銅合金塑性與成分對其與鋼材攪拌摩擦釬焊可焊性的影響*

鮑建東，張貴鋒，唐英利，張建勛

（1.西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 焊接研究所，西安710049；2.西安市輕工業(yè)研究所，西安710001）

1 概 述

攪拌摩擦焊接 （FSW，friction stir welding）技術(shù)是一種以攪拌頭肩部和工件表面摩擦產(chǎn)熱作為熱源、利用針驅(qū)動肩下金屬產(chǎn)生塑性流動的固相焊接技術(shù)，可用于板材的對接與搭接。FSW作為一種環(huán)保型固相焊接方法，由于具有抑制脆性金屬間化合物過度增厚的優(yōu)點(diǎn)，故在異種金屬焊接領(lǐng)域 （如雙金屬復(fù)合板、電力金具）潛力巨大，已成為FSW的研究熱點(diǎn)之一[1-9]。薛鵬等[3]按界面反應(yīng)類型將異種材料組合分為4種典型的體系：劇烈界面反應(yīng)體系 （如Al-Mg體系）、中等界面反應(yīng)體系 （如Al-Fe、Al-Cu、Al-Ti體系）、無界面反應(yīng)體系 （如Mg-鋼體系）和新型異種材料體系 （如金屬-非晶、金屬-聚合物）。FSW的應(yīng)用已拓展至Al、Mg之外的Cu材[11-12]以及制備與焊接復(fù)合材料[13-14]。另一方面，在FSW新工藝研發(fā)方面，主要以耦合外能為主要發(fā)展思路[15]。

異種金屬搭接攪拌摩擦焊存在攪拌針磨損、焊接區(qū)域窄、鉤型缺陷等問題。西安交通大學(xué)焊接研究所開發(fā)的攪拌摩擦釬焊 （FSB,friction stir brazing)專利技術(shù)以冶金反應(yīng)部分代替塑性流動，降低了接頭形成對塑性流動的依賴；熔化的釬料可攜帶氧化膜碎片 （由旋轉(zhuǎn)工具在界面上的機(jī)械作用、共晶反應(yīng)等產(chǎn)生）被擠出界面，可解決上述搭接攪拌摩擦焊存在的問題[16]。攪拌摩擦釬焊技術(shù)原理如圖1所示，圖中使用無針 （也可用帶針）工具和釬料，通過導(dǎo)入焊接材料——釬料，彌補(bǔ)無針工具在去膜方面的不足，在上述冶金反應(yīng)與機(jī)械去膜綜合作用下，可在大范圍內(nèi)改善去膜與結(jié)合，大幅拓寬焊道[16-21]。FSB的特點(diǎn)在于：①加熱方面，以摩擦熱為熱源，界面溫度遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)，有利于抑制IMC相與熱應(yīng)力；②界面去膜方面，綜合了工具的機(jī)械去膜與釬料的冶金反應(yīng)去膜的優(yōu)點(diǎn)；③界面組織形成方面，以冶金反應(yīng)代替塑性流動，降低了對塑性流動的苛求，消除了鉤狀缺陷；④界面組織優(yōu)化方面，可打碎界面厚脆的金屬間化合物相并分散之[22]。FSB以上特點(diǎn)解決了攪拌摩擦搭焊中出現(xiàn)的問題。FSB的最初中文報道見文獻(xiàn)[17]，最初的英文報道見文獻(xiàn)[18]。其中后者被國內(nèi)[23]以及美國、德國、日本、法國等國外研究人員廣泛引用[24]。

圖1 攪拌摩擦釬焊技術(shù)原理圖

FSB的主要用途之一是制備雙金屬復(fù)合板材。與常用的爆炸復(fù)合相比，具有極大的靈活性：①對基板厚度無任何限制；②對復(fù)合部位無任何限制，可以實(shí)現(xiàn)任意位置的 “選區(qū)復(fù)合（selected area cladding）” 或局部復(fù)合；③單道FSB的復(fù)合寬度目前可達(dá)40～60 mm；④無邊緣效應(yīng)與加工硬化，適應(yīng)材質(zhì)范圍廣。上述特性使FSB成為爆炸焊的重要補(bǔ)充技術(shù)。隨著國家加大環(huán)保政策力度與強(qiáng)制性實(shí)施，以機(jī)加工為手段的FSB技術(shù)因節(jié)能、綠色、靈活的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用場合有望不斷增加。

