銅鋁異種材料攪拌摩擦焊接頭組織和力學(xué)性能分析

徐萌 李文曉 徐曉霞 裴鵬飛 嚴(yán)軍富 范美華

摘要：采用兩種攪拌摩擦焊工藝對(duì)銅-鋁異種材料（1060-O鋁合金、T2紫銅）對(duì)接接頭進(jìn)行焊接。采用金相組織觀察、顯微硬度測定、拉伸試驗(yàn)及SEM斷口掃描等方法，研究了兩種不同旋轉(zhuǎn)速度對(duì)銅-鋁異種材料接頭的微觀組織和力學(xué)性能的影響，并分析了斷口微觀形貌。結(jié)果表明，銅-鋁異種FSW接頭橫截面形貌表現(xiàn)出兩種金屬相互穿插混合的特征，接頭焊核區(qū)鋁合金基體中彌散分布著銅合金粒子，接頭焊核區(qū)兩種金屬結(jié)合的界面處形成鋁銅金屬間化合物。較高轉(zhuǎn)速的鋁-銅焊接接頭焊核區(qū)銅的嵌入層深度更大，鋁側(cè)熱機(jī)影響區(qū)組織受到的攪拌作用更加劇烈，晶粒被拉長和扭轉(zhuǎn)更明顯。較高轉(zhuǎn)速的鋁-銅接頭力學(xué)性能優(yōu)于低轉(zhuǎn)速接頭，具有高的接頭硬度和抗拉性能。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊;鋁銅焊接;旋轉(zhuǎn)速度;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG453+.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0001-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.01

0 前言

目前在各領(lǐng)域中使用的設(shè)備和機(jī)械構(gòu)件很多要求由不同材料來構(gòu)成[1]。銅和鋁具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，廣泛應(yīng)用于熱力和電器行業(yè)。實(shí)現(xiàn)鋁-銅異種材料的有效連接，意味著將質(zhì)量輕、耐蝕性高和導(dǎo)熱性好的鋁銅材料更多地應(yīng)用到這些行業(yè)。鋁銅接頭廣泛應(yīng)用于各種場合，如匯流排線、電氣連接器、變壓器冷卻器、換熱器管、制冷管等。傳統(tǒng)的熔焊工藝無法將其有效地連接在一起，這是因?yàn)殇X銅在凝固過程中會(huì)在不同焊接區(qū)產(chǎn)生大量的金屬間化合物（Intermetallic compounds，IMC）。IMC屬于脆硬相，會(huì)導(dǎo)致材料在焊接連接處具有較低的強(qiáng)度和較高的電阻，因此傳統(tǒng)的熔焊不適用鋁-銅異種材料的連接[2]。如里亞博夫[3]通過在銅側(cè)開坡口開展了鋁銅埋弧焊及TIG焊對(duì)接試驗(yàn)，獲得的接頭強(qiáng)度及塑性均較低。鋁與銅的固態(tài)焊接使得接頭具有很大的優(yōu)勢，這也使得異種材料焊接在摩擦焊、超聲波焊和攪拌摩擦焊等焊接工藝中受益很大。攪拌摩擦焊（Friction stir welding，F(xiàn)SW）是一種新型的固相連接技術(shù)，焊接過程中母材金屬不熔化，主要是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱使焊縫金屬達(dá)到塑化狀態(tài)，在攪拌頭驅(qū)動(dòng)力作用下發(fā)生塑性流動(dòng)而形成致密焊縫[4-5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者利用攪拌摩擦焊研究銅鋁異種材料的連接性能主要涵蓋接頭的焊接工藝、微觀組織、力學(xué)性能以及焊核區(qū)中間相的形成，但針對(duì)不同工藝條件下接頭組織發(fā)生的變化對(duì)其力學(xué)性能的影響的相關(guān)研究資料缺乏。文中針對(duì)該現(xiàn)象，展開了不同旋轉(zhuǎn)速度對(duì)銅鋁異種材料FSW接頭組織與性能影響的研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為1060-O鋁合金與T2紫銅，板材厚度均為3 mm。攪拌頭軸肩直徑12 mm，針端直徑2.0 mm，針長2.6 mm。焊前將接頭對(duì)接面機(jī)加工平整光滑，使用丙酮清洗干凈。兩塊板材進(jìn)行對(duì)接焊接，焊接時(shí)將鋁板材置于焊接后退側(cè)，銅板材置于前進(jìn)側(cè)，具體工藝參數(shù)如表1所示。

