Sip/Al复合材料激光填丝钎焊工艺

张泽群，黄煜华，檀财旺，陈 波，李俐群，冯吉才，

（1.哈尔滨工业大学（威海）山东省特种焊接技术重点实验室，山东威海264209；2.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001）

Sip/Al复合材料激光填丝钎焊工艺

张泽群1，黄煜华1，檀财旺1，陈 波1，李俐群2，冯吉才1，2

（1.哈尔滨工业大学（威海）山东省特种焊接技术重点实验室，山东威海264209；2.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001）

采用激光填丝钎焊对2 mm厚高体份（体积分数75％）Sip/Al复合材料接头进行连接。研究不同工艺参数（光斑、坡口形式、热输入）下的焊缝成形特征，观察接头的组织形貌，对不同热输入条件下的接头进行力学性能评价。结果表明：采用圆形光斑，开60°V型坡口，脉冲焊接模式适合该复合材料的焊接，焊缝成形较好。焊缝组织的演变与母材熔入的Si增强相含量密切相关。焊接接头的最大抗拉强度为42.4 MPa，达到母材的67％。试件断裂方式主要有两种：线能量较小时连接状况较差，熔合区易发生断裂；线能量较大时焊缝缺陷较多，易发生断裂。

激光钎焊；Sip/Al复合材料；焊缝成形；组织

0 前言

铝基复合材料比强度高、模量高、耐磨性高、耐高温以及尺寸稳定性好，且制作工艺简单、成本低，易于实现大规模产业化生产，在航空航天、微电子封装系统等领域具有广阔的应用前景。目前应用最广泛的是SiCp/Al复合材料[1-2]。但SiC颗粒增强金属复合材料的切削加工性较差，其高熔点特性不利于复合材料的焊接[3]。此外，SiC和Al之间易形成的金属间化合物（Al4C3）也成为此类铝基复合材料的焊接难点[4-7]。硅颗粒增强铝基复合材料（Sip/Al），不仅加工性能优于SiC/Al，还更为环保，不含有害健康元素，易于回收处理，成为当前国内外封装材料研究的热点之一[8-10]。如何实现Sip/Al复合材料的可靠连接成为亟待解决的问题[11]。

目前关于Sip/Al复合材料焊接的相关报道较少。本研究前期采用Al-12Si共晶焊丝作为填充钎料，研究不同工艺条件下的焊缝成形特性以及硅元素的扩散行为等，对于接头性能以及断裂行为未进行过多研究[12]。后期以AlMg5（5356）焊丝作为填充钎料，研究不同工艺参数对接头成形和内部缺陷的影响。在优化工艺参数的基础上，分析接头组织，揭示不同焊接工艺参数对Sip/Al复合材料焊缝性能的影响规律。

1 试验材料和方法

试验选用的焊接材料为硅颗粒增强铝基复合材料Sip/4032Al，基体为4032铝合金，尺寸60 mm× 18 mm×2 mm。所用Sip/Al复合材料选用的增强体是粒径20 μm的高纯Si颗粒（体积分数75％）。焊丝型号为5356，直径2.0 mm，因其具有良好的焊接工艺性能，焊接飞溅少，形成的接头强度较强。同时可利用其中Mg和Si的反应达到增强接头的目的。母材和焊丝的化学成分如表1和表2所示。

表1 4032铝基体化学成分％

表2 5356铝焊丝化学成分％

激光填丝钎焊过程如图1所示。采用德国ROFINSINAR公司生产的SLAB DC-030型3kW CO2扩散冷却激光器、CNC数控系统和平面工作台。试件加工一定角度的坡口，填充焊丝从激光束前方自动送入，氩气在后方进行保护。为了提高钎料的熔化铺展效果，母材需一定的预热温度，故采用散焦光斑进行加热，光斑直径为+20 mm。主要研究工艺参数为激光功率P、焊接速度vd、送丝速度vf。

图1 激光填丝钎焊示意

试验中使用的光斑形式主要为圆形光斑和矩形光斑。圆形光斑聚焦直径0.2 mm，矩形光斑尺寸2 mm×4 mm。

焊后采用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）等手段观察接头的宏观成形和组织，分析成分。采用INSTRON 5500R型电子万能材料试验机进行拉伸试验，试件尺寸如图3所示，拉伸速率0.5 mm/min。试样断裂后，使用S-500型扫描电子显微镜观察断口形貌。

