銅與不銹鋼攪拌摩擦焊搭接接頭的顯微組織

賀地求，徐少華，彭建紅，汪 建，賀暑俊

(中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)

銅與不銹鋼攪拌摩擦焊搭接接頭的顯微組織

賀地求，徐少華，彭建紅，汪 建，賀暑俊

(中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)

采用攪拌摩擦焊方法實現(xiàn)T2紫銅和不銹鋼異種金屬的焊接，得到外觀成形良好、變形小的搭接接頭。通過金相、能譜掃描分析焊接接頭組織。結(jié)果表明：紫銅?不銹鋼搭接接頭后退側(cè)塑性較好的紫銅金屬材料從上往下流動形成層狀流線，在焊縫交界處與塑性較差的不銹鋼金屬材料形成具有模糊界線的區(qū)域組織；焊核區(qū)上表面組織為細小的等軸晶，紫銅側(cè)組織由于受高溫時間較長，為粗大的等軸晶，鋼側(cè)組織受攪拌針端部作用形成再結(jié)晶晶粒，交界處出現(xiàn)渦流交迭形狀；前進側(cè)有兩種組織形貌，即銅基混合條帶和鋼基混合條帶；紫銅?不銹鋼異種材料焊接時在不銹鋼側(cè)存在攪拌頭磨損后脫落的元素成分。

T2紫銅；不銹鋼；攪拌摩擦焊；搭接接頭；顯微組織

紫銅是一種重要的有色金屬，它具有良好的導熱性、導電性、抗磁性、常溫和低溫塑性。304不銹鋼是應(yīng)用最為廣泛的一種鉻?鎳不銹鋼，具有很強的耐蝕性，其對堿溶液及大部分有機酸和無機酸亦具有良好的耐腐蝕能力，而且還有良好的耐熱性、低溫強度和力學性能。在很多工程結(jié)構(gòu)中，如電解鋅裝置中的導電頭以及電渣熔鑄冷凝器等均出現(xiàn)紫銅與不銹鋼的焊接件，這樣可以同時具有不銹鋼、紫銅兩者的優(yōu)勢,但這兩種材料的焊接一直是一個難題。目前，紫銅與不銹鋼的焊接主要采用釬焊、堆焊、熔焊等焊接方法[1?3]。張志及等[4]采用鎢極氬弧焊方法實現(xiàn)了紫銅與不銹鋼的焊接，但焊接質(zhì)量無法保證；王相田和浩清勇[5]采用氧氣?乙炔焰黃銅釬焊工藝較好地實現(xiàn)了紫銅與不銹鋼異種材料的焊接，但此焊接方法操作難度大，容易出現(xiàn)氧化銅、氧化亞銅與銅的共同體，施焊時易出現(xiàn)氣孔、夾雜和焊接裂紋等缺陷；王志德[6]采用Z308堆焊在不銹鋼上，再用T107焊接銅與純Ni層，由于Ni在固、液態(tài)下均能與銅無限互溶，所以能消除Cu的有害作用，有效地防止裂紋，提高接頭和力學性能，但該焊接方法在不銹鋼側(cè)易出現(xiàn)缺陷，且接頭的塑、韌性較低，成本太高[7]。

攪拌摩擦焊(Friction stir welding，F(xiàn)SW)是固態(tài)擴散焊接方法，它對材料的物理化學性能和力學性能等影響不敏感，能較好地克服不同材料焊接性能差異帶來的焊接困難。由于攪拌摩擦焊是在低于材料熔點溫度下進行的，所以能有效地避免熔化焊的一些缺陷，減少脆性金屬間化合物的形成，比較適合異種材料的焊接[8]。LEE和JUIVG[9]研究了銅的攪拌摩擦焊接頭性能；劉小文等[10]和王希靖等[11]研究了紫銅?黃銅的攪拌摩擦焊；刑麗等[12]采用攪拌摩擦焊焊接了低碳鋼與紫銅異種金屬，并對其焊縫的顯微組織進行了分析；XUE等[13]對鋁?銅異種合金的攪拌摩擦焊進行了研究[12]；CHEN等[14]和沈璐等[15]對異種材料的攪拌摩擦焊整體和局部力學性能和微觀組織進行了概述。但目前還未見有紫銅與不銹鋼搭接FSW的研究報道。本文作者對紫銅與不銹鋼搭接的攪拌摩擦焊進行研究，分析接頭的顯微組織，探討不銹鋼與紫銅搭接接頭的形成機制，以期為進一步提升紫銅?不銹鋼焊接件的各項性能打提供研究基礎(chǔ)。

