鋁_銅攪拌摩擦焊搭接焊縫共晶組織形成與抑制

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1、鋁—銅攪拌摩擦焊搭接焊縫共晶組織形成與抑制吳小偉1，沈以赴1，李博1，周冠男1，姚磊1，胡偉葉2(1．南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院，南京210016;2．中國航天科工集團南京晨光廠工藝研究所，南京210012)摘要:采用攪拌摩擦焊技術(shù)成功焊接了鋁—銅異種金屬搭接接頭，研究了鋁—銅FSW焊縫界面宏觀形貌、組織行為特征及其與焊接熱輸入變化的相關(guān)性，揭示出鋁—銅FSW焊縫界面行為演變的基本規(guī)律．結(jié)果表明，在相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)下，單位時間、單位焊縫長度的熱輸入越大，鋁—銅界面越容易發(fā)生共晶反應(yīng)，生成Al-CuAl2共晶體組

2、織，直接影響焊接宏觀接頭抗剪力學性能，而隨著熱輸入的減小，共晶反應(yīng)程度及范圍減小;也就是說，熱輸入的減少可明顯抑制共晶反應(yīng)的發(fā)生．關(guān)鍵詞:異種金屬;攪拌摩擦焊搭接;熱輸入;共晶反應(yīng)中圖分類號:TG115．28文獻標識碼:A文章編號:0253－360X(2014)01－0087－040序言鋁、銅及其合金具有優(yōu)良的物理性能和良好的加工成形性，鋁—銅異種金屬焊接件在不同工程應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著特殊的結(jié)構(gòu)及功能性作用［1，2］．但鋁、銅的化學成分、物理性能差別較大(特別是熔點相差423℃，線膨脹系數(shù)相差40%以上)，鋁—銅熔化焊的焊縫

3、區(qū)易形成多種脆性金屬間化合物，相關(guān)工藝也比同種金屬復雜得多，傳統(tǒng)的焊接方法很難得到優(yōu)質(zhì)的鋁—銅接頭．然而，攪拌摩擦焊(frictionstirwelding，F(xiàn)SW)固相連接技術(shù)在鋁—銅異種金屬的焊接研究及應(yīng)用方面提供了新的思路［3］．目前，國內(nèi)外對鋁—銅FSW的研究主要集中在焊接工藝優(yōu)化、接頭組織性能及焊核區(qū)異質(zhì)材料的流動行為等方面［4－7］，較少研究并揭示FSW焊縫鋁—銅界面演變行為、鋁—銅中間相形成機制與特征，及其與工藝參數(shù)的相關(guān)性，以對調(diào)控宏觀焊縫成形及提高接頭性能提供理論支撐．特別針對鋁—銅FSW焊縫金屬間化合

4、物的形成問題，借助固態(tài)連接機制不產(chǎn)生新的鋁—銅中間相，尤其是防止共晶!相的生成;但國外也有文獻表明［8，9］，鋁—銅FSW工藝過程中不可避免地在焊核區(qū)的鋁—銅界面附近形成脆性金屬間化合物．針對上述問題，文中重點研究鋁—銅FSW焊縫界面組織行為特征及其與焊接熱收稿日期:2012－09－21基金項目:南京航空航天大學博士學位論文創(chuàng)新與創(chuàng)優(yōu)基金(BCXJ12－09);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目輸入變化的相關(guān)性，通過調(diào)整FSW不同的旋轉(zhuǎn)頻率/焊接速度的匹配值，分析焊核區(qū)鋁—銅界面的組織響應(yīng)及宏觀接頭的抗剪力學性能，

5、揭示出鋁—銅FSW焊縫界面行為演變的基本規(guī)律，為控制焊縫組織特征提供理論指導．1試驗方法FSW試驗母材選用2mm厚度6061-T6鋁合金(0．15Cu-0．6Si-0．7Fe-0．15Mn-0．9Mg-0．25Zn-0．04Cr-0．15Ti，質(zhì)量分數(shù)，%)和T2工業(yè)純銅薄板，鋁合金、銅板材規(guī)格均為200mm×120mm×2mm．攪拌頭材料為H13鋼，經(jīng)回火熱處理后硬度達52Pa;攪拌頭軸肩形貌為內(nèi)凹型，軸肩直徑24mm，攪拌針為無螺紋圓臺形，針根部直徑8mm、頂部直徑6mm、針長3．4mm．試驗將銅板置于鋁板的上方進行

6、搭接成形，銅板直接緊密接觸攪拌頭軸肩并摩擦產(chǎn)熱．FSW試驗采用的工藝參數(shù)如下:攪拌頭旋轉(zhuǎn)頻率n為600～1400r/min，焊接速度v為15～65mm/min，軸肩下壓量d為0．2mm．沿垂直于FSW焊縫表面的橫截面方向取樣，按標準工序?qū)υ嚇舆M行金相制備、研磨、拋光及腐蝕處理，用于腐蝕鋁合金一側(cè)的為混合酸Keller試劑(氫氟酸∶鹽酸∶硝酸∶水=2∶3∶5∶190)，腐蝕紫銅一側(cè)金相的為混合酸試劑(醋酸∶硝酸∶丙酮=3∶2∶3);采用XＲD分析鋁—銅界面結(jié)合層的相組成，通過光學顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)觀察焊縫的

7、宏觀形貌、微觀組織形貌;按搭接接頭抗剪拉伸力學性能測試標準取樣，進行室溫抗剪切力學性能測試．2試驗結(jié)果與分析2．1焊接工藝窗口及焊核區(qū)典型宏觀形貌在FSW工藝試驗前期，可通過對比觀察焊縫的宏觀成形性選取可行工藝參數(shù)匹配，并建立相應(yīng)的工藝參數(shù)窗口，如圖1所示．可見，當焊接速度v過大時，單位時間內(nèi)鋁、銅異質(zhì)金屬無法進行充分的塑性流動及位置遷移，而攪拌針在高速行進過程中，會在其后側(cè)產(chǎn)生瞬時的“空腔”，若焊核區(qū)材料不能夠完全塑化補給至該“空腔”內(nèi)，即會產(chǎn)生隧道、孔洞、溝槽等缺陷．而當焊接速度一定時，較高的攪拌頭旋轉(zhuǎn)頻率會增加材料

8、的塑化程度和上下側(cè)異質(zhì)金屬的遷移率，有利于在焊縫冷卻時避免孔洞類及弱連接缺陷，但同時也提高了FSW焊接熱輸入．圖1優(yōu)異焊接工藝參數(shù)及其表面形貌Fig.1Excellentweldingprocessparametersandmacromorphologyofsurface圖2為鋁—銅FSW接頭焊核區(qū)橫截面宏觀形貌，由