目前，Cu/Fe層狀復(fù)合材料的制備方法有爆炸復(fù)合 （含整體復(fù)合[25]與局部復(fù)合[26]）、軋制復(fù)合、熔鑄復(fù)合等[27-29]。傳統(tǒng)爆炸法與熔鑄方法制備的Cu/Fe、Cu－Sn－Pb/Fe層狀復(fù)合材料的背散射顯微組織形貌如圖2所示。圖2（a）為最近報道的爆炸焊Fe/Cu界面顯微組織，波紋狀界面的波長 （2 mm）與波幅 （0.5 mm）均為毫米級[25]；圖2（b）所示為含鉛錫青銅和42CrMo鋼熔鑄體的顯微組織，其中上部為含錫鉛青銅，白亮組織為鉛塊，下部為中碳低合金鋼42CrMo，界面潤濕性好，致密而無缺陷。雖然軟鉛塊 （約0.1 mm）具有一定的減摩潤滑能力，但由于與青銅基體連接太弱，使用過程中鉛塊會發(fā)生脫落現(xiàn)象。熔鑄法的工藝難題主要有銅液的比重偏析、鋼體的預(yù)熱氧化等[29]。其他固相復(fù)合（放電復(fù)合與攪拌復(fù)合）也有報道[30-32]。

本研究為了探討FSB制備Cu/Fe層狀復(fù)合材料的可行性，對含錫鉛青銅/45鋼、H62黃銅/45鋼和紫銅/45鋼三種組合的FSB進(jìn)行了研究。通過對焊縫表面成形、顯微組織 （如元素擴(kuò)散和冶金反應(yīng)）及性能分析，研究銅合金塑性、成分對其與鋼材攪拌摩擦釬焊 （FSB）可焊性的影響。

圖2 傳統(tǒng)爆炸法與熔鑄方法制備的Cu/Fe、Cu-Sn-Pb/Fe層狀復(fù)合材料顯微組織 （背散射）

2 試驗(yàn)材料與方法

上部工件分別采用3種2 mm厚度銅合金薄板， 即 Cu－38Zn （H62 黃銅）、 Cu－1.5Ni－4.6Sn－15.5Pb（含錫鉛青銅）和工業(yè)純銅；下部工件選用價格低廉的中碳鋼45鋼 （Fe－0.45%C），厚度亦為2 mm。

焊接方法為攪拌摩擦釬焊。攪拌摩擦釬焊過程中使用的無針工具采用40 mm大直徑以提高生產(chǎn)率，釬料為厚度30 μm的Zn箔或Sn箔。分別從表面成形、界面冶金反應(yīng)和顯微組織角度研究3種銅合金與中碳鋼攪拌摩擦釬焊 （FSB）的可行性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 T2紫銅與45鋼攪拌摩擦釬焊

T2紫銅與45鋼攪拌摩擦釬焊的焊接參數(shù)見表1。T2紫銅/45鋼FSB接頭光滑無裂紋，焊縫表面形貌如圖3所示。由圖3可見，焊后表面成形方面，由于熱輸入低 （低轉(zhuǎn)速和高焊速），T2紫銅與45鋼FSB接頭表現(xiàn)出光滑的表面成形且表面無裂紋，這是由T2紫銅優(yōu)良的塑形所決定的。另一方面，中心被壓下，兩側(cè)鋼板 （含前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)）產(chǎn)生一定的上翹變形，使實(shí)際下壓量在前進(jìn)側(cè)、中心處以及后退側(cè)不同，從而導(dǎo)致各個區(qū)域的減薄情況不同。這與焊接過程中表面輪廓不均勻有關(guān)。

表1 T2紫銅與45鋼攪拌摩擦釬焊焊接參數(shù)

圖3 T2紫銅/45鋼FSB接頭焊縫表面形貌

T2紫銅/45鋼FSB接頭掃描電鏡照片如圖4所示。從圖4可以看出，在攪拌頭肩下前進(jìn)側(cè)存在約2.2 mm的未焊合區(qū)域，而中心部位和后推側(cè)均實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合，界面致密無缺陷，總焊合率為95% （焊合部分為38 mm）。通過掃描電鏡對Cu、Fe、Sn在界面附近的分布情況進(jìn)行了點(diǎn)分析、線掃描和面掃描分析，以確認(rèn)界面潤濕及合金化程度。