1 實驗

試驗材料為4 mm厚的T2紫銅板和1 mm厚的304不銹鋼板，其化學成分如表1所列。在自主研制的攪拌摩擦焊機上進行FWS試驗，攪拌頭用高溫合金制成，攪拌針為帶螺紋圓臺形，焊接形式為單道搭接焊，攪拌針從紫銅上表面插入。焊接前對表面和搭接面進行嚴格清理，并采用專門設(shè)計的夾具進行有效夾緊。

焊接速度為100 mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min，攪拌頭傾角為2o。焊后沿垂直于焊縫橫截面方向截取金相試樣，打磨、拋光后用三氯化鐵鹽酸溶液(2 g FeCl +10 mL飽和HCl+40 mL H2O)分開腐蝕接頭的不同部位。侵蝕時采用膠頭滴管逐滴添加法先侵蝕304不銹鋼層，并盡量避免侵蝕到紫銅側(cè)，然后迅速更換侵蝕液侵蝕紫銅，待紫銅變色后立即用蒸餾水沖洗，然后用酒精脫水吹干。用Leica圖像分析儀觀察接頭不同部位的顯微組織結(jié)構(gòu)，采用能譜分析儀分析接頭特殊部位的元素分布。

表1 材料主要化學成分Table 1 Main chemical composition of copper (T2) and stainless steel (304)

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫的表面成形

圖1所示為紫銅?不銹鋼FSW搭接焊縫的表面形貌。從圖1可以看出，焊縫表面比較光滑，在焊接過程中由于攪拌頭軸肩的擠壓作用，表面形成了柔軟細密的絲絮狀弧形紋，飛邊較少，焊接變形小。

圖1 紫銅?不銹鋼FSW焊縫的表面形貌Fig. 1 Appearances of friction stir welded seam of pure copper-stainless steel: (a) Top side; (b) Flank side

采用光學顯微鏡觀察焊縫橫截面的宏觀形貌，結(jié)果如圖2所示，其中上部為紫銅，下部為不銹鋼。從圖2可以看出，焊縫交界處發(fā)生了有效致密的結(jié)合。后退側(cè)有明顯的層狀流線從上往下延伸至交界處；焊核區(qū)交界部分出現(xiàn)塑性渦流狀交迭形貌；前進側(cè)是黑白相間的“火炬”狀金屬流。為了以后分析方便，在此將前進側(cè)、焊核區(qū)、后退側(cè)分別標記為A區(qū)域、B區(qū)域和C區(qū)域。并將不銹鋼側(cè)交界處標記為D區(qū)域，各區(qū)域如圖2所示。

圖2 紫鋼?不銹鋼FSW接頭的截面宏觀形貌Fig. 2 Macroscopic overview of cross-section in pure copperstainless steel FSW joint

2.2 焊縫的顯微組織

圖3 紫銅?不銹鋼FSW接頭母材的微觀組織Fig. 3 Microstructures of base metals in pure copper-stainless steel FSW joint: (a) Stainless steel; (b) Pure copper

圖3所示為紫銅?不銹鋼FSW接頭不銹鋼母材和紫銅母材金相組織。從圖3可以看出，不銹鋼母材為奧氏體組織，并且受到明顯的擠壓成型作用，晶粒拉長；紫銅母材組織晶粒粗大，由于其母材的層錯能較低，所以存在孿晶組織。

2.2.1 前進側(cè)的顯微組織

前進側(cè)(A區(qū)域)顯微組織如圖4所示。從圖4可以看出，前進側(cè)出現(xiàn)了火炬狀流線，鋼側(cè)金屬在劇烈的攪拌剪切作用下，處于“黏稠狀態(tài)”被拉伸入銅基母材內(nèi)部，并且在1.5 mm左右位置，銅基母材的阻力與攪拌作用力達到平衡，鋼基金屬材料停止向上流動，與銅基金屬材料形成了兩種組織形貌：銅基混合條帶和鋼基混合條帶。條帶的寬窄不一，黑白相間,白色條帶為銅基混合條帶，銅和鋼形成了均勻的混合物，為細小的等軸晶，黑色條帶則為鋼基混合條帶，在后面的能譜實驗中還會進行分析。

