毛錦榮，黃永德，任麗麗，謝吉林，何 鵬

（1.輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌330063；2.先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱工業(yè)大學(xué)），哈爾濱150001）

Ni中間層對(duì)QBe2.5/鋼激光點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的影響

毛錦榮1，黃永德1，任麗麗1，謝吉林1，何 鵬2

（1.輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌330063；2.先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱工業(yè)大學(xué)），哈爾濱150001）

流量閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)常應(yīng)用鈹青銅/鋼復(fù)合元件，本文采用0.05 mm純Ni作為中間層對(duì)QBe2.5鈹青銅薄片與20＃鋼異種金屬激光點(diǎn)焊搭接接頭力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化.通過(guò)光學(xué)顯微鏡、拉剪試驗(yàn)、顯微硬度計(jì)和能譜測(cè)試儀對(duì)比分析添加Ni與不添加Ni層時(shí)焊接接頭的成形、力學(xué)性能以及元素分布.研究表明：與未加鎳層接頭相比，加鎳中間層的焊縫熔深較小，且基本不出現(xiàn)下塌現(xiàn)象，加鎳中間層比未加中間層的接頭抗拉剪力提高了61.5%；加入鎳中間層后的焊縫中Fe元素含量增加，而Cu元素含量降低，接頭韌性提高；加鎳中間層的接頭焊縫硬度值沿焊點(diǎn)深度方向逐漸增大，而未加鎳層的基本不變，且加鎳層比未加鎳層的接頭界面顯微硬度值低.鎳中間層材料可以顯著改善鈹青銅/鋼異種金屬接頭焊縫熔合比，提高接頭的抗拉剪強(qiáng)度、塑性和韌性

鈹青銅/鋼異種金屬；Ni中間層；激光點(diǎn)焊；力學(xué)性能；元素分布

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，異種材料的連接成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一種先進(jìn)技術(shù)［1－2］.鈹青銅/鋼復(fù)合構(gòu)件發(fā)揮了兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)，并可以節(jié)約成本.在壓力傳感器、流量閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用［3－5］.研究表明，在活性劑基礎(chǔ)上，應(yīng)用激光焊且采用前置尖峰脈沖波形可以實(shí)現(xiàn)鈹青銅/鋼異種金屬點(diǎn)焊復(fù)合，但激光焊熱量過(guò)于集中，在點(diǎn)焊過(guò)程中鈹青銅表面易出現(xiàn)燒損、下塌等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響接頭力學(xué)性能.

在改善異種材料激光焊接接頭質(zhì)量過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了許多相關(guān)研究.SHEN等［6］在紫銅和300系列不銹鋼對(duì)接焊研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光束偏向銅側(cè)0.4 mm時(shí)，可以顯著改善接頭質(zhì)量.JAMAL等［7］通過(guò)采用激光選區(qū)的方法，以銅和H13工具鋼粉末為原料獲得了界面結(jié)合良好的銅－鋼復(fù)合構(gòu)件.MAI等人［8］采用Nd：YAG激光偏置0.2 mm于鋼側(cè)母材的方法對(duì)接焊接了銅和工具鋼，避免銅大量熔化帶來(lái)的缺陷.由前述可知，通過(guò)改變激光光束偏移量可以改變異種材料接頭的性能，但這種方法限制于對(duì)接焊上.陶汪等人［9］在高體積分?jǐn)?shù)SiCp/2024Al基復(fù)合材料激光焊接中加入中間層材料Ti－6Al－4V，研究發(fā)現(xiàn)，中間層材料可使接頭組織致密，同時(shí)在焊縫組織中獲得了以Ti3Al為基體、Ti5Si3和TiC等反應(yīng)產(chǎn)物為增強(qiáng)相的焊縫組織，接頭抗拉強(qiáng)度大大提高.李洪梅等［10］在TiNi形狀記憶合金與不銹鋼異種金屬焊接區(qū)加鎳和鈷中間層材料，改善了接頭裂紋的敏感性，加鎳和鈷中間層后比未加中間層的接頭的抗拉強(qiáng)度分別提高了98.9%和85.6%.劉微［11］在不銹鋼/鋁合金激光搭接焊時(shí)分析了Ni、Cu、Al－Si的3種中間層材料對(duì)焊縫表面成形、焊縫組織、元素分布以及接頭的力學(xué)性能的影響.由此說(shuō)明，考慮材料的相容性，加入合適的中間層材料可以改善異種材料焊接接頭質(zhì)量.

