Cu-Sn、Ni-Sn异质合金快速凝固焊焊接性浅析

万 笛,肖俊青

（湖北工程职业学院,湖北 黄石 435003）

Cu-Sn、Ni-Sn异质合金快速凝固焊焊接性浅析

万 笛,肖俊青

（湖北工程职业学院,湖北 黄石 435003）

本文对Cu-13.5%Sn、Ni-19.8%Sn两种微晶合金的显微组织和两者进行快速凝固焊接后的接头的组织结构和力学性能作了较为系统的研究，结合组织分析、性能测试、接头形貌观察讨论了点焊接头的形成机制同时分析了工艺参数对焊接接头质量的影响。

快速凝固焊；焊接接头；熔核

1 快速凝固合金简介

快速凝固合金主要为亚稳材料。亚稳材料是指热力学上处于高能态接近稳定态的一类材料[1]。而制备亚稳材料最为常用的方法是在特殊条件下进行快速凝固连接。

通过对快速冷却技术制备的Cu-13.5%Sn和Ni-19.8%Sn异质合金在采用高能电阻焊焊装置，建立特殊条件下的快速凝固连接条件，包括：高能量以及快速冷却速率。通过对亚稳态异质合金的快速凝固焊进行工艺分析；探索选用不同的电阻焊连接工艺及技术参数，观察焊接接头组织，分析快速凝固合金连接过程中的金相稳定性；并通过对接头的冷却速率的计算，分析低微亚稳合金接头的组织形成规律。

2 合金急冷箔带的原始组织

母材Cu-13.5%Sn合金成分由α-Cu以及β-Cu相组成。其中，α-Cu占大量。母材Ni-19.8%Sn成分由α-Ni和极少量的β-Ni相组成。α-Ni相相对易被腐蚀，处于晶界上的β-Ni相则耐蚀性较好。急冷导致Sn在α-Ni相中的固溶度扩展，有效的遏制了Ni-19.8%Sn合金在平衡凝固条件下极易出现的偏析。在较高的冷却速率下，熔核形成速度快，形成了细小均匀的、无偏析的快速凝固组织[2]。

3 焊接接头的组织分析

3.1 Cu-13.5%Sn和Ni-19.8%Sn亚共晶接头组织形态

3.1.1 接头的整体形貌

接头组织的形成，与焊接条件有着密切的关系。由于采用铜电极，铜电极及薄材的散热速度很快，熔核的冷却速率很大。高的冷却速率使熔核的形核率显著增大，从而形成细小致密的快速凝固组织,合金薄带接头呈椭球形的熔核区。

3.1.2 熔合区组织形态

熔核组织形貌熔核区内有明显金属的流动性，部分为相对容易腐蚀的Cu-13.5%Sn.由此可知该异质合金具有良好的可焊接性。且熔合线处为细小的晶粒组织，以及枝晶组织颗粒。熔核区很窄，大约在3μm左右，热影响区趋于零，中间存在一定量的过渡固熔体α-Ni.铜电极和母材快速散热的急冷作用，使熔合线附近区域形成极大的温度梯度；因此两种异质材料的焊接熔合线处存在很大的成分不均匀，在加上未熔化的Ni-19.8%Sn，使得熔合线处溶化了的Cu-13.5%Sn很快凝固，形成了亚稳态的快速凝固组织，组织致密细小。

3.2 影响点焊接头质量的工艺参数

影响接头的剪切强度主要工艺参数包括焊接能量、电极压力、焊接电压及焊接时间等。以点焊接头的剪切强度为参数来分析焊接接头的力学性。

4 结论

本文对Cu-13.5%Sn、Ni-19.8%Sn两种微晶合金的显微组织和两者进行快速凝固焊接后的接头的组织结构和力学性能作了较为系统的研究，结合组织分析、性能测试、接头形貌观察讨论了点焊接头的形成机制同时分析了工艺参数对焊接接头质量的影响。所获得的主要结论如下：

熔核中的缺陷

当选用焊接参数为电极压力力F＝15N，电压U＝80V时得到的接头熔核组织形貌如下。从图中可以发现，接头的基体处仍然保持着沿合金带方向的椭圆形的熔核区组织，并且在最心部的地方形成了缩孔，成为较明显的焊接缺陷。致使在 A区域母材被焊接电压击穿，B区域形成断裂。其形成原因为在椭圆形的熔化中心形成焊接接头的过程中，释放出的结晶潜热使得温度梯度变缓，抑制了液相流动，容易形成断裂口。

焊接过程中，焊接参数不合理，接头出现焊接缺陷。熔核中心的结合处容易出现焊接缺陷，这与熔核区加热集中，温差大，加热和冷却速度快有关。熔核区为最后的凝固的地方，过冷阻碍了合金原子向晶内的扩散，凝固后，晶界上形成合金成分偏析、杂质较多，形成接头薄弱环节。在外界压力作用下，晶界原子开始自由移动，超过晶界所允许的变形范围时，沿晶界方向开始形成裂纹，会对接头的力学性能产生极大影响，应当选择合理的焊接参数，避免出现该焊接缺陷。

[1]翟秋亚,杨扬,徐锦锋,郭学锋.快速凝固Cu-Sn合金的组织形态及相结构[J].中国有色金属学报,2006（08）.

[2]于溪凤,胡壮麒.零维液态金属快速凝固过程的热力学和动力学[J].东北大学学报（自然科学版）,1998（05）.

万笛（1985—），女，湖北武汉人，硕士，助理讲师，主要研究方向：机械电子工程。