焊接完成后沿垂直于焊縫方向截取金相試樣和拉伸試樣。對(duì)試樣進(jìn)行研磨、拋光后，采用Keller試劑對(duì)接頭鋁側(cè)進(jìn)行侵蝕。試樣制備完成后通過OLYMPUS-QX 71金相顯微鏡觀察接頭試樣各區(qū)的顯微組織特征，利用OPTEC-MDS400偏光金相顯微鏡觀察陽極覆膜后的焊接接頭的微觀金相，利用OLYMPUS-DSX-WZ體式顯微鏡觀察焊接接頭宏觀金相和拉伸試樣斷口。采用JSMJSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡對(duì)接頭各區(qū)和拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察與分析，并對(duì)接頭中重點(diǎn)位置進(jìn)行成分分析。使用Wilson-Wolpert 401MVD數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)對(duì)接頭垂直于焊接方向的橫斷面進(jìn)行硬度測試，硬度測試位置距接頭上部約1 mm，以焊核區(qū)為中心向兩側(cè)的母材方向測定，硬度點(diǎn)間距0.5 mm，硬度曲線覆蓋焊接接頭各個(gè)分區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭宏觀形貌

鋁銅攪拌摩擦焊接接頭橫截面形貌如圖1所示。圖1a為低轉(zhuǎn)速焊接接頭橫截面形貌，焊后接頭內(nèi)部良好，無明顯缺陷，接頭橫截面表現(xiàn)出銅鋁兩種金屬相互穿插的特征。在接頭上部，鋁材料呈條帶狀由后退側(cè)擴(kuò)展到前進(jìn)側(cè)，并覆蓋了整個(gè)軸肩寬度區(qū)域;在接頭中部，銅材料由前進(jìn)側(cè)深入到后退側(cè)鋁基體內(nèi)，嵌入在焊核區(qū)中部的銅材料呈舌狀由銅側(cè)向鋁基體內(nèi)擴(kuò)展。在接頭下部，沿原接頭對(duì)接面處形成了明顯的熔合界面，該界面受到攪拌針的攪拌作用，發(fā)生明顯的扭曲變形。圖1b為高轉(zhuǎn)速焊接接頭橫截面形貌，焊后接頭內(nèi)部良好，無明顯缺陷。對(duì)比圖1a、1b可知，焊接旋轉(zhuǎn)速度增加到2 000 r/min后，接頭上部的鋁材料同樣呈條帶狀由后退側(cè)擴(kuò)展到前進(jìn)側(cè)，焊縫表面粗糙度明顯小于低轉(zhuǎn)速接頭;接頭中部舌狀結(jié)構(gòu)更加明顯，數(shù)量由1個(gè)增加到3個(gè)，銅嵌入層深度明顯增加，由1 600 r/min的2.85 mm增加到2 000 r/min 的3.70 mm;接頭下部的對(duì)接界面扭曲變形情況更加明顯。

2.2 接頭微觀組織

兩種旋轉(zhuǎn)速度下的接頭微觀組織形貌如圖2所示。由于鋁銅焊接的成型特點(diǎn)，傳統(tǒng)意義上母材區(qū)和熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變差異較小，文中僅針對(duì)熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)的微觀組織進(jìn)行觀察和分析。由圖2a可知，熱機(jī)影響區(qū)受到攪拌針機(jī)械攪拌和焊接熱循環(huán)的雙重作用，鋁側(cè)晶粒有被明顯拉長的跡象而銅側(cè)則不明顯。鋁側(cè)熱機(jī)影響區(qū)晶粒組織受到熱機(jī)械作用，晶粒組織發(fā)生畸變和部分再結(jié)晶，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和被拉長的現(xiàn)象。由圖2b可知，在熱機(jī)影響區(qū)，旋轉(zhuǎn)速度2 000 r/min接頭受到的攪拌頭的熱量輸入和旋轉(zhuǎn)剪切力更大，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和拉長的現(xiàn)象更加明顯。如圖2c所示，在焊核區(qū)分布著白色復(fù)合相顆粒狀組織，主要分布在鋁基體上。有研究表明其主要成分是富鋁的Al2Cu，對(duì)鋁基體的性能有著增強(qiáng)作用，從而能夠提升接頭的力學(xué)性能[6-7]。如圖2d可知，高轉(zhuǎn)速的焊核區(qū)除了形成大量的白色顆粒狀組織，相較于低轉(zhuǎn)速具有更加明顯的條帶狀的組織。

