旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度對(duì)鋁銅異種材料攪拌摩擦焊接頭成形的影響

（江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院 公用事業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213000）

鋁因其具有密度低、強(qiáng)度高以及易加工的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域[1—2]。紫銅具有良好的導(dǎo)電性、電熱性能和耐腐蝕性能，在通訊電纜、集成電路、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用[3—4]。為了有效發(fā)揮鋁銅各自的優(yōu)良性能，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中采用鋁銅復(fù)合結(jié)構(gòu)，既能滿足功能需求，又能降低成本。由于鋁銅的物理化學(xué)性能差異較大，難以獲得性能良好的焊縫。攪拌摩擦焊（Friction stir welding，F(xiàn)SW）作為一種高質(zhì)量、低成本的焊接技術(shù)，與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，能夠有效避免一些裂紋、氣孔以及燒損等焊接缺陷[5—7]。

近幾年，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)鋁銅異種金屬FSW 進(jìn)行了大量研究。張秋征等[8]對(duì)紫銅進(jìn)行退火處理，并研究了攪拌針偏移量對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響。鄭博等[9]指出了焊接速度為100 mm/min 和300 mm/min時(shí)，鋁銅焊接接頭強(qiáng)度較好，并通過(guò)添加銅箔，能夠使抗拉強(qiáng)度達(dá)到87.5 MPa。趙鵬程等[10]為了增加熱輸入，通過(guò)在銅側(cè)引入外加熱源的方法實(shí)現(xiàn)鋁銅FSW的連接，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，外加熱源的加入減少了鋁銅金屬間化合物的生成，提高了焊接接頭力學(xué)性能。Sahu P K 等[11]測(cè)試了轉(zhuǎn)速和偏移量對(duì)焊縫力學(xué)性能和微觀組織的影響，焊縫的最大抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到鋁基合金的95%，焊縫區(qū)晶粒尺寸隨工藝參數(shù)的變化而變化。M.Akbari 等[12]指出鋁銅不同的搭接方式對(duì)焊接過(guò)程中熱輸入影響較大，進(jìn)而對(duì)焊縫的缺陷形成有很大的影響。以上研究主要集中在對(duì)焊接工藝的改進(jìn)以及焊縫力學(xué)性能和微觀組織的檢測(cè)，對(duì)不同的旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度下純鋁和紫銅的攪拌摩擦焊接頭成形規(guī)律的影響研究較少。文中以4 mm 厚的純鋁和紫銅為研究對(duì)象，通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度，研究分析純鋁和紫銅異種金屬焊接接頭表面和內(nèi)部成形規(guī)律，為FSW 技術(shù)在鋁銅異種金屬焊接上的應(yīng)用提供支持。

1 FSW 工藝設(shè)計(jì)

FSW 工藝設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要包含攪拌頭、軸肩、攪拌針和母材。焊接過(guò)程中，考慮到純鋁的硬度較低，攪拌針設(shè)置偏鋁側(cè)。同時(shí)由于紫銅的塑性流動(dòng)性較好，將紫銅置于焊接方向的后退側(cè)，純鋁放置在焊接的前進(jìn)側(cè)，以便紫銅在攪拌頭的作用下回流到前進(jìn)側(cè)。FSW 焊接過(guò)程中，F(xiàn)SW 焊接工藝示意圖如圖1 所示[13—15]。

圖1 FSW 焊接工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of FSW welding process

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料

選擇4 mm 厚的1060 純鋁板和紫銅（T2）作為母材。母材的化學(xué)成分如表1 和表2 所示。

表1 1060 純鋁主要化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 1060 pure aluminum

表2 紫銅的主要化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of red copper

2.2 方法

選擇FSW-3LM-002 型攪拌摩擦焊機(jī)，通過(guò)自帶的控制面板設(shè)置焊接工藝參數(shù)，這里焊接旋轉(zhuǎn)速度范圍為1100～1300 r/min，焊接速度控制在10～15 mm/min之間，焊接過(guò)程中偏鋁側(cè)0.6 mm，攪拌針直徑和傾角分別為Φ6 mm 和2.5°，設(shè)置0.14 mm 的軸肩下壓量，焊前對(duì)1060 純鋁和紫銅的表面進(jìn)行打磨，去掉表面氧化膜，直至露出金屬光澤[10]。焊接過(guò)程中，通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度，分析純鋁和紫銅異種金屬焊接接頭表面和內(nèi)部成形規(guī)律，具體焊接參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 Al/Cu 異種材料攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters of Al/Cu dissimilar material friction stir welding

3 結(jié)果與討論

3.1 表面成形

圖2 為不同焊接工藝下的焊接接頭表面成形。從圖2a 可以看出，在焊縫表面靠近鋁側(cè)處有孔洞出現(xiàn)，但是飛邊較少，這是由于在焊接過(guò)程中，焊縫前進(jìn)側(cè)部分母材向前移動(dòng)，出現(xiàn)孔洞，焊縫后退側(cè)材料向后流動(dòng)過(guò)程中未能及時(shí)填充孔洞，從而導(dǎo)致焊縫表面的孔洞缺陷，這與旋轉(zhuǎn)速度過(guò)低有關(guān)。旋轉(zhuǎn)速度提高到1200 r/min 時(shí)，焊縫成形得到明顯改善，如圖2b 所示，可以看出焊縫表面光滑，無(wú)蟲孔和溝槽的出現(xiàn)，出現(xiàn)少量的飛邊；進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)速至1300 r/min，焊縫表面出現(xiàn)溝槽（見圖2c），這是因?yàn)樵诖筠D(zhuǎn)速的作用下，焊接熱輸入相對(duì)增加，攪拌頭粘鋁現(xiàn)象嚴(yán)重；與圖2c 相比，圖2d 中焊縫表面出現(xiàn)了明顯的溝槽缺陷，這是由于焊接速度增加至15 mm/min 時(shí)，造成焊接熱輸入不足，母材的塑性流動(dòng)性變差，溝槽部位未能及時(shí)補(bǔ)充大量材料，同時(shí)未能使兩種母材充分的塑性融合。此外，與高的熱輸入相比（見圖2c），低輸入下的焊縫表面相對(duì)光滑（見圖2a），因此控制好熱輸入的大小是獲得高質(zhì)量焊縫的關(guān)鍵因素。