图2 光斑形式示意

图3 拉伸试件尺寸

2 结果分析

2.1 光斑及坡口

不同光斑及坡口形式下的焊缝截面形貌如图4所示。研究典型的矩形光斑和圆形光斑焊接下的焊缝成形，焊接参数为P=2 000 W，vd=0.5 m/min，vf= 1.0 m/min，两者均为带有钝边的60°V型坡口的接头。采用矩形光斑进行焊接时，由于矩形光斑辐照范围大，能量辐射超过熔合线位置，使部分母材也发生熔化，造成进入焊缝中的硅颗粒增强相相对较多，如图4a所示。分析认为，由于矩形光斑能量较分散，不能有效熔化接头钝边，从而出现未焊透现象。圆形光斑进行焊接时，在较小的功率下即可熔化钝边，且焊透情况比较理想，如图4b所示。因此在随后实验中采用圆形光斑的激光进行焊接。

不同坡口形式对接头的成形质量影响较大，在此研究了三种典型坡口形式：U型坡口、120°V形坡口和60°V型坡口，结果如图4c～图4g所示。当采用U型坡口时，在热输入较小、熔合较差的情况下，焊缝金属不能完全填满坡口底部，从而形成未熔合缺陷，如图4c所示；在热输入稍大时，虽然熔合情况较好，但仍然难以焊透U型坡口的钝边，如图4d所示。当采用120°V型坡口时，熔合情况及组织分布情况均良好，但存在一个问题：当坡口开得较浅时，导致底部钝边太厚而无法焊透（见图4e）；当坡口开得较深时，V型空间过大，需要大量的焊丝和较大热输入，填充量过大易造成气孔缺陷，如图4f所示。基于此，缩小V型坡口角度至60°，焊后发现接头成形质量优于上述两者情况。实验中还发现，带约0.5 mm钝边的坡口，在保证熔化足够多的母材所需热输入下，无焊缝金属下漏情况，如图4g所示。

图4 不同光斑及坡口形式下焊缝截面形貌

2.2 连续/脉冲

除光斑和坡口形式外，激光能量（激光功率、连续或脉冲）直接影响激光填丝焊缝的成形质量。不同连续/脉冲激光下的焊缝截面形貌如图5所示。当功率为2 000 W时，热输入量较小，焊丝未完全熔化，呈熔融状态堆积于焊缝表面，焊缝显得很粗糙；激光功率增大到2 500 W时，焊缝表面较光滑但焊缝余高太大，此时焊丝虽完全熔化，但由于激光光束作用于焊丝上，母材受热不足，焊丝没有进行较充分的铺展和熔合；当功率增大到2 800 W时，焊缝成形细致均匀，焊缝宽度增加，如图5a所示。在连续大功率焊接时，熔池存在时间长，增大了外界气体进入熔池的时间，从而增加了气孔的出现几率。上述连续焊接头中出现的气孔较多。

图5 连续/脉冲激光下的焊缝截面形貌

图5b、图5c为脉冲焊接时不同激光功率下的焊缝形貌，其他参数vd=0.5 m/min，vf=1 m/min。当占空比较高即实际功率较高时，钝边发生熔透，出现下塌缺陷。在功率较低时，钝边熔化较少且熔宽较窄，焊缝背面下塌量合适、无凹陷产生。分析认为，大功率时熔宽增大，熔化金属的量较多，此时熔池主要受向下的重力和表面张力，由于液态金属的粘度很低，熔池被向上托起的表面张力很小，在快速冷却凝固时焊缝金属在自身重力作用下出现下凹，导致背面下塌缺陷。对比连续和脉冲焊接结果可发现，脉冲焊接头中的气孔缺陷相比连续焊时显著减少。脉冲焊接过程是断续式加热，其峰值功率较高但平均功率较低，故可在较低能量下保证熔透。此外熔池金属高温停留时间短，金属冷凝快，有利于消除气孔缺陷。因此在随后的实验中，采用脉冲激光焊工艺进行焊接。

2.3 组织分析

不同热输入条件下的Sip/Al复合材料焊缝组织形貌如图6所示。当线能量较小时（66 kJ/cm），母材熔化较少，溶解到焊缝中的Si也较少，焊缝中主要是先析出的α-Al相和后析出的Al-Si共晶组织，其中不规则白色区域为铝相，夹杂于其间的暗色部分为共晶组织，如图6a～图6c所示。对比图6b和图6c可知，焊缝中心和底部熔合线处组织情况无明显差别，坡口形状也基本完整。当线能量增大时（102 kJ/cm），坡口底部钝边熔化增多，进入焊缝中的硅相应增多，焊缝底部出现初生硅颗粒，且共晶组织的数量也明显增多。而坡口上半部分与上一种情况相比则无明显变化，如图6d～图6f所示。

