铝硅焊片对异种铝合金电子束焊接焊缝组织性能的影响.pdf

3 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 。7 5 4 5 ．2 0 11 ．0 7 ．0 0 7 铝硅焊片对异种铝合金电子束焊接 焊缝组织性能的影响 贾松青，江轩，何金江，朱晓光，陈明 北京有色金属研究总院有研亿金新材料股份有限公司，北京1 0 0 0 8 8 摘要采用电子束焊接技术，研究厚度为2 0m m 的A 1 C u 0 ．5 ，A I S i C u ，A 1 S i l 三种高纯铝合金分别与6 0 6 1 铝合会的焊接效果。通过添加铝硅焊片来改善异种铝合会焊接的组织性能。对焊缝区域组织的分析表 明，不同焊片添加最改变铝合金焊缝中的S i 含量，从而对焊接的裂纹敏感性有显著的影响。当焊缝中 S i 含量在1 ％左右时容易产生裂纹缺陷，随着焊缝中s i 含量的增高，焊缝中的裂纹逐渐减小，直至没有 裂纹缺陷的产生。焊缝的硬度也随焊缝中s i 含龟的增高而变大。针对不同的高纯铝合金与6 0 6 1 的焊 接，通过添加合适的铝硅焊片，能获取组织性能优异的焊缝。 关键词金属材料；异种铝合金；电子束焊接；铝硅焊片；裂纹 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G 4 5 7 ．1 4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 7 0 0 3 0 0 5 E f f e c to fA I - S iS o l d e ro nP r o p e r t i e so fD i s s i m i l a rA l u m i n u m A l l o yW e l db yE l e c t r o nB e a mW e l d i n g J I AS o n g q i n g ，J I A N GX u a n ，H EJ i n j i a n g ，Z H UX i a o g u a n g ，C H E NM i n g G r i k i nA d v a n c e dM a t e r i a l sC o ．I 。t d ．G e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t e f o rN o n f e r r o u sM e t a l s ，B e i j i n g1 0 0 0 8 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h ew e l d i n ge f f e c t so ft h e2 0 m mt h i c k n e s sd i s s i m i l a rh i g h p u r i t yA 1a l l o y s A 1 C u 0 ．5 ，A 1 S i C u ， A 1 S i l w i t h6 0 6 1 A 1a l l o yarei n v e s t i g a t e db ye l e c t r o nb e a mw e l d i n g ．T h eo r g a n i z a t i o n a lp e r f o r m a n c e so f t h ew e l d i n gj o i n t so ft h ed i s s i m i l a ra l u m i n u ma l l o y sa r ei m p r o v e db yt h ea d d i t i o no ft h eA I S is o l d e r s ．I ti s i n d i c a t e db yt h ew e l d i n go r g a n i z a t i o n sa n a l y s i st h a tt h eS ic o n t e n ti nw e l d i n gj o i n tv a r i e st ot h ed o s a g eo f A l S is o l d e r 。a n dt h es e n s i t i v i t yo ft h ew e l d i n gc r a c ki ss i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db yt h eS ic o n t e n t ．C r a c k d e f e c t sa r ee a s yt of o r mw h e nt h eS ic o n t e n ti sa b o u t1 ％i nt h ew e l d i n gj o i n t ．