圖2 不同工藝參數(shù)下Al/Cu 異種金屬FSW 焊縫表面成形Fig.2 FSW weld surface forming of Al/Cu dissimilar metal under different process parameters

3.2 焊接接頭形貌分析

根據(jù)圖1 鋁銅異種金屬焊縫內(nèi)部形成的熱影響區(qū)、熱力影響區(qū)和焊核區(qū)，選擇焊縫宏觀成形較好的圖2b 進(jìn)行焊縫內(nèi)部形貌分析，得到如圖3 所示的Al/Cu 焊接接頭不同區(qū)域形貌。母材材料表現(xiàn)為明顯的軋制組織（見圖3a 和圖3b），其中Cu 內(nèi)部存在孿晶組織（見圖3b）。圖3c 可以看出焊核底部Al 和Cu充分混合，呈現(xiàn)一定的均勻分布，這是由于在攪拌針高速旋轉(zhuǎn)下，Cu 顆粒和片層結(jié)構(gòu)與Al 充分接觸，均勻分布在焊核中，細(xì)晶粒的數(shù)量變多，焊核區(qū)的強(qiáng)度和韌性得到不同程度的提高，因此攪拌摩擦焊旋轉(zhuǎn)速度對(duì)Al/Cu 異種金屬的焊縫質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。此外，由于部分Cu 顆粒和片層結(jié)構(gòu)與Al 混合不均，在焊核區(qū)還存在明顯的相互交疊的片層結(jié)構(gòu)（見圖 3e）和相互交疊形成的漩渦狀結(jié)構(gòu)（見圖3f），表現(xiàn)出明顯的異種材料攪拌摩擦焊的特征。圖3d 為Cu 側(cè)熱影響區(qū)，可以看出，在Cu 側(cè)含有部分Al 元素，這是由于與Cu 元素活動(dòng)性相比，Al 具有較高的原子活動(dòng)性，從而在Cu 側(cè)進(jìn)行了比較充分的擴(kuò)散，表現(xiàn)為Cu 基體靠近焊核區(qū)域分布了部分Al元素。

圖3 Al/Cu 焊接接頭不同區(qū)域形貌分析Fig.3 Morphology analysis of Al/Cu welded joint in different regions

3.3 焊接接頭SEM 分析

為了進(jìn)一步分析旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度對(duì)焊縫成形規(guī)律的影響，對(duì)圖2b 的焊縫中銅鋁界面處和焊核區(qū)進(jìn)行SEM 分析，如圖4 所示。從圖4a 可以看出，界面處鋁銅混合在一起，分析認(rèn)為攪拌針從銅母材上剝離了大量的銅顆粒和層片，在摩擦熱輸入下，銅與鋁進(jìn)行塑性流動(dòng)，鋁元素活動(dòng)性較強(qiáng)，對(duì)銅母材有一定的滲透，并形成一定的鋁銅復(fù)合結(jié)構(gòu)，與圖3a 相對(duì)應(yīng)。相比于Al/Cu 界面處（見圖4a），焊核中Al/Cu混合更加均勻（見圖4b），表明在此焊接熱輸入下，攪拌針攪拌作用和軸肩的摩擦使銅顆粒和銅層能夠與鋁發(fā)生劇烈混合，形成均勻分布的混合結(jié)構(gòu)，圖4b 未見明顯的焊接缺陷。結(jié)合圖2b 可知，在合適的焊接參數(shù)下，不僅能夠獲得較好的焊縫形貌，同時(shí)能夠減少焊縫內(nèi)部缺陷。

圖4 Al/Cu 母材焊接接頭組織Fig.4 Structure of Al/Cu base metal welded joint

4 結(jié)論

1）攪拌摩擦焊能夠?qū)崿F(xiàn)純鋁板與紫銅異種金屬的連接，通過(guò)焊接參數(shù)的調(diào)整，能夠獲得宏觀形貌成形較好、焊縫內(nèi)部缺陷較少的焊縫。

2）焊縫宏觀形貌顯示，在旋轉(zhuǎn)速度為1200 r/min，焊接速度為10 mm/min 時(shí)，焊縫表面無(wú)明顯的焊接缺陷，焊接旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度變化影響焊接熱輸入大小從而影響焊縫的成形質(zhì)量。

3）焊接接頭微觀組織表明，旋轉(zhuǎn)速度為1200 r/min，焊接速度為10 mm/min 時(shí)，焊核底部Cu 顆粒和片層結(jié)構(gòu)均勻分布在Al 中，同時(shí)焊核中存在相互交疊的片層結(jié)構(gòu)和漩渦狀結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯的焊縫內(nèi)部缺陷。此外，Al 具有較高的原子活動(dòng)性，表現(xiàn)為Cu 基體靠近焊核區(qū)域分布了部分Al 元素。