图6 不同热输入条件下的组织形貌

当线能量进一步增大时（110 kJ/cm），母材熔化较多，更多的硅进入焊缝，导致其组织变得较均匀。但在较大参数下，生成的气孔也较多，如图6c所示。随着硅从母材进入焊缝，焊缝组织由原来的亚共晶成分变为过共晶成分。在冷却过程中，焊缝中首先结晶出的形态主要为各种不规则花瓣或块状的初生硅，硅颗粒一边生长一边排出铝原子，而排出的铝原子最终阻碍硅的进一步长大，这样在初生硅的周围会生成一层铝的晕圈。当温度降到Al-Si共晶点，这两者以外其余部分结晶成为Al-Si共晶组织。其相应的扫描电镜组织照片如图7所示，可清晰看到在初晶硅周围的Al-Si共晶组织。对该区域进行能谱测试，其主要成分为w（Al）=23.21％，w（Si）= 75.13％，与观察结果吻合。

图7 热输入较大时（110 kJ/cm）的焊缝SEM形貌

2.4 力学性能

根据前面的工艺试验，选取脉冲焊时不同参数下焊缝表面成形较好且气孔较少的试件进行拉伸试验。所选试件的参数及试验结果如表3所示。断裂位置及断口形貌如图8所示。

表3 拉伸测试结果

图8 不同热输入下的断口形貌

结果显示，接头的最大抗拉强度为42.4 MPa，达到母材强度（63.4 MPa）的67％。当线能量较低（1号和2号试件），熔合线处母材未充分熔化，连接强度不理想。

而线能量较高时（3号和4号试件），接头熔合线处熔合情况较好，焊缝内形成Si颗粒增强相和共晶组织，强度较高，但随之增多的缺陷成为接头断裂的根源；当焊速过快（5号试件）时，焊缝组织不稳定，断裂发生，强度异常低下。

通过观察发现，线能量较低时（1号断口），断裂形貌主要由两种形态组织组成。表面较光滑而亮度较低的为先析出相，形状不规则边角尖锐且亮度较低的为后析出共晶组织，如图8c所示。这是由于母材边缘熔化情况较差，导致进入焊缝中心的Si较少，先析出的主要为α-Al相，其间夹杂少量的Al-Si共晶。因为焊缝与母材二者连接作用较弱，故断裂裂纹多位于熔合线处。其断口较平整，且裸露出母材侧含量较高的增强相Si颗粒。

当线能量进一步增大（3号试件），母材边缘熔化情况较好，母材中增强相Si大量进入焊缝，故其中有较多的初生硅颗粒、次生铝相和Al-Si共晶，焊缝与母材连接情况较好，与此同时焊缝中缺陷增多，导致其力学性能不均匀。在应力集中时，断裂首先发源于焊缝中心的缺陷处，并向外围扩展，最终导致接头断裂。

由于CO2激光的波长（10.6 μm）大，对轻质材料如铝、镁的反射率高，能量损失严重，易产生焊接缺陷[13]。下一步将考虑采用波长更短的光纤激光器，提高焊接过程的稳定性和接头质量。

4 结论

（1）相较于矩形光斑，圆形光斑能量较为集中可以保证焊透，适合Sip/Al复合材料的填丝钎焊。60°V形坡口可保证获得焊缝成形较好。连续焊接时焊缝成形不理想且缺陷较多；而脉冲焊平均功率较低，可同时保证成形质量和缺陷控制。

（2）对于焊缝区组织，当线能量较小时，焊缝为先析出的Al相和后析出的Al-Si共晶组织；随着线能量增大，母材坡口底部熔化加剧，在焊缝下部处出现初生Si相，而上部变化不大；当线能量较大时，整个焊缝由分布较均匀的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，FENG 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

献

张泽群，黄煜华，檀财旺，等.Sip/Al复合材料激光填丝钎焊工艺[J].电焊机，2017，47（1）：26-30，62.

2016-03-17；

2016-12-25

哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室开放课题（AWJ-M15-08）；中央高校基本科研业务费专项资金（HIT.NSRIF.2016094）；哈尔滨工业大学（威海）校科研基金[HIT（WH）201416]；

张泽群（1993—），女，山东人，在读硕士，主要从事激光加工及激光增材制造的研究。