張澤群，黃煜華，檀財旺，陳 波，李俐群，馮吉才，

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）山東省特種焊接技術(shù)重點實驗室，山東威海264209；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001）

Sip/Al復(fù)合材料激光填絲釬焊工藝

張澤群1，黃煜華1，檀財旺1，陳 波1，李俐群2，馮吉才1，2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）山東省特種焊接技術(shù)重點實驗室，山東威海264209；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001）

采用激光填絲釬焊對2 mm厚高體份（體積分數(shù)75％）Sip/Al復(fù)合材料接頭進行連接。研究不同工藝參數(shù)（光斑、坡口形式、熱輸入）下的焊縫成形特征，觀察接頭的組織形貌，對不同熱輸入條件下的接頭進行力學(xué)性能評價。結(jié)果表明：采用圓形光斑，開60°V型坡口，脈沖焊接模式適合該復(fù)合材料的焊接，焊縫成形較好。焊縫組織的演變與母材熔入的Si增強相含量密切相關(guān)。焊接接頭的最大抗拉強度為42.4 MPa，達到母材的67％。試件斷裂方式主要有兩種：線能量較小時連接狀況較差，熔合區(qū)易發(fā)生斷裂；線能量較大時焊縫缺陷較多，易發(fā)生斷裂。

激光釬焊；Sip/Al復(fù)合材料；焊縫成形；組織

0 前言

鋁基復(fù)合材料比強度高、模量高、耐磨性高、耐高溫以及尺寸穩(wěn)定性好，且制作工藝簡單、成本低，易于實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，在航空航天、微電子封裝系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前應(yīng)用最廣泛的是SiCp/Al復(fù)合材料[1-2]。但SiC顆粒增強金屬復(fù)合材料的切削加工性較差，其高熔點特性不利于復(fù)合材料的焊接[3]。此外，SiC和Al之間易形成的金屬間化合物（Al4C3）也成為此類鋁基復(fù)合材料的焊接難點[4-7]。硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料（Sip/Al），不僅加工性能優(yōu)于SiC/Al，還更為環(huán)保，不含有害健康元素，易于回收處理，成為當(dāng)前國內(nèi)外封裝材料研究的熱點之一[8-10]。如何實現(xiàn)Sip/Al復(fù)合材料的可靠連接成為亟待解決的問題[11]。

目前關(guān)于Sip/Al復(fù)合材料焊接的相關(guān)報道較少。本研究前期采用Al-12Si共晶焊絲作為填充釬料，研究不同工藝條件下的焊縫成形特性以及硅元素的擴散行為等，對于接頭性能以及斷裂行為未進行過多研究[12]。后期以AlMg5（5356）焊絲作為填充釬料，研究不同工藝參數(shù)對接頭成形和內(nèi)部缺陷的影響。在優(yōu)化工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析接頭組織，揭示不同焊接工藝參數(shù)對Sip/Al復(fù)合材料焊縫性能的影響規(guī)律。

1 試驗材料和方法

試驗選用的焊接材料為硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料Sip/4032Al，基體為4032鋁合金，尺寸60 mm× 18 mm×2 mm。所用Sip/Al復(fù)合材料選用的增強體是粒徑20 μm的高純Si顆粒（體積分數(shù)75％）。焊絲型號為5356，直徑2.0 mm，因其具有良好的焊接工藝性能，焊接飛濺少，形成的接頭強度較強。同時可利用其中Mg和Si的反應(yīng)達到增強接頭的目的。母材和焊絲的化學(xué)成分如表1和表2所示。

表1 4032鋁基體化學(xué)成分％

表2 5356鋁焊絲化學(xué)成分％

激光填絲釬焊過程如圖1所示。采用德國ROFINSINAR公司生產(chǎn)的SLAB DC-030型3kW CO2擴散冷卻激光器、CNC數(shù)控系統(tǒng)和平面工作臺。試件加工一定角度的坡口，填充焊絲從激光束前方自動送入，氬氣在后方進行保護。為了提高釬料的熔化鋪展效果，母材需一定的預(yù)熱溫度，故采用散焦光斑進行加熱，光斑直徑為+20 mm。主要研究工藝參數(shù)為激光功率P、焊接速度vd、送絲速度vf。