圖4 紫銅?不銹鋼FSW接頭前進側(cè)的顯微組織Fig. 4 Microstructures of advanced side of pure copperstainless steel FSW joint: (a) Central organization; (b) Junction organization

2.2.2 焊核區(qū)的顯微組織

焊核區(qū)(B區(qū)域)從上到下可以分為4個區(qū)域：軸肩擠壓區(qū)、焊核區(qū)銅側(cè)、交界區(qū)、焊核區(qū)鋼側(cè)。各區(qū)域的顯微組織分別如圖5(a)～(d)所示。由圖5可以看出，軸肩擠壓區(qū)在軸肩劇烈的作用下，材料發(fā)生了強烈的擠壓變形，組織破碎完全，形成了非常細小的等軸晶粒；焊核區(qū)銅側(cè)晶粒出現(xiàn)長大現(xiàn)象。這是因為紫銅與不銹鋼的熱傳導系數(shù)相差很大，紫銅的導熱系數(shù)高，大量的熱從紫銅一側(cè)傳遞出去，而在焊縫的交界處，不銹鋼的導熱系數(shù)低，導致上側(cè)紫銅區(qū)域高溫停留時間長，紫銅晶粒長大為粗大的等軸晶。在焊核區(qū)的交界處，犬牙交錯漩渦狀流線由中心焊核向左右兩邊均勢擴展，且呈現(xiàn)出明顯的洋蔥頭樣特征。這是不銹鋼板的“硬壁效應(yīng)”致使材料流動受阻形成的；焊核區(qū)鋼側(cè)直接受到攪拌針端部的摩擦攪拌作用，焊頭與不銹鋼板“硬碰”產(chǎn)生高溫，晶粒大量破碎并發(fā)生再結(jié)晶，晶粒非常細小，與不銹鋼母材形成了明顯的界限。不銹鋼和紫銅在交界處形成的混合條帶，條帶顏色深淺不一，白色條帶以紫銅母材金屬為主，均勻混合了不銹鋼金屬材料，黑色條帶則是不銹鋼基材料中均勻混合了紫銅金屬材料；兩種材料間發(fā)生了充分的混合，形成了可靠的連接。

2.2.3 后退側(cè)的顯微組織

后退側(cè)(C區(qū)域)的顯微組織如圖6所示。從圖6可以看出，后退側(cè)組織非常細小，形成了明顯的層狀流線，層與層之間有明顯的塑性剪切變形痕跡，這種層狀流線與焊縫右側(cè)金屬的流動方向吻合。由于攪拌針帶有螺紋，所以在焊接過程中焊縫右側(cè)金屬受到從上往下的擠壓力和攪拌針的高速攪拌力。在機械力和溫度場的作用下，焊縫右側(cè)攪拌區(qū)金屬劇烈破碎并從上向下流動，與未被攪拌區(qū)域的母材熱狀態(tài)不同，形成明顯界限。塑性較好的紫銅金屬流在交界處帶動塑化程度較差的不銹鋼金屬，一部分以條帶狀延伸至不銹鋼側(cè)，形成相互交錯的具有模糊界線的區(qū)域組織；另一部分形成深入銅材中的火炬狀混合條帶，提高了連接強度。

