工藝參數對鋁銅異種材料攪拌摩擦焊接頭成形規的影響研究

張超 萬子剛

摘 要：焊接工藝參數對鋁銅攪拌摩擦焊的焊縫成形有巨大的影響。通過改變旋轉速度、焊接速度和攪拌針偏移量，本試驗分析了鋁銅攪拌摩擦焊縫成形規律。試驗結果表明，在旋轉速度為1 050 r/min、焊接速度為20 mm/min、攪拌針偏鋁0.6 mm時，鋁銅焊縫表面無明顯焊接缺陷，成形美觀。在提高旋轉速度和降低焊接速度時，焊縫表面形成明顯的孔洞缺陷;降低旋轉速度和提高焊接速度，易造成焊縫出現溝槽缺陷;保持旋轉速度