T h eh i g h e rt h eS ic o n t e n ti s ， t h es m a l l e rt h es e n s i t i v i t yo ft h ew e l d i n gc r a c kh a s ，u n t i lt h e r ei sn oc r a c kd e f e c tw i t he n o u g hc o n t e n to f S i ．T h eh a r d n e s so fw e l d i n gj o i n t si si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eS ic o n t e n t ．F o rd i f f e r e n th i g h - p u r i t ya l u m i n u ma l l o y sw h i c hw e l dw i t h6 0 6 1a l u m i n u ma l l o y ，t h ee x c e l l e n tm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s o fw e l d i n gj o i n t sc a nb ea c h i e v e db yt h ea d d i t i o no ft h ea p p r o p r i a t eA 1 一S is o l d e rp i e c e s ． K e yw o r d s m e t a lm a t e r i a l ；d i s s i m i l a ra l u m i n u ma l l o y ；e l e c t r o nb e a mw e l d i n g ；A l S is o l d e r ；c r a c k 高纯铝合金材料 A 1 C u 0 ．5 ，A 1 S i C u ，A 1 S i l 是 集成电路布线用溅射靶材的主要材料。在靶材的制 造过程中，如果靶整体全部采用高纯铝合金加工则 制造成本非常高，为了节省成本。通常将晶粒细化后 的高纯铝合金与6 0 6 1 铝合金板焊接成靶材产品Ⅲ。 高纯铝由于合金含量比较少，强化相很少，因此焊接 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 重大项日 2 0 0 8 A A 0 3 1 8 0 2 作者简介贾松苛 1 9 8 2 一 ，男，辽宁鞍山市人，工程师．硕士，主要从事有色金属焊接等方面的研究。 万方数据 柑色金属 冶炼部分 2 。1 1 年7 期 裂纹敏感性比较低．但是在与6 1 6 1 铝台金的焊接过 程中．南于6 0 6 1 铝合台是以镁和硅为主要音金元 索．并以M g S i 相为强化相的铝合盒，组织中有少 最的游离s 一．无论是M ＆S i 还是s l 都是强度比较 高、脆性比较大，焊接时裂纹倾向比较大的组分。因 此这两种异种金属豹焊接，裂纹的敏感性显著增加- 焊接的状况直接影响到高纯铝台盒靶材的溅射过 程。 电子束焊接作为一种精密的高能密度焊接技 术．焊接强度高，热影响Ⅸ小，变形小，是一种理想的 锅台金靶材焊接方法。电子束焊接的廊用效果不仅 取央予设备．在更大程度上取决于工艺过程。囤外 在发艘电子束焊接同时．对』 艺研究～般都非常重 视。工艺的研究促进了设备的发展- 也扩大了电子 束的应用范畴““。 1 试验方法 11 试验材料 试验选用的高纯韬合盒材料为A I C u 05 ， A I S i l C u 05 ．A I S i l 。其中A I C u 05 台仓的化学成 分为05 “C u ．萁余为A 1 ，A t S i 】C u O5 合金的成分 为l “S i ．05 ％C o 其余为A I 。A I S I I 合金的成分为 1 “S i ．其余为A I 。材料的纯度 5 N 5 9 99 9 95 蹦， G I M S 分析 。高女峙；合金的原始铸志组织h i , 粒粗 人 二 5 0 0H m ，对其进行一定的热机械处理，进火 后获得平均品粒K 寸约在8 0 ～1 0 0H m 的卦【纽。与 高纯铝台盘焊接的材料为6 0 6 l 锅合金，T 6 热处理 状态。所添加的焊片材料为A I S i 9 ．其台金成分9 州 s - 。 种高纯铝台盎材料“苁6 。6 1 铝合盘材料的 试样尺寸均为1 0 0m m 4 0m m 2 0 ‰样品经 化学清洗、酒精以厦纯净水清洗、烘l ‘后征即焊接。 12 试验过程 辛要研究焊料的舔加情况时焊缝性能的影响． 通过改坐焊片的数量米影响焊接过程中焊缝的成 分．选择A I S I g 掉片主要是为了研究％元紊在焊缝 中的作用。各个试验样品焊片添加数量见表1 。焊 接的功术选掸在5 - - 6u ．