銅鎳合金與低碳鋼無針攪拌摩擦搭接焊研究

劉守法， 王晉鵬， 吳松林

(1.西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 西安 710123;2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 西安 710072)

銅鎳合金與低碳鋼無針攪拌摩擦搭接焊研究

劉守法1， 王晉鵬2， 吳松林1

(1.西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 西安 710123;2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 西安 710072)

利用無針攪拌頭，對C71000銅鎳合金和Q235低碳鋼進(jìn)行了攪拌摩擦搭接焊。借助拉剪試驗、SEM和EDS，研究了搭接面低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度對接頭拉剪強(qiáng)度的影響機(jī)制。研究表明：鍍鎳層可阻止Fe元素在焊接過程中發(fā)生氧化，減少焊縫接合面上的微孔隙。焊接過程中的高溫以及高壓作用，使Fe和Cu原子擴(kuò)散到鍍鎳層中，實現(xiàn)兩板料間無縫接合。增大接合面的低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度，有利于提高焊縫的拉剪強(qiáng)度，當(dāng)銅鎳合金側(cè)和低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度分別達(dá)5μm和20μm時，接頭拉剪強(qiáng)度最大，約為295 MPa，為無鍍層接頭拉剪強(qiáng)度的2.76倍，接近銅鎳合金母材的剪斷強(qiáng)度。

無針攪拌頭；銅鎳合金；低碳鋼；搭接焊；拉剪強(qiáng)度

因銅鎳合金具有良好的耐腐蝕性，常在石油精煉、化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)品儲運、海水淡化等設(shè)備中用作耐腐蝕材料。而碳鋼具有較好的力學(xué)性能，常用作結(jié)構(gòu)中的主要承力部件。結(jié)合這兩種材料的性能特點，在低碳鋼表面貼覆一層銅鎳合金，形成復(fù)合板，使其兼具銅鎳合金的耐腐性和鋼的力學(xué)性能。

復(fù)合板的制造方法很多，其中最常見的有輥軋接合法(roll bonding)和爆炸覆層法(explosive cladding)。但鋼與銅鎳合金的復(fù)合板制造非常困難，因為它們?nèi)埸c高且易在接合面上易形成氧化膜。

攪拌摩擦焊接(FSW)技術(shù)，是一種新型固態(tài)焊接技術(shù)，能夠連接金屬材料且不會降低其力學(xué)性能。Dawes 和Thomas[1]的研究顯示，攪拌摩擦焊中的攪拌針能夠破壞接合面的氧化膜，使接合面變成鋸齒狀。Zhang 等[2]的研究指出，在FSLW過程中，使用0.1 mm厚的鋅作為接合界面間的填充材料，可提升搭接接頭的焊接質(zhì)量。Elrefaey 等[3]研究了純鋁板與低碳鋼板間的搭接焊，結(jié)果顯示當(dāng)攪拌針稍微穿透到鋼板表面時，會顯著提高接合強(qiáng)度。Kimapong 和Watanabe[4～6]的研究顯示，接合面間形成的金屬間化合物降低了鋁和鋼間的焊接強(qiáng)度。Chen 等[7]探討了鋁和鋼之間加入的鋅涂層對焊縫強(qiáng)度的影響，焊接時的高溫會使鋅熔化，促進(jìn)了鋁-鋅共晶反應(yīng)物的生成。

Yilmaz 等[8]在銅與不銹鋼的擴(kuò)散焊接研究中指出，出現(xiàn)在銅側(cè)材料中的微小孔隙，因Kirkendall效應(yīng)在晶界中生長，最后會在已接合的銅和不銹鋼的雙合金中形成微小裂紋，降低了接合強(qiáng)度。Sabetghadam 等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不銹鋼和銅擴(kuò)散接合時，加入鎳中間層可以減少裂紋與孔隙的產(chǎn)生，因為銅和鋼都很容易擴(kuò)散到鎳中。

無針攪拌摩擦焊是在攪拌摩擦焊基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，因為去掉了攪拌針，焊縫處也就沒有了“匙孔”，從而提高了焊接強(qiáng)度[10～13]。為了提高焊接質(zhì)量，本研究使用鎳作為接合面的中間層，以抑制微孔隙與裂紋的生成，使用無針攪拌摩擦焊，研究了低碳鋼側(cè)鎳鍍層厚度對銅鎳合金與低碳鋼間搭接性能的影響。

1 試驗方法

試驗所使用的攪拌摩擦焊接設(shè)備，是由普通立式銑床改造而成。焊接板料下方由不銹鋼 (SUS 316)背板支撐。攪拌頭材料為經(jīng)過淬火的高速鋼 (SKH51)，直徑為17mm，肩部端面為平面。焊接試驗所用的材料分別為銅鎳合金(C71000, Cu 80/ Ni 20) 和低碳鋼 (Q235)，其尺寸分別為90mm×25mm×3.6mm 和90mm×25mm×4mm。先用#400 砂紙研磨工件的搭接面，再放入丙酮溶液中進(jìn)行清洗，除去工件表面的氧化物和雜質(zhì)。使用耐酸堿膠帶遮住兩工件搭接面以外的區(qū)域，然后將工件放入硫酸鎳溶液中，在電流密度200A/cm2的電鍍條件下進(jìn)行電鍍，然后用#400 砂紙研磨工件電鍍面，并利用表面輪廓儀測量鍍層厚度。銅鎳合金側(cè)的預(yù)設(shè)鍍層厚度為5μm，而低碳鋼側(cè)則分別為5μm、10μm、20μm和40μm。