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多通過(guò)改變光速偏移量來(lái)改變銅/鋼異種材料接頭性能，而加入中間層材料是改善銅/鋼搭接接頭性能的理想方法.基于Cu、Fe與Ni的原子半徑、晶格類(lèi)型、密度均無(wú)太大差異，且相容性較好［12］.本文主要對(duì)添加Ni中間層的QBe2.5鈹青銅薄片與20＃鋼異種金屬進(jìn)行激光點(diǎn)焊研究，分析中間層金屬鎳對(duì)點(diǎn)焊接頭焊縫成形、力學(xué)性能及元素分布的影響規(guī)律，為鈹青銅/鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu)激光焊接的推廣應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ).

1 試 驗(yàn)

試驗(yàn)材料為0.1 mm厚的QBe2.5和0.5 mm厚的20＃鋼、以及0.05 mm的純Ni片，其化學(xué)成分及物理性能見(jiàn)表1.焊前將兩種搭接材料加工成25 mm×5 mm長(zhǎng)方形試片，而中間層材料純Ni加工成5 mm×5 mm×0.05 mm，其焊接結(jié)構(gòu)如圖1所示.焊后沿著焊點(diǎn)中心切割金相試樣，如圖2所示.

表1 QBe2.5與20＃鋼化學(xué)成分及物理性能對(duì)比Table 1 The comparison of the composition and physical properties of QBe2.5 copper and 20＃steel

圖1 激光點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the laser spot welding structure

圖2 焊點(diǎn)剪切位置Fig.2 Cutting position of welding spot

試驗(yàn)采用意大利Sisma公司生產(chǎn)的SL80型平均功率80 W的Nd：YAG激光焊接系統(tǒng)進(jìn)行焊接，在可控參數(shù)中激光功率百分比P為平均輸出功率的百分比，可調(diào)范圍為0～30%；脈沖寬度T可調(diào)范圍為0.3～9.9 ms；脈沖頻率f可調(diào)范圍為0～15 Hz.焊前為清除材料表面氧化膜，經(jīng)機(jī)械打磨并用丙酮清洗.根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，由于鈹青銅對(duì)激光的反射率很高，故采用粉狀的TiO2活性劑促進(jìn)鈹青銅對(duì)激光的吸收.焊接時(shí)采用前置尖峰脈沖波形，經(jīng)前期試驗(yàn)研究，固定尖峰脈沖功率30%，尖峰脈沖寬度為0.8 ms，光斑直徑D＝0.3 mm，焊接脈沖寬度為8 ms.點(diǎn)焊過(guò)程中分別采用實(shí)際焊接功率為16%、19%、22%、25%和28%（對(duì)應(yīng)的實(shí)際焊接功率為12.8、15.2、17.6、20.0和22.4 W）進(jìn)行點(diǎn)焊；焊接過(guò)程采用流量為10 mL/min的Ar氣保護(hù).焊后沿焊點(diǎn)中心截取試樣制備金相，通過(guò)4XB－TV型倒置金相顯微鏡觀察焊縫成形；點(diǎn)焊完成后，采用INSTRO N5540型電子精密拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)拉伸試樣（圖1）焊點(diǎn)的抗拉剪力進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)用能譜測(cè)試儀對(duì)焊縫成分進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 鎳中間層對(duì)焊縫成形的影響