焊接速度控制在1 lr a m ／s ， 表1 各个样品焊片添加数量 T a b l e1A d d t i o no fw e l d i n gr 1 I mi n ⋯l K M * “ * ＆／⋯ 0 l A l C u 05 “J j A I S i l 【1 u o5 * 21 m 1”“30 目3 1 焊后在焊接接头K 域干叮川线切割制取试样．经 打磨，抛光、墙} 蚀制备系列的台相试样，粟Ⅲ l y m p u sB X S l 光学屁微镜和I t I T A C H IS U1 5 0 0 扫 描电镜对焊接接头进行观察分析。样品硬度测量均 采州维氏硬度．压力03M P a ，加压时问15s ， 2 试验结果与讨论 21 焊料活力Ⅱ量对焊接裂纹敏盛性的影响 从图I 掉缝外观来看．样品表面焊接质量良好， 焊缝表面略r 凸．甓均匀的组鳞状，焊缝宽度均匀， 表面没有E 戤、孔洞、裂纹等缺陷。嘲2 是烨缝横向 截面图．齄体量上宽下即的钳形．焊缝的渊宽比大概 在41 左右．组织均匀，看不到明蛀的内部气孔珥 纹等缺陷。从罔1 和H2 町以看出．焊缝中的缺陷 从外观来看难以发现．需要对其进行微观分析。 囝1 焊缝外观 F i g1 W e l d e dJ o i n ta p p e a n n c e f 澜k4 叼簿窭孵 圉2 成形良好的钉形焊缝 F i g ．2N a i l s h a p e dw e l d e dJ o i n t w i l hg o o ds h a p e 从A I C u 05 的焊缝中含量可以看m ．随着 焊片厚度的增加烨缝中s - 古量显著增加，而焊缝 阿侧的母材食届H 含量没有明显，监化。时3 为l _ 3 样品扫描电镜成分分析结粜，- Ⅱ{ 硅直观地看到．焊缝 侧的硅古量明显高丁另侧的6 0 6 1 铝合盒母材。 表2 屉焊片添加量1 I 焊缝中s - 禽量的关系表． 添加o1m m 的焊片导致焊缝中s ，含量在1 蜥左 右。从图4 和图5 样品l _ l 的金相g 【织可U 看H 1 ． 在焊缝内部袈纹状态恶劣，有轴向断裂的纵裂纹．也 有横向裂纹。“而r Ⅱ判断刘十s - 含锗为l ％的锅合 盘裂纹倾向是比较大的 万方数据 图3 焊缝边缘处s i 元素缝扫描和s i 分布 F 睡3 L i n es c a n i n g 时S io n c d 耻t Ⅱw e l d e dj l “n t 表2 焊片添加量与焊缝中s I 含■的关系 l a b l c2 R d a t l o n s h i po rw e l d i n gf i l m a d d i l i o na n dc o n l c n to fS J 固5I _ I 号样昌纵向裂纹 F 嘛sI J n n g i t u d i n a lc Ⅲko rl - is a m p l e 裂绒r 乍的} 盛D Z 嘣址{ f1U 抖品的焊缝t l J Ⅻ青艟比较少．s t 。’A I 膨成低士} } J 一北- 体也* lJ t 减少Ⅲ此n 样缝融舟凝Ⅲ廿P 川，少时的涟S 慨熔 点J I 品件敲凝洲过程巾产，k 的忮状虮4 i 排挤墟J ，； 彳『乜盘屉 腑蠊部分 2 0 1 1 年7J ∞ 薄薄的油盎膦，l { lr 液态膜的艘小．妊雌低，流功 性靛．焊缝岭卸收缩的时馘．焊缝受到州螂拉臆，J - 根样易J 口成J F 裂形J 正裂纹源。从煳6 样品l _ 2 的纰 织状出巾一以看到，不存nl 号样品中的较为恶劣 的山部横向，纵向裂纹．ⅡI 魁Ⅲ聪r 很多网状的细小 裂纹．遮址典型的沿品裂纹．山下样- 12 中S l 禽 城提离．闲此彤成轻多的低熔点J 0 品体．井具打定 的流动性能蜉世时填补部分错【H 过稚t I J 的裂纹． 叫时由下讹功性不兜分．也会形成液卷薄膜．m 一股 液态薄膜壤粲到品骅边缘。所以．枉凝咖后．存易牲 晶羿1 ．产，E 卅晶裂纹。 图7I - 3 号样品{ 状态良好1 1 “ i g ．7 G o o dw e l d 盯l ‘蝴m p l e 22 高纯铝台金或分对焊接裂纹敏箍性的影响 肿下A i S i C uA I S iL 。j ㈨6 i 锚金的卅碳米 说，恺体柏势虹排 ”u _ 二 o ⋯m I 鼬仑* 1 接情 眦向娄似妍小帕址 、1 s I tu 和A I S i l 雌材；I - I 蚕豢曩 万方数据 宵色金属 冶烁部分 2 0 1 ] 年7 删 俘枉一定龠醋的“，闲此焊料的添加就望为关键。 嘲为如果A i S i C o 和A I S i l 与6 0 6 1 锆台缸的焊接过 程巾不加焊片．焊缝中s - 的禽量将与A I C u 05 和 6 0 8 1 铅合金的焊缝中s 一霄量类似．通过扫描电镜 的成分分析町以得m ．添加oI ⋯焊片的A 1 - C u 05 样品1r 1 的s j 肯量为12 蹦，而没有加 焊 “的A I S I ] 样品S - 0 的S j 含量为1 ．