焊接試驗中，銅鎳合金板平放于低碳鋼板上面。設(shè)定攪拌頭傾角為1°、轉(zhuǎn)速為1000r/min、焊接速度為10mm/min、攪拌頭肩部后緣擠入板料深度為0.3mm，此時攪拌頭的前緣恰好接觸工件表面，旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入板料90s預(yù)熱后，沿著接合線向前移動，完成焊接。

焊接完成后，將已焊接的板料用線切割加工成如圖1所示的試樣，以進(jìn)行拉剪強(qiáng)度試驗。試樣拉伸方向與焊接方向一致，分別在銅鎳合金側(cè)和低碳鋼側(cè)開一2mm×5mm×3.6mm和2mm×5mm×4mm的溝槽，使承受剪力的面積為15mm2。加工出兩個直徑8.5mm 的通孔，用來將試樣固定于萬能試驗機(jī) (Instron 5582)的夾具上，以進(jìn)行拉剪試驗。對試樣的剪斷面分別用SEM和EDS (照射時間200s) 進(jìn)行分析。

圖1 拉伸試樣截取位置及尺寸Fig.1 Sample location and dimension of the tensile sample

2 試驗結(jié)果

2.1 鍍鎳層厚度對拉剪強(qiáng)度的影響

表1為不同鍍鎳層厚度對應(yīng)的焊接試樣的拉剪強(qiáng)度?？梢?，低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度增大有利于提高試樣拉剪強(qiáng)度，低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度20μm對應(yīng)的試樣拉剪強(qiáng)度最大，達(dá)到了295MPa，約為無鍍鎳層試樣的2.76倍，該值已接近銅鎳合金母材的拉剪強(qiáng)度。

表1 試樣剪切強(qiáng)度

2.2 斷口宏觀形貌

銅鎳合金側(cè)和低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度分別為0μm和0μm，5μm和5μm，5μm和10μm，5μm和20μm，5μm和40μm的試樣的斷口形貌，如圖2所示?？梢姡?dāng)?shù)吞间撳儗雍穸葹?μm以下時，剪斷面平坦，無撕裂痕跡；鍍層厚度為10μm時，銅鎳合金的剪斷面上出現(xiàn)了材料剝離現(xiàn)象，被剝離的材料留在低碳鋼表面上形成凸點；當(dāng)鍍層厚度大于等于20μm時，剪斷明顯發(fā)生在銅鎳合金內(nèi)部，說明接合面強(qiáng)度已經(jīng)接近銅鎳合金母材。

2.3 剪斷面EDS成分分析

分別對圖2所示各剪斷面的方形虛線標(biāo)示區(qū)進(jìn)行EDS分析，剪斷面的兩側(cè)面EDS分析結(jié)果見表2?？梢?，鍍層厚度為0時，兩板料接合面的銅鎳合金側(cè)和低碳鋼側(cè)的O元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)分別為7.2%和12.1%，可知接合面材料在焊接過程中發(fā)生了氧化。這是由于板料在焊接過程中受熱變形，使空氣中的氧進(jìn)入接合面間隙，在高溫作用下使材料發(fā)生氧化反應(yīng)。銅鎳合金側(cè)的Fe元素含量為83.6%，可見在兩板料接合面上發(fā)生了大量的Fe元素擴(kuò)散，在接合面上形成的應(yīng)是Fe的氧化物。

在鍍鎳層較薄條件下(5μm和10μm)，兩板料接合面的Ni元素含量均達(dá)90%以上，而Cu元素含量小于2.6%，可見Cu元素從銅鎳合金側(cè)擴(kuò)散到了其它地方。在鍍鎳層較厚條件下(20μm和40μm)，兩板料接合面的Cu元素含量約為73%～74%，Ni元素含量約為24%～25%，這說明元素擴(kuò)散不明顯。因接頭的拉剪強(qiáng)度接近銅鎳合金母材，所以斷裂發(fā)生在銅鎳合金內(nèi)部。此外，表2還顯示，在低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度小于20μm的情況下，兩板料斷裂面上都出現(xiàn)了一些Fe元素，并且含量隨著低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度增大而明顯減少。這表明低碳鋼側(cè)的Fe元素可擴(kuò)散至鍍鎳層中，但因Fe元素易氧化而阻礙了兩鍍鎳層間的接合，使得接合面的拉剪強(qiáng)度降低。

圖2 不同鍍層厚度試樣的斷口形貌 (a)無鍍鎳層；(b)5μm和5μm；(c)5μm和10μm；(d)5μm和20μm；(e)5μm和40μmFig.2 Fracture morphology of the sample with different thickness of Ni coating (a)without Ni coating；(b)5μm and 5μm；(c)5μm and 10μm；(d)5μm and 20μm；(e)5μm and 40μm.