圖3為鈹青銅/鋼激光點(diǎn)焊接頭截面形貌（其中圖3（a）、（b）和（c）為未加鎳中間層的接頭橫截面形貌；圖3（d）、（e）和（f）為加鎳層的接頭橫截面形貌）.從未加鎳層點(diǎn)焊接頭橫截面可以看出，隨著焊接功率的增大，焊縫熔深逐漸增大，但焊縫表面下塌嚴(yán)重.而添加鎳中間層的焊縫，隨著焊接功率的增大，熔深也逐漸增大，但焊縫表面基本沒(méi)有下塌現(xiàn)象.對(duì)比二者可以發(fā)現(xiàn)，添加鎳中間層后，在相同工藝參數(shù)下，焊縫熔深減小，且焊縫熔合比顯著改善.分析可知，由于鎳的熔點(diǎn)為1 455℃，鎳中間層置入后，不易揮發(fā)，鎳層溶化后與銅形成固溶體，增大了原子之間的相互作用力.鎳層的置入減少了反沖壓力對(duì)焊縫表面的作用，使得表面下塌現(xiàn)象減弱以及相同工藝下的焊縫熔深減小.另外，鎳層熔化需要吸收更多的激光能量，從而減小了激光對(duì)鈹青銅的熱作用，鈹青銅表面羽輝及燒損減小.

圖3 鈹青銅/鋼焊縫表面及接頭截面形貌Fig.3 Weld surface and cross?section morphology of QBe2.5/20＃steel joint：（a）without Ni layer 17.6 W；（b）without Ni layer 20 W；（c）without Ni layer 22.4 W；（d）with Ni layer 17.6 W；（e）with Ni layer 20 W；（f）with Ni layer 22.4 W

2.2 鎳中間層對(duì)點(diǎn)焊接頭抗拉剪力的影響

圖4（a）為不加鎳層和加鎳層點(diǎn)焊接頭實(shí)際焊接功率與抗拉剪力關(guān)系，可以看出，在相同工藝參數(shù)下，加鎳層的接頭抗拉剪力整體高于不加鎳層，且加鎳層點(diǎn)焊接頭抗拉剪力隨著激光功率的增大而逐漸增大.不加鎳層點(diǎn)焊接頭抗拉剪力隨著激光功率的增大，先增大后減小.根據(jù)圖中不同工藝參數(shù)下接頭抗拉剪力可計(jì)算出加鎳層比不加鎳層接頭的抗拉強(qiáng)度平均提高了61.5%.圖4（b）為加鎳中間層的接頭和未加鎳層的接頭拉伸位移與載荷關(guān)系曲線，可以看到，加鎳層的接頭抗拉剪力和拉伸位移明顯提高，在試驗(yàn)條件下，當(dāng)實(shí)際焊接功率為22.4 W時(shí)，加鎳層接頭最大抗拉剪力為134.01 N，焊點(diǎn)拉剪斷裂位移約0.39 mm.當(dāng)實(shí)際焊接功率為20 W時(shí)，不加鎳層接頭抗拉剪力為98.36 N，焊點(diǎn)拉剪斷裂位移約0.27 mm，由此可知，鎳層的置入后，接頭延伸率提高，即可以提高鈹青銅/鋼異種金屬點(diǎn)焊接頭的塑性.

結(jié)合焊縫橫截面形貌分析：隨著脈沖功率的增大，未加鎳層的焊縫熔深增大的同時(shí)，焊縫下塌現(xiàn)象也越加嚴(yán)重，從而影響焊縫熔合比及接頭力學(xué)性能.而加入鎳層的接頭隨著焊接脈沖功率的增大，焊縫熔深增大，且基本不產(chǎn)生下塌等現(xiàn)象，焊縫熔合比顯著改善.另外，鎳可以與銅無(wú)限固溶，當(dāng)加入鎳層后，焊縫中形成的固溶體增多，而固溶體具有良好的綜合力學(xué)性能［13］，因此，加入鎳層后接頭抗拉剪力顯著提高.