對(duì)應(yīng)圖1中標(biāo)記位置焊核區(qū)的局部放大SEM圖像如圖3所示，圖中白色基體組織主要為銅合金、黑色基體組織主要為鋁合金?？梢钥闯?，在鋁基體和銅基體的界面處，存在著黑色基體中分布著不同顏色的絮狀組織的過渡帶區(qū)域。由鋁銅二元合金相圖可知，在其二元體系中存在著15種結(jié)合相，Al2Cu、Al4Cu9及AlCu是攪拌摩擦焊接中比較常見的金屬間化合物，其中Al2Cu形成的溫度最低。FSW過程中攪拌頭旋轉(zhuǎn)不斷摩擦生熱，攪拌針的攪拌作用使兩種金屬在焊核區(qū)發(fā)生混合，這就會(huì)在焊核區(qū)形成兩種金屬的機(jī)械混合物。在兩種金屬機(jī)械混合的過程中并伴隨著攪拌頭的高溫輸入，為兩種金屬界面結(jié)合處能夠生成金屬間化合物提供了充分的條件。

分別對(duì)圖3的Ⅰ、Ⅱ位置進(jìn)行EDS點(diǎn)掃描，結(jié)果如表2所示。由表2可知，Ⅰ位置的鋁、銅原子分?jǐn)?shù)分別為89.59%和10.41%，Ⅱ位置的鋁、銅原子分?jǐn)?shù)分別為72.8%和27.2%。上述結(jié)果顯示在兩種旋轉(zhuǎn)速度下接頭的鋁-銅金屬界面處的金屬原子均發(fā)生了擴(kuò)散，2 000 r/min旋轉(zhuǎn)速度下的接頭界面處原子擴(kuò)散更加明顯，成分分析表明界面處生成Al-Al2Cu的類似共晶組織[8-11]。

2.3 接頭力學(xué)性能

2.3.1 顯微硬度

兩組工藝參數(shù)下接頭橫截面方向的顯微硬度分布如圖4所示。由圖4可知，銅鋁異種金屬FSW接頭硬度分布呈現(xiàn)單峰型，峰值出現(xiàn)在接頭的焊核區(qū)，兩側(cè)熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)硬度開始下降并出現(xiàn)谷底值，隨后向兩側(cè)逐漸恢復(fù)到各自的母材硬度值。焊核區(qū)內(nèi)部金屬間化合物屬于脆硬相，其形成的銅鋁復(fù)合相組織導(dǎo)致接頭硬度的增加。焊核區(qū)硬度明顯高于其他各分區(qū)，分析其原因?yàn)椋阂皇墙饘匍g化合物的形成;二是復(fù)合顆粒組織的形成。復(fù)合顆粒組織多為兩種金屬的機(jī)械混合物，其界面結(jié)合的面積小，形成的金屬間化合物的幾率和數(shù)量相對(duì)小，其硬度相對(duì)金屬間化合物附近的硬度小，但分布范圍更加廣。高轉(zhuǎn)速接頭焊核區(qū)的硬度遠(yuǎn)高于低轉(zhuǎn)速接頭的硬度，這是由于高轉(zhuǎn)速接頭焊核區(qū)形成金屬間化合物的幾率和數(shù)量更高，復(fù)合顆粒組織更加明顯。在熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)有硬度最低點(diǎn)，這是因?yàn)榇颂幨芗羟辛τ绊戄^小，兩種金屬無法產(chǎn)生機(jī)械混合，同時(shí)攪拌頭摩擦產(chǎn)生的熱量使得這些區(qū)域的晶粒粗大、析出相溶解，導(dǎo)致硬度略有下降[9]。

2.3.2 拉伸性能

兩組不同焊接參數(shù)下的接頭拉伸性能如表3所示。由表3可知，低轉(zhuǎn)速接頭抗拉強(qiáng)度為47.6 MPa，明顯低于高轉(zhuǎn)速接頭抗拉強(qiáng)度（94.7 MPa），兩者斷裂位置都位于熱機(jī)影響區(qū)，焊核區(qū)并非接頭力學(xué)性能的薄弱點(diǎn)。從2.1節(jié)結(jié)果分析，焊核區(qū)銅嵌入層深度的增加、金屬界面處金屬間化合物的形成[10]，是導(dǎo)致焊核區(qū)硬度顯著增加的主要原因。鋁銅之間出現(xiàn)了鋁-銅交錯(cuò)式的條帶狀形貌組織（見圖1），這種典型的組織特征是由于異質(zhì)金屬的充分混合、機(jī)械結(jié)合，兩種材料的有效接觸大大增加，形成復(fù)相強(qiáng)化[11]，高轉(zhuǎn)速帶來的機(jī)械咬合作用的增強(qiáng)是接頭抗拉強(qiáng)度提升的重要原因。