2.3 焊縫的能譜分析

為了分析焊縫的元素分布，選取兩個典型區(qū)域分別進行能譜分析，具體位置如圖7所示，其中圖7(a)、(b)分別對應(yīng)圖2中的A區(qū)域、D區(qū)域，其結(jié)果如表2所列。如圖7(a)所示，A區(qū)域中有明顯的黑白相間的混合條帶。其中區(qū)域5為紫銅的母材，其中含有微量的Fe元素；區(qū)域1、2、3和4均含有紫銅和不銹鋼基體的元素成分，但其摩爾比各不相同。區(qū)域1、3中不銹鋼基體成分占多數(shù)，不銹鋼基體成分與Cu的摩爾比接近9:1；區(qū)域2中Cu的摩爾分數(shù)超過60%，不銹鋼基體成分與Cu的摩爾比接近2:3；區(qū)域4中不銹鋼基體成分與Cu的摩爾比接近2:1。因此，該區(qū)域可能是Fe-Cu-Cr-Ni金屬間化合物和紫銅母材、不銹鋼母材的混合物，其中白色條帶為Fe-Cu-Cr-Ni金屬間化合物和紫銅母材的混合物，黑色條帶為Fe-Cu-Cr-Ni金屬間化合物和不銹鋼母材的混合物。如圖7(b)所示，D區(qū)域中沒有發(fā)現(xiàn)Cu元素，這說明在焊接過程中，Cu元素并有擴散到該區(qū)域。區(qū)域8的成分為不銹鋼母材成分；區(qū)域6和7為成分偏析區(qū)，出現(xiàn)Co、W、Mo、Ti、Ni等元素成分，這與攪拌頭所用的高溫合金材料的成分接近。因此，該區(qū)域含有攪拌頭磨損后的元素成分，說明進行紫銅?不銹鋼異種材料焊接時，攪拌頭會出現(xiàn)一定程度的磨損。此外，在能譜分析中，沒有發(fā)現(xiàn)O元素的存在，這說明利用攪拌摩擦焊焊接紫銅與不銹鋼可以有效地避免紫銅氧化所帶來的各種缺陷。

圖5 紫銅?不銹鋼FSW接頭焊核區(qū)的顯微組織Fig. 5 Microstructures of center zone of pure copper-stainless steel FSW joint: (a) Squeeze shoulder area; (b) Copper side of center zone; (c) Junction area; (d) Stainless steel side of center zone

圖6 紫銅?不銹鋼FSW接頭后退側(cè)的顯微組織Fig. 6 Microstructures of retreating side of pure copperstainless steel FSW joint: (a) Central organization; (b) Junction organization

圖7 紫銅?不銹鋼FSW接頭的SEM像Fig. 7 SEM images of pure copper-stainless steel FSW joint: (a) Copper side; (b) Stainless steel side

3 結(jié)論

1) 采用攪拌摩擦焊方法進行紫銅與不銹鋼搭接焊是可行的，得到了表面成形良好、變形小的搭接接頭。

表2 紫銅?不銹鋼FSW接頭不同位置的元素含量Table 2 Chemical composition of different zones in copper-stainless steel FSW joint

2) 接頭金屬材料從后退側(cè)流向前進側(cè)，形成了明顯的層狀流線，并且在前進側(cè)形成了兩種組織形貌：銅基混合條帶和鋼基混合條帶。焊核區(qū)從上往下依次形成了細小的等軸晶、粗大的等軸晶和再結(jié)晶晶粒，在交界處形成了渦流狀交迭形貌。

3) 進行紫銅?不銹鋼異種材料焊接時，在不銹鋼側(cè)存在攪拌頭磨損后脫落的元素成分。

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(編輯 何學鋒)

Microstructure of friction stir welding lap joint between pure copper and stainless steel

HE Di-qiu, XU Shao-hua, PENG Jian-hong, WANG Jian, HE Shu-jun
(State Key Laboratory of Complicated Equipment Design and Extreme Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

The dissimilar metals of copper (T2) and stainless steel (304) were jointed by friction stir welding (FSW), and the lap joints with good appearance, small deformation were obtained. The microstructure of welded joint was studied by optical microscopy and energy disperse spectroscopy (EDS). The results show that the copper metal with good ductility of the retreating side in the lap joint flows from top to bottom, forms layered streamline. In the interfacial region, regional organizations with vague boundaries are generated with stainless steel metal, which has poor plasticity. On the surface in nugget, the organization shows fine equiaxed grain, the copper side in nugget shows coarse equiaxed grain due to the long high temperature, while the stainless steel side in nugget shows the recrystallization grains originated from the effect of the pin end, and the organization in the juncture shows eddy overlap shape. The organization in advanced side has two morphologies: hybrid striped strap based on steel and hybrid striped strap based on copper. In copper and stainless steel welding process, there are some element worn from the pin tool in the stainless steel base metal.

T2 copper; stainless steel; friction stir welding; lap joint; microstructure

TG456.9

A

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2010CB731704)

2011-08-02；

2011-11-15

賀地求，教授，碩士；電話：13974973948；Email: hdqzzp@163.com

1004-0609(2012)09-2608-06