圖4 加鎳層和不加鎳層的點(diǎn)焊接頭抗拉剪力Fig.4 The tensile shear force of spot welding joint with and without Ni interlayer：（a）relationship between actual welding power and tensile shear strength；（b）relation?ship between tensile displacement and load of spot welding joints

2.3 鎳中間層對(duì)點(diǎn)焊接頭顯微硬度的影響

圖5為母材及加鎳層、未加鎳層接頭不同區(qū)域顯微硬度.圖5（a）為銅/鋼界面附近、銅/鎳/鋼界面附近和母材平均顯微硬度值，可以看出，鈹青銅母材平均顯微硬度值約為209 HV，20＃鋼母材的平均顯微硬度值約為159 HV，純鎳的平均顯微硬度值約為68 HV.不加鎳層焊縫銅/鋼界面附近平均顯微硬度值約為402 HV，而加入鎳層后銅/鎳界面和鎳/鋼界面附近硬度值基本相同，其平均硬度值約為 250 HV，明顯低于銅/鋼界面.圖5（b）為到焊縫表面距離（焊縫中心線）與顯微硬度關(guān)系曲線，可以看出，未添加鎳中間層接頭沿焊縫深度方向硬度值基本不變，但硬度值均高于銅與鋼母材，由Fe/Cu二元相圖（圖6）可知，鐵與銅在焊縫各個(gè)區(qū)域形成組織主要是硬脆的α＋ε相，鐵極易形成板條馬氏體組織［14］，焊縫硬度值變化不大，焊縫硬度值較高.鎳中間置入后，由Cu/Ni二元相圖［15］和Fe/Ni二元相圖［16］分析可知，焊縫中形成硬度較低（Cu，Ni）相和（γFe，Ni）相，而硬脆的α＋ε相減少，焊縫硬度值降低.在界面處Ni元素相當(dāng)，因此，硬度值基本相同，而隨著離表面距離的增加，Ni元素的含量不斷減小，在焊點(diǎn)底部由于Ni元素的貧乏，組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎泊嗟摩粒胖虚g相為主，硬度值隨距焊縫表面距離的增加而增大.

圖5 接頭各區(qū)域顯微硬度值Fig.5 The hardness at different area of spot weld joint：（a）microhardness of interface and base material；（b）the hardness curve of spot weld joint along the center line direction

圖6 Fe－Cu二元相圖Fig.6 Binary alloy phase diagram of Fe－Cu

圖7（a）和（b）分別是未加鎳和加鎳層點(diǎn)焊接頭界面附近EDS能譜分布.從圖7（a）可以看出，未加鎳層銅/鋼界面附近Cu元素高于Fe元素的含量（除去鑲嵌部分，另外，由于活性劑TiO2存在，焊縫中檢測(cè)到少量的Ti元素）.從圖7（b）可以看出，加鎳層的接頭a段區(qū)域Cu元素含量高于Fe元素含量，b段區(qū)域Fe元素含量高于Cu元素含量.分析可知，距焊縫中心較遠(yuǎn)處熱輸入有限，熔化的Cu元素沒(méi)有過(guò)多的燒損而保存在界面處，且在此區(qū)域激光對(duì)Fe、Ni元素作用力較弱，因此，a段區(qū)域Cu含量較高；而b段距熔核中心較近，熱輸入較大，激光對(duì)熔池作用力較大，F(xiàn)e、Ni元素熔化后在熔流的作用下混合并被卷至表面，因此，b段Fe元素含量較高.

圖7 點(diǎn)焊接頭截面各區(qū)域元素分布Fig.7 Elements distribution of different zone in spot weld cross section：（a）Cu/Fe interface；（b）Cu/Ni/Fe interface；（c）along the center line direction of weld without Ni interlayer；（d）along the center line direc?tion of weld with Ni interlayer

圖7（c）和（d）分別為未加鎳層、加鎳層的接頭沿焊縫深度方向元素分布，從圖7（c）可看出，未加鎳層接頭中Cu元素的含量大于Fe元素含量.加入鎳層后，F(xiàn)e元素含量顯著大于Cu元素含量，沿焊縫深度方向Cu和Ni元素含量下降明顯.由此可見(jiàn)，Ni層的置入大大增加了Fe元素在焊縫中的擴(kuò)散速度，而抑制Cu元素的擴(kuò)散.Ni層的置入可以提高Fe元素在焊縫中的含量，而降低Cu元素的含量.