1 5 蹦。出于s 1 含量相似．其裂纹产生倾向也相同．嘲8 为3 - 0 样品 的盒相组织．从中可以看到产生的裂纹比较严重。 图9 为33 样品的盘相组织．Ⅵ以租叫屁的对比出． 与A I C u O5 的焊接试验柑耐．随着焊片的增加，裂 纹倾向减小。 图93 - 3 样品组织状态 F i g ．9 S t r u c t u r a l 1 a l eo f3 - 3s a m p l e 由十3 种高纯锅台金的成分币矧倒，田此．肿J 二 种高纯错台龠I Ⅱ言．婢缝的质吐是小州吲的图 l o 至l qI2 仆别垃l1 ．21 ．j l j 十试样的裂垃情 况进行时比。为r 像I m 埘此时敛州 - 阁J o 蔓图 12 均选样焊缝中部偏l 的似竹从对比巾Ⅱ以发 现同样加人01m m 雌崖的焊片A I S i C u 的裂纹 敏感州比较低．焊接质蚺软奠他岍个”衅．i 】I iA I C u O 。的焊接质晴最萱．裂纹I t 较‘w 锓。A i S i l 处 于中川状忠．也打鞍乃严醇的裂纹 丰婴啄【q 址 A I S i C u 中C uSS i 的北问作用．『m 样的硅青节时． 产生的J E 品成分偏多．椰碰r 流动性．从f 日q 打较好 帕焊接质骷。晰A I C u O5 较A I S i l 巾s j 身螭较低， 形成的共品成分相埘下其他两种材料地步．削此裂 纹倾向比较大。 围1 12l 样品f A I S I C u I 组织状态 F i gII S t r u c t u r a ls I a I co f2 。I s a m p l e f A I S i C u 冀 瓣 圉1 2 } 1 样品 A I S i l 组织状态 F i g ．12 S t r u c t u r a ls t a t eo f3 - 1 s a m p l e l A I S I I m l j №试骑r Ⅱ“看m ．蜱墟r s t 的青醚电接 影响梆缝的自l 组状态。s ，禽廿较少时．产, 4 - 曲低熔 点』E 船体小充足流曲忭小强存品产生裂致。s 1 舍时鞍多} 『f 低搞√- J E - 语体流曲忡亢分．H 能迅速填 克凝lr ．时产十曲微小裂纹．减少裂垃的P ‘} 。 万方数据 3 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 2 ．3 焊料添加对焊接组织性能的影响 对焊接试样进行拉伸试验，但是由于高纯铝比 较软，其抗拉强度比较低，因此所选择的几个拉伸样 品均在高纯铝一侧发生断裂，高纯铝的抗拉强度在 9 0M P a 附近，因此靠拉伸并不能直接来测试焊缝 的力学性能。对试验样品进行硬度测试，6 0 6 1 铝合 金的硬度在7 5 左右，而高纯铝的硬度在2 5 左右，焊 缝的硬度在5 5 ～7 0 范围内变化。 通过试验可以发现，焊缝的硬度与焊缝中S i 含 量有很明显的正相关性，图1 3 对焊缝纵向 从焊缝 表面到焊缝底部 进行S i 含量的成分测定，从焊缝 表面向下每隔2m m 测量一个点。各点形成了一条 趋势曲线。由于焊缝呈钉子状，类似于倒三角形，顶 部比较宽，底部比较窄，而焊片的添加是均匀的，因 此必然会造成焊缝底部的S i 含量要高于焊缝顶部。 5 ．o 4 ．5 4 』l 堡3 ．5 翟3 ．0 把 2 ．5 2 ．O 1 ．5 o246HI O1 21 4 ．1 61 8 挪 霹啤缝顶部距离 I l m 图1 3 焊缝纵向硅含量趋势 F i g ．1 3 T r e n do fS ic o n t e n ti nl o n g i t u d i n a l w e l d i n gj o i n t 图1 4 是对焊缝纵向进行硬度测量，为了保证 一致性，将测量硬度的点都选择在S i 含量测量的 点。各点可以得到一条硬度变化的趋势曲线。将两 图进行对比，可以直观的看出，焊缝中S i 含量变化 趋势与焊缝硬度的变化趋势相同。 魁 娶 鬯 鼎 图1 4 焊缝纵向硬度趋势 F i g ．1 4 T r e n do fh a r d n e s si nl o n g i t u d i n a l w e l d i n gj o i n t 3结论 电子束焊接成型的样品，裂纹以微小内部裂纹 为主，外表面良好，无明显缺陷。当焊缝中S i 含量 在1 ％附近时，裂纹倾向比较大，随着S i 含量增加， 焊缝的裂纹倾向显著减小。焊缝硬度的变化趋势与 焊缝中S i 含量的变化趋势相同，具有正相关性。在 高纯铝合金靶材焊接过程中，为了得到良好的焊接 质量，需要添加足够多的焊料。 参考文献 [ 1 ] 吴丽君．铝合金功能薄膜与溅射靶材[ J ] ．真空科学与 技术，2 0 0 0 ，2 0 5 ；3 4 7 - 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