圖1 激光填絲釬焊示意

試驗中使用的光斑形式主要為圓形光斑和矩形光斑。圓形光斑聚焦直徑0.2 mm，矩形光斑尺寸2 mm×4 mm。

焊后采用金相顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）等手段觀察接頭的宏觀成形和組織，分析成分。采用INSTRON 5500R型電子萬能材料試驗機進行拉伸試驗，試件尺寸如圖3所示，拉伸速率0.5 mm/min。試樣斷裂后，使用S-500型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

圖2 光斑形式示意

圖3 拉伸試件尺寸

2 結(jié)果分析

2.1 光斑及坡口

不同光斑及坡口形式下的焊縫截面形貌如圖4所示。研究典型的矩形光斑和圓形光斑焊接下的焊縫成形，焊接參數(shù)為P=2 000 W，vd=0.5 m/min，vf= 1.0 m/min，兩者均為帶有鈍邊的60°V型坡口的接頭。采用矩形光斑進行焊接時，由于矩形光斑輻照范圍大，能量輻射超過熔合線位置，使部分母材也發(fā)生熔化，造成進入焊縫中的硅顆粒增強相相對較多，如圖4a所示。分析認為，由于矩形光斑能量較分散，不能有效熔化接頭鈍邊，從而出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象。圓形光斑進行焊接時，在較小的功率下即可熔化鈍邊，且焊透情況比較理想，如圖4b所示。因此在隨后實驗中采用圓形光斑的激光進行焊接。

不同坡口形式對接頭的成形質(zhì)量影響較大，在此研究了三種典型坡口形式：U型坡口、120°V形坡口和60°V型坡口，結(jié)果如圖4c～圖4g所示。當(dāng)采用U型坡口時，在熱輸入較小、熔合較差的情況下，焊縫金屬不能完全填滿坡口底部，從而形成未熔合缺陷，如圖4c所示；在熱輸入稍大時，雖然熔合情況較好，但仍然難以焊透U型坡口的鈍邊，如圖4d所示。當(dāng)采用120°V型坡口時，熔合情況及組織分布情況均良好，但存在一個問題：當(dāng)坡口開得較淺時，導(dǎo)致底部鈍邊太厚而無法焊透（見圖4e）；當(dāng)坡口開得較深時，V型空間過大，需要大量的焊絲和較大熱輸入，填充量過大易造成氣孔缺陷，如圖4f所示?；诖?，縮小V型坡口角度至60°，焊后發(fā)現(xiàn)接頭成形質(zhì)量優(yōu)于上述兩者情況。實驗中還發(fā)現(xiàn)，帶約0.5 mm鈍邊的坡口，在保證熔化足夠多的母材所需熱輸入下，無焊縫金屬下漏情況，如圖4g所示。

圖4 不同光斑及坡口形式下焊縫截面形貌

2.2 連續(xù)/脈沖

除光斑和坡口形式外，激光能量（激光功率、連續(xù)或脈沖）直接影響激光填絲焊縫的成形質(zhì)量。不同連續(xù)/脈沖激光下的焊縫截面形貌如圖5所示。當(dāng)功率為2 000 W時，熱輸入量較小，焊絲未完全熔化，呈熔融狀態(tài)堆積于焊縫表面，焊縫顯得很粗糙；激光功率增大到2 500 W時，焊縫表面較光滑但焊縫余高太大，此時焊絲雖完全熔化，但由于激光光束作用于焊絲上，母材受熱不足，焊絲沒有進行較充分的鋪展和熔合；當(dāng)功率增大到2 800 W時，焊縫成形細致均勻，焊縫寬度增加，如圖5a所示。在連續(xù)大功率焊接時，熔池存在時間長，增大了外界氣體進入熔池的時間，從而增加了氣孔的出現(xiàn)幾率。上述連續(xù)焊接頭中出現(xiàn)的氣孔較多。