綜上所述，鎳層的加入使得焊縫中Fe元素的含量增加，而Cu元素的含量減少.結(jié)合加鎳與未加鎳的焊縫顯微硬度值的變化可知，焊縫中Fe元素含量增多，可以擴(kuò)大Fe的奧氏體化相區(qū)，從而減少馬氏體脆性相以及α＋ε中間相生成，降低焊縫硬度，提高接頭的韌性.

3 結(jié) 論

1）鈹青銅/鋼異種材料激光點(diǎn)焊時(shí)，與未加鎳中間層的接頭相比，加入鎳中間層的接頭焊縫熔深減小，焊縫熔合比改善，焊縫基本不出現(xiàn)下塌現(xiàn)象.

2）鈹青銅/鋼異種材料激光點(diǎn)焊時(shí)，加入鎳中間層可以提高接頭抗拉剪力和塑性.加鎳層接頭最大抗拉剪力為134.01 N，焊點(diǎn)拉剪斷裂位移約0.39 mm；不加鎳層接頭抗拉剪力為98.36 N，焊點(diǎn)拉剪斷裂位移約0.27 mm，加鎳層比不加鎳層接頭的抗拉剪力平均提高了61.5%.

3）加入鎳中間層的接頭焊縫硬度值隨著離表面距離的增加逐漸增大，而未加鎳的基本不變，未加鎳層銅鋼界面處硬度值約為402 HV，而加入鎳層后的界面處硬度值約為205 HV.另外，鎳中間層可使焊縫中Fe元素的含量增加，Cu元素含量減少，從而減小脆性相的生成，提高接頭韌性.

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（編輯 呂雪梅）

Effect of Ni interlayer on the mechanical properties of laser spot welded joints of QBe2.5/20＃steel

MAO Jinrong1，HUANG Yongde1，REN Lili1，XIE Jilin1，HE Peng2
（1.National Defense Key Disciplines Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology（Nanchang Hangkong University），Nanchang 330063，China；2.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining（Harbin Institute of Technology），Harbin 150001，China）

Flow valve precision often uses beryllium bronze/steel composite components.In this paper，to optimize the mechanical properties of the lap joints between QBe2.5 and 20＃steel，0.05 mm?thick pure Ni is adopted as an interlayer for laser micro spot welding.The weld formation，mechanical properties and element distribution of the joints with and without Ni interlayer are contrastively analyzed through optical microscopy（OM），tensile shear test，microhardness tester and energy spectrum analysis（EDS）.The results showed that the tensile shear of the joint with Ni interlayer increased by 61.5%，weld penetration decreased and did not appear to collapse basically compared with the joint without Ni interlayer.Fe content inceresed，and Cu content decreased and enhanced the joint with Ni interlayer toughness.The microhardness value increased gradually along the depth direction of the weld after joining the Ni interlayer.However，the microhardness of joint without Ni interlayer was unchanged.And the average microhardness value at the joint interface was low obviously compared with the joint with Ni interlayer.Ni interlayer materials can significantly improve the weld fusion ratio and improve the shear strength，ductility and toughness of the joints.

beryllium bronze/steel dissimilar metals；Ni interlayer；laser spot welding；mechanical proper?ties；element distribution

TG456.7

A

1005－0299（2017）01－0044－06

10.11951/j.issn.1005－0299.20160042

2016－02－27.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2016－12－19.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51365044）；上海航天科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（SAST201209）.

毛錦榮（1990—），男，碩士；何 鵬（1972—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

黃永德，E?mail：huangydhm＠nchu.edu.cn.