表2 圖2中試樣斷口兩側(cè)面EDS分析(質(zhì)量分析/%)

2.4 接合面元素擴(kuò)散分析

銅鎳合金側(cè)和低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度分別為5μm和20μm試樣的EDS成份分析結(jié)果如圖3a所示，圖3b為無鍍鎳層試樣橫截面EDS成份分析結(jié)果。圖3a中顯示Cu元素和Fe元素會擴(kuò)散到鍍鎳層中，而且兩鍍鎳層之間結(jié)合良好，使接合面無法清楚分辨。Fe擴(kuò)散進(jìn)鍍鎳層的厚度較小，可見在低碳鋼側(cè)的鍍鎳層厚度具有阻擋Fe擴(kuò)散至接合面的作用。

在無鍍鎳層情況下，接合面元素含量分布曲線如圖3b所示。可見在銅鎳合金與低碳鋼的接合面上出現(xiàn)了大量的孔隙。Fe元素擴(kuò)散進(jìn)銅鎳合金側(cè)的距離較大，Cu元素和Ni元素向低碳鋼側(cè)擴(kuò)散的距離較小。根據(jù)Kirkendall效應(yīng)，由于不同合金自身擴(kuò)散系數(shù)存在差異，會導(dǎo)致微孔隙在材料晶界傳播，最終會形成微裂紋，從而導(dǎo)致試樣拉強(qiáng)度降低。

對比圖3a和圖3b，可知鍍鎳層在焊接過程中可起到減少接合面微孔隙的作用，相對較軟的鍍鎳層有利于提高接合面的緊密性。另外，因Fe元素和Cu元素可擴(kuò)散到鍍鎳層中，也有利于提高接合面的拉剪強(qiáng)度。對于無鍍鎳層的情況，兩種不同材料的擴(kuò)散接合面間存在大量微孔隙，從而導(dǎo)致了接合面的拉剪強(qiáng)度變差。

3 結(jié)論

(1)隨著接合面低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度增大，焊接接頭的拉剪強(qiáng)度也增大，當(dāng)銅鎳合金側(cè)和低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度分別為5μm和20μm時，接頭拉剪強(qiáng)度達(dá)到最大，約為295 MPa，為無鍍層接頭拉剪強(qiáng)度的2.76倍，接近銅鎳合金母材的拉剪強(qiáng)度。

圖3 接合面元素分布曲線 (a)銅鎳合金側(cè)和低碳鋼側(cè)鍍鎳層厚度分別為5μm和20μm ;(b) 無鍍鎳層試樣Fig.3 Distribution curves of the element on the joint interface (a)The sample with the thickness of Ni coating of 5 and 20μm on the Cu-Ni alloy side and low-carbon side respectively；(b) the sample without Ni coating

(2)材料接合面的鍍鎳層，有利于防止擴(kuò)散的Fe元素在焊接過程中發(fā)生氧化，而且相對較軟的鍍鎳層有利于提高接合面的緊密性，從而可減少焊接過程中接合面上的微孔隙。

(3)焊接過程中的高溫以及高壓作用，使Fe和Cu原子擴(kuò)散到鍍鎳層中，兩鍍鎳層界面間材料也會自我擴(kuò)散，使兩板料無縫接合。

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Friction Stir Lap Welding with Pinless FSW Tool for Cu-Ni Alloy and Low-carbon Steel

LIU Shou-fa1, WANG Jin-peng2, WU Song-lin1

(1.School of Mechanical Engineering, Xijing University, Xi′an 710123, China; 2.School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University , Xi′an 710072, China)

Cu-Ni alloy (C71000) and low-carbon steel (Q235) were joined by friction stir lap welding (FSLW) with pinless FSW tool with the help of nickel coating. The influence mechanism of the thickness of the nickel coating on the steel side on tension-shear strength of the weld was studied by means of tension-shear tests, SEM and EDS. Researches show that Ni coating could prevent Fe from oxidizing and reduce the micro-voids of the joint face of the weld. High interface temperature and contact pressure during the welding could promote diffusion of the Fe and Cu atom into the Ni coating through the interface and form seamless connection. Increasing the thickness of the nickel coating on the steel side could contribute to the improvement of the tension-shear strength of the weld. When the thickness of the Ni coating on Cu-Ni side and steel side reached 5μm and 20μm respectively, the maximum tension-shear strength of 295MPa was achieved, which was 2.76 times that of the weld without Ni coating and close to Cu-Ni alloy.

pinless FSW tool; Cu-Ni alloy; low-carbon steel; lap welding; tension-shear strength

2014-12-06；

2015-02-09

陜西省教育廳科研基金資助項目(11JK0880)

劉守法(1980—)，男，碩士，講師.主要從事有色金屬的攪拌摩擦焊與超塑性成形研究，(Email)liushoufa807456@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.010

TG453

A

1005-5053(2015)03-0055-05