采用SEM面掃描對T2紫銅/45鋼FSB接頭焊縫中心區(qū)域元素分布進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖5所示。圖5證明了在Cu界面處，界面致密而無空洞缺陷；且已有少量Sn與Fe（質(zhì)量百分比在5%以下）擴(kuò)散入Cu表層內(nèi) （見表2），界面合金化后成分落在α+σ+ε三相區(qū) （可參照文獻(xiàn)[32]中Fe－Cu－Sn三元相圖室溫截面圖）， 說明了界面已無單質(zhì)Sn（被擠出）且合金化后仍保持富Cu相，既強(qiáng)化了界面結(jié)合，又避免了界面脆化。

采用線掃描對界面附近Cu、Fe、Sn元素分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。圖6線掃描結(jié)果顯示，F(xiàn)e元素擴(kuò)散至銅基體內(nèi)，擴(kuò)散含量最高達(dá)8.7%，出現(xiàn)在界面附近，而最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離約為30 μm （見圖6（a））；Sn元素擴(kuò)散同樣進(jìn)入銅基體中，擴(kuò)散深度約為40 μm，Sn含量最高的位置仍在界面處，但含量僅有4.16% （見圖6（b））。這證明了界面冶金反應(yīng)充分，且無單質(zhì)Sn與IMC相存在于界面，是接頭高強(qiáng)度的來源所在。因此，對于Cu/Fe組合，Sn的熔化有利于兩種母材界面冶金化，且熔化的Sn易被擠出界面，從而可避免Cu-Sn金屬間化合物殘留于釬縫中。

圖4 T2紫銅/45鋼FSB接頭掃描電鏡照片 （自左側(cè)連續(xù)拍至右側(cè)）

圖5 T2紫銅/45鋼FSB接頭焊縫中心區(qū)域元素分布 （SEM面掃描）

表2 圖5中元素能譜分析結(jié)果

3.2 H62黃銅與45鋼攪拌摩擦釬焊

H62黃銅/45鋼FSB焊接參數(shù)見表3，接頭表面形貌如圖7所示。從圖7可以看出，接頭表面成形光滑，無裂紋，這在含錫鉛青銅/45鋼FSB焊接過程中無法達(dá)到，原因是含錫鉛青銅塑形太差。此外，接頭界面邊緣還有擠出的釬料珠存在，這是Zn箔熔化后攪拌頭的擠壓作用而形成的，此現(xiàn)象證明了釬料熔化后可形成流動。然而，H62黃銅/45鋼沒有形成良好的FSB接頭，焊后摔斷試驗(yàn)即會開裂，這是由于Cu沒有充分溶解進(jìn)入液態(tài)Zn中形成較強(qiáng)的冶金結(jié)合。結(jié)果表明，H62黃銅為固溶體組織，塑性足夠好，可以避免攪拌摩擦變形產(chǎn)生的表面裂紋，但黃銅中Zn初始含量過高，抑制了黃銅向熔融Zn中的溶解，導(dǎo)致界面合金化效果差?？梢姡瑑H有釬料的熔化而沒有母材的溶解，即上板母材界面處一直處于固態(tài)情況下，界面始終呈 “固/固”狀態(tài)，當(dāng)釬料被熔化、擠出后，因潤濕性與致密性差、固態(tài)母材激活能高而難以實(shí)現(xiàn)焊合。

圖6 界面附近Cu、Fe、Sn元素分布 （線掃描）

表3 H62黃銅/45鋼FSB焊接參數(shù)

圖7 H62黃銅/45鋼FSB接頭表面形貌

3.3 含錫鉛青銅與45鋼攪拌摩擦釬焊

低熱輸入、中等熱輸入與高熱輸入條件下含Cu－Sn－Pn/45鋼組合均使用直徑40 mm攪拌頭時的焊接接頭表面成形與斷口形貌如圖8～圖10所示。該種組合中，含錫鉛青銅/鋼組合出現(xiàn)了相當(dāng)粗糙的焊縫表面形貌，且頂部青銅始焊端均出現(xiàn)了裂紋，釬料對基體金屬 （尤其是中碳鋼）潤濕性均較差，即便是采用低轉(zhuǎn)速、高焊速以降低熱輸入，焊后仍會自發(fā)分離。