圖5 連續(xù)/脈沖激光下的焊縫截面形貌

圖5b、圖5c為脈沖焊接時不同激光功率下的焊縫形貌，其他參數(shù)vd=0.5 m/min，vf=1 m/min。當(dāng)占空比較高即實際功率較高時，鈍邊發(fā)生熔透，出現(xiàn)下塌缺陷。在功率較低時，鈍邊熔化較少且熔寬較窄，焊縫背面下塌量合適、無凹陷產(chǎn)生。分析認為，大功率時熔寬增大，熔化金屬的量較多，此時熔池主要受向下的重力和表面張力，由于液態(tài)金屬的粘度很低，熔池被向上托起的表面張力很小，在快速冷卻凝固時焊縫金屬在自身重力作用下出現(xiàn)下凹，導(dǎo)致背面下塌缺陷。對比連續(xù)和脈沖焊接結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，脈沖焊接頭中的氣孔缺陷相比連續(xù)焊時顯著減少。脈沖焊接過程是斷續(xù)式加熱，其峰值功率較高但平均功率較低，故可在較低能量下保證熔透。此外熔池金屬高溫停留時間短，金屬冷凝快，有利于消除氣孔缺陷。因此在隨后的實驗中，采用脈沖激光焊工藝進行焊接。

2.3 組織分析

不同熱輸入條件下的Sip/Al復(fù)合材料焊縫組織形貌如圖6所示。當(dāng)線能量較小時（66 kJ/cm），母材熔化較少，溶解到焊縫中的Si也較少，焊縫中主要是先析出的α-Al相和后析出的Al-Si共晶組織，其中不規(guī)則白色區(qū)域為鋁相，夾雜于其間的暗色部分為共晶組織，如圖6a～圖6c所示。對比圖6b和圖6c可知，焊縫中心和底部熔合線處組織情況無明顯差別，坡口形狀也基本完整。當(dāng)線能量增大時（102 kJ/cm），坡口底部鈍邊熔化增多，進入焊縫中的硅相應(yīng)增多，焊縫底部出現(xiàn)初生硅顆粒，且共晶組織的數(shù)量也明顯增多。而坡口上半部分與上一種情況相比則無明顯變化，如圖6d～圖6f所示。

圖6 不同熱輸入條件下的組織形貌

當(dāng)線能量進一步增大時（110 kJ/cm），母材熔化較多，更多的硅進入焊縫，導(dǎo)致其組織變得較均勻。但在較大參數(shù)下，生成的氣孔也較多，如圖6c所示。隨著硅從母材進入焊縫，焊縫組織由原來的亞共晶成分變?yōu)檫^共晶成分。在冷卻過程中，焊縫中首先結(jié)晶出的形態(tài)主要為各種不規(guī)則花瓣或塊狀的初生硅，硅顆粒一邊生長一邊排出鋁原子，而排出的鋁原子最終阻礙硅的進一步長大，這樣在初生硅的周圍會生成一層鋁的暈圈。當(dāng)溫度降到Al-Si共晶點，這兩者以外其余部分結(jié)晶成為Al-Si共晶組織。其相應(yīng)的掃描電鏡組織照片如圖7所示，可清晰看到在初晶硅周圍的Al-Si共晶組織。對該區(qū)域進行能譜測試，其主要成分為w（Al）=23.21％，w（Si）= 75.13％，與觀察結(jié)果吻合。

圖7 熱輸入較大時（110 kJ/cm）的焊縫SEM形貌

2.4 力學(xué)性能

根據(jù)前面的工藝試驗，選取脈沖焊時不同參數(shù)下焊縫表面成形較好且氣孔較少的試件進行拉伸試驗。所選試件的參數(shù)及試驗結(jié)果如表3所示。斷裂位置及斷口形貌如圖8所示。

表3 拉伸測試結(jié)果

圖8 不同熱輸入下的斷口形貌

結(jié)果顯示，接頭的最大抗拉強度為42.4 MPa，達到母材強度（63.4 MPa）的67％。當(dāng)線能量較低（1號和2號試件），熔合線處母材未充分熔化，連接強度不理想。

