、铜母材区域、焊缝区以及界面金属间化合物区域硬度逐渐增大的分布规律。受有效连接长度和界面金属间化合物层厚度共同影响,添加SiO2且AC辅助电流值为45A的接头断裂承受最大载荷为0.85k N,断裂位置位于铝侧热影响区,力学性能较好,断口形貌为分布有韧窝的韧性断裂形式。基于分子动力学模拟建立所述Al/Cu界面模型,进行了界面原子扩散动力学分析,探究其微观尺度下原子扩散行为与外部因素的内在联系。较低温度下Al/Cu界面中Al原子及Cu原子扩散系数均随着温度增加而增大,且Cu原子扩散系数较Al原子相比对温度更为敏感;Cu、Al原子在界面扩散过程中激活能分别为52.24 k J/mol和80.23 k J/mol,对比验证了模型准确性。界面完全冷却至室温后主要成分为θ-Al2Cu,Cu原子越过初始界面扩散数量要明显大于Al原子数量,温度越高现象越明显,对扩散层生长的贡献主要由液态Al中Cu原子的扩散提供,与试验结果界面元素分布和类型基本吻合。800～950K温度下Al、Cu固-液界面原子互扩散行为与600～800K下类似。由于Cu原子与Al原子间结构及稀释热性质等差异,界面扩散模型中存在柯肯达尔效应,扩散过程中界面逐渐向铜侧迁移。同时分析认为,扩散激活能在高温下并非恒定,而是阶段性的,激活能数值与所研究物质的状态和扩散方向有关;扩散层的厚度与温度之间存在关系:D=k·T,k=0.548?/K,与试验中随着热输入增加化合物层厚度增大的现象一致。由于扩散过程诱导的应力变化,使得Al侧应力值明显大于Cu侧区域,温度对界面处原子剪切应力影响较为明显。随着扩散持续时间的增加,扩散深度与时间之间存在抛物线关系D=k t1/2。压力的引入使得原子间间距减小,阻碍了原子扩散过程,使得扩散层厚度和Al和Cu原子扩散系数呈现随压力增大而减小的负相关趋势。
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