在低熱輸入 （950 r/min、 118 mm/min、 3°傾角和0.5 mm下壓量）條件下，頂部含錫鉛青銅裂紋首先產(chǎn)生于始焊端，Zn箔未熔化，夾具基本未被加熱 （見圖8）。含錫鉛青銅基體由青銅基體和大量鉛塊組成。對含錫鉛青銅顯微組織進(jìn)行分析，一次裂紋沿鉛塊分布，周圍有大量的二次裂紋，這意味著鉛塊降低了青銅的低溫抗扭裂能力，導(dǎo)致FSB后產(chǎn)生裂紋。另一方面，青銅中單相鉛塊的出現(xiàn)會導(dǎo)致焊接過程中摩擦產(chǎn)熱不足，原因是鉛起到潤滑劑的作用，能顯著降低攪拌頭和青銅間的摩擦系數(shù)。

在中等熱輸入 （1 180 r/min、60 mm/min、1.5°傾角和0.5 mm下壓量）條件下，接頭表面極粗糙且在始焊端出現(xiàn)裂紋，焊后由于Zn釬料對中碳鋼潤濕性差，焊后接頭即會開裂分離 （見圖9）。在高熱輸入 （1 500 r/min，30 mm/min，1.5°傾角和0.7 mm下壓量）條件下，上方青銅碎裂為幾部分，表現(xiàn)出極差的塑形，無法形成連接良好的FSB接頭 （見圖10）。即使在這種情況下，鋅和青銅都沒有粘附在在中碳鋼上。熱輸入高時，銅中存在的單相鉛塊發(fā)生熔化，導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致青銅母材發(fā)生嚴(yán)重碎裂。此外，熔化的鉛會惡化釬料對母材的潤濕性。

圖8 低熱輸入 （950-118-3°-0.5）時裂紋、斷裂表面及含錫鉛青銅基體顯微組織

圖9 中等熱輸入 （1 180-60-1.5°-0.5）時含錫鉛青銅部分?jǐn)嗔驯砻嫘蚊?/p>

圖10 高熱輸入 （1 500-30-1.5°-0.7）時含錫鉛青銅扭裂碎化表面及斷裂的FSB界面

研究表明，上部金屬工件良好的塑性、合適成分與組織對形成合格的FSB接頭必不可少。工件約束條件和熱輸入對應(yīng)的焊接參數(shù)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化（如采用小直徑工具和增大傾角等，見圖11）。

圖11 攪拌頭直徑為20 mm時焊縫表面無裂紋的FSB接頭 （1 500-30-1.5°-0.5）

4 FSB中釬料流動與攪拌作用在界面去膜中的體現(xiàn)

FSB中的工具為旋轉(zhuǎn)工具并非靜止工具。旋轉(zhuǎn)軸肩對焊接界面的攪拌作用體現(xiàn)在兩個方面：一是對液相的攪拌，強(qiáng)力驅(qū)動液相流動；二是對固相母材表面的攪拌，即通過扭轉(zhuǎn)機(jī)械破膜并激活表面層。在本研究中，關(guān)于FSB中“釬料能夠形成流動”可通過兩例試驗(yàn)驗(yàn)證，一是在“Cu/45鋼”組合中，未觀察到Sn殘留 （見圖5），而Sn向Cu中的溶解非常有限 （見表2），可見熔化的Sn全被擠出。二是在 “黃銅/45鋼”組合中，可看到界面處有擠出的釬料 （見圖7）。上述界面已無明顯存在的釬縫 （Cu/45鋼組合）以及擠出的釬料珠 （黃銅/45鋼組合），證明了軸肩的摩擦熱通過上部工件傳遞到界面上，使釬料達(dá)到熔點(diǎn)被熔化，而且軸肩能經(jīng)上板通過對界面的擠壓、扭轉(zhuǎn)作用，使液態(tài)釬料向外流動而被擠出 （尤其是焊道中心的釬料被擠出時，受擠壓發(fā)生強(qiáng)迫流動距離長達(dá)約1/2軸肩直徑）。