而線能量較高時（3號和4號試件），接頭熔合線處熔合情況較好，焊縫內(nèi)形成Si顆粒增強相和共晶組織，強度較高，但隨之增多的缺陷成為接頭斷裂的根源；當(dāng)焊速過快（5號試件）時，焊縫組織不穩(wěn)定，斷裂發(fā)生，強度異常低下。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，線能量較低時（1號斷口），斷裂形貌主要由兩種形態(tài)組織組成。表面較光滑而亮度較低的為先析出相，形狀不規(guī)則邊角尖銳且亮度較低的為后析出共晶組織，如圖8c所示。這是由于母材邊緣熔化情況較差，導(dǎo)致進入焊縫中心的Si較少，先析出的主要為α-Al相，其間夾雜少量的Al-Si共晶。因為焊縫與母材二者連接作用較弱，故斷裂裂紋多位于熔合線處。其斷口較平整，且裸露出母材側(cè)含量較高的增強相Si顆粒。

當(dāng)線能量進一步增大（3號試件），母材邊緣熔化情況較好，母材中增強相Si大量進入焊縫，故其中有較多的初生硅顆粒、次生鋁相和Al-Si共晶，焊縫與母材連接情況較好，與此同時焊縫中缺陷增多，導(dǎo)致其力學(xué)性能不均勻。在應(yīng)力集中時，斷裂首先發(fā)源于焊縫中心的缺陷處，并向外圍擴展，最終導(dǎo)致接頭斷裂。

由于CO2激光的波長（10.6 μm）大，對輕質(zhì)材料如鋁、鎂的反射率高，能量損失嚴重，易產(chǎn)生焊接缺陷[13]。下一步將考慮采用波長更短的光纖激光器，提高焊接過程的穩(wěn)定性和接頭質(zhì)量。

4 結(jié)論

（1）相較于矩形光斑，圓形光斑能量較為集中可以保證焊透，適合Sip/Al復(fù)合材料的填絲釬焊。60°V形坡口可保證獲得焊縫成形較好。連續(xù)焊接時焊縫成形不理想且缺陷較多；而脈沖焊平均功率較低，可同時保證成形質(zhì)量和缺陷控制。

（2）對于焊縫區(qū)組織，當(dāng)線能量較小時，焊縫為先析出的Al相和后析出的Al-Si共晶組織；隨著線能量增大，母材坡口底部熔化加劇，在焊縫下部處出現(xiàn)初生Si相，而上部變化不大；當(dāng)線能量較大時，整個焊縫由分布較均勻的Si相、Al相

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Laser welding of Si particle reinforced aluminum matrix composite with filler

ZHANG Zequn1，HUANG Yuhua1，TAN Caiwang1，CHEN Bo1，LI Liqun2，F(xiàn)ENG Jicai1，2
（1.Shandong Provincial Key Laboratory of Special Welding Technology，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China；2.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

Laser brazing of 2 mm-thick Sip/Al composite(volume fraction 75％)with Al-Mg based filler were performed.Influence of different processing parameters including spot type，groove and heat input on weld appearance were investigated.After that the microstructures were observed and tensile strength of joints obtained at different heat inputs were evaluated.The results indicated that circular spot，60°V groove at pulse mode is suitable for joining Sip/Al composite.The evolution process of weld microstructure is closely associated with the amount of Si from base metal involved into the weld.The maximum tensile strength could reach 42.4 MPa，which is 67％that of base metal.There are two fracture modes，fracture occurred at fusion line when at low heat input，while fracture at weld at large heat input with more defects.

laser brazing；Sip/Al composite；weld appearance；microstructure

TG457.1

A

1001－2303（2017）01－0026-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.04

獻

張澤群，黃煜華，檀財旺，等.Sip/Al復(fù)合材料激光填絲釬焊工藝[J].電焊機，2017，47（1）：26-30，62.

2016-03-17；

2016-12-25

哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進焊接與連接國家重點實驗室開放課題（AWJ-M15-08）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（HIT.NSRIF.2016094）；哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）校科研基金[HIT（WH）201416]；

張澤群（1993—），女，山東人，在讀碩士，主要從事激光加工及激光增材制造的研究。