2.3.3 斷口分析

兩種焊接參數(shù)下的拉伸斷口宏觀照片如圖5所示。由圖5可知，鋁銅斷口表現(xiàn)出明顯的分層結(jié)構(gòu)特征，銅/鋁側(cè)斷口基本保持著大部分原有的材料特征。從鋁側(cè)斷口照片可以看出，最上層為鋁層，最下層也是鋁基體層，兩鋁層中間夾著不規(guī)則的銅嵌入層。這是由于焊接過程中軸肩的下壓力及攪拌針劇烈的剪切作用，將銅材料帶進(jìn)鋁基體中間位置，同時(shí)將鋁材料運(yùn)動(dòng)到接頭上部并從后退側(cè)帶到前進(jìn)側(cè)，覆蓋接頭整個(gè)表面。從圖5還可以看出，高轉(zhuǎn)速接頭拉伸斷口銅嵌入層連續(xù)存在于斷口截面中，且尺寸也較大，這兩種特征都較低轉(zhuǎn)速接頭更加明顯。這種現(xiàn)象與前面論述的焊核區(qū)銅嵌入層的存在狀態(tài)對(duì)接頭的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生著重要的影響一致。

圖5b高轉(zhuǎn)速接頭1、2位置處的局部放大圖如圖6所示。圖5b中的1和2位置均位于斷口中的鋁材料側(cè)，但兩個(gè)位置的斷口形貌不同，根據(jù)2.1節(jié)的微觀組織研究結(jié)果表明，位置1位于焊接過程中鋁合金向銅合金一側(cè)擴(kuò)展的區(qū)域，該區(qū)域主要為鋁合金組織及部分鋁銅復(fù)合組織，因此在斷口中存在較多的韌窩，同時(shí)存在較多的撕裂棱，該位置特征體現(xiàn)為混合斷裂特征。位置2位于鋁銅兩種材料的交匯處，該區(qū)域材料的混合程度不高，存在明顯的界面，斷裂面呈平滑狀，這是由于FSW焊接銅鋁異種材料時(shí)，通常采用攪拌頭針長略小于板厚的工藝，焊縫底部材料主要依靠攪拌針的攪拌作用進(jìn)行結(jié)合，所以此處兩種材料的結(jié)合表現(xiàn)為表面潤濕狀態(tài)，該結(jié)合狀態(tài)接頭的連接強(qiáng)度遠(yuǎn)低于上部機(jī)械咬合的作用，斷裂特征呈脆性斷裂，整個(gè)接頭斷裂方式為韌-脆混合斷裂。

3 結(jié)論

（1）兩組工藝參數(shù)均可獲得成形良好的接頭，接頭宏觀形貌表現(xiàn)出兩種金屬相互穿插混合的特征，接頭焊核區(qū)鋁合金基體中有彌散分布的銅合金粒子，且兩種金屬結(jié)合的界面處形成金屬間化合物。

（2）高轉(zhuǎn)速下，接頭宏觀形貌表現(xiàn)出焊核區(qū)銅的嵌入層更大，微觀形貌表現(xiàn)出鋁側(cè)熱機(jī)影響區(qū)組織的晶粒被拉長和扭轉(zhuǎn)更明顯。

（3）高轉(zhuǎn)速的接頭力學(xué)性能優(yōu)于低轉(zhuǎn)速接頭，具有較高的接頭硬度和抗拉性能，接頭最高硬度達(dá)到500 HV，接頭抗拉強(qiáng)度94.7 MPa。

（4）兩種工藝接頭斷口均表現(xiàn)出分層結(jié)構(gòu)特征，上下層是鋁基體層，兩鋁層中間夾著銅嵌入層，嵌入層的尺寸特征對(duì)接頭力學(xué)性能有重要影響，接頭斷裂方式為韌-脆混合斷裂。

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