軸肩對固態(tài)母材的攪拌作用可在 “Cu－Sn－Pb/45鋼”組合中直觀地觀察到。由圖10（a）與圖10（b）可知，F(xiàn)SB過程中，攪拌頭肩部對上部工件表面除了產(chǎn)生摩擦熱外，還有強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)作用，導(dǎo)致上部含錫鉛青銅工件破碎，碎片沿旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了轉(zhuǎn)動 （見圖10（a）中的α與圖圖10（b）中的β與θ），或沿焊接方向發(fā)生了移動。如此劇烈的扭轉(zhuǎn)作用必將傳遞至焊接界面上，對界面產(chǎn)生攪拌效果，從而通過 “界面擠壓、扭轉(zhuǎn)+膜下潛流 （釬料加入）+加壓擠出”多種混合機(jī)制有效去除鋼材表面氧化膜，最終獲得界面致密的FSB接頭。事實(shí)上，在 “Cu/45鋼”與 “黃銅/45鋼”組合中工具對上板母材、下板母材的上表面的扭轉(zhuǎn)攪拌作用同樣也是存在的，只是因上板母材強(qiáng)度高或塑性好、且受到約束未顯化而已。本課題組前期文獻(xiàn) [18-20]證明了FSB中可將置于搭接界面的Cu箔撕裂，也確認(rèn)了軸肩對界面攪拌作用的存在。

與傳統(tǒng)有針攪拌摩擦焊接相比，當(dāng)采用無針工具時，由于工具對母材的機(jī)械作用減弱，上下板之間界面的變形、破膜、混合變得困難，從而導(dǎo)致界面結(jié)合差。為此，攪拌摩擦釬焊 （FSB）通過添加釬料，利用母材表層的快速溶解代替塑性變形，改變了被溶解母材在界面處的形態(tài)，即上下母材界面間由單一的 “固/固”界面，變?yōu)椤鞍牍虘B(tài)/固態(tài)”界面 （上方母材由于向釬料中溶解而由純固態(tài)變化為半固態(tài)），這樣的 “界面形態(tài)的轉(zhuǎn)變”再加上 “工具的力學(xué)作用”有利于實(shí)現(xiàn)上下界面潔凈化、致密化與合金化。

5 結(jié) 論

（1）本研究三種FSB組合中，采用Sn箔作為釬料的T2紫銅/45鋼FSB接頭表面成形光滑，焊合率高 （95%），僅在前進(jìn)側(cè)出現(xiàn)局部的未焊透區(qū)。Sn的熔化有利于基體之間的界面冶金化，Sn擴(kuò)散入銅內(nèi)深度可達(dá)30 μm，且之后Sn的擠出有利于避免Cu－Sn金屬間化合物的形成。

（2）含錫鉛青銅/45鋼無法形成合格FSB接頭，原因?yàn)楹a鉛青銅塑形極差，導(dǎo)致始焊端出現(xiàn)裂紋，且釬料對中碳鋼母材潤濕性太差。含錫鉛青銅極差的塑形、低焊合率及較差的潤濕性均由青銅基體中一定數(shù)量的偏聚鉛塊所導(dǎo)致。特別是在熱輸入高的情況下，上方青銅工件產(chǎn)生熱裂紋，同時惡化了表面成形和界面冶金結(jié)合。

（3）Zn箔做釬料時，H62黃銅/45鋼FSB接頭雖然表面光滑，但由于界面反應(yīng)不充分，接頭結(jié)合薄弱，焊后即自發(fā)開裂。

（4）試驗(yàn)結(jié)果表明，上部金屬工件的成分、塑性和強(qiáng)度分別是影響接頭表面成形和界面合金化的關(guān)鍵因素。塑性太差會惡化接頭表面成形，而過高的母材強(qiáng)度會影響釬料元素和母材元素反應(yīng)，最終導(dǎo)致界面合金化不足。Cu-Sn-Pb過度溶解 （直至溶穿出現(xiàn)裂紋）與H62黃銅溶解不足都影響結(jié)合強(qiáng)度，T2紫銅適度溶解與合金化有利于改善界面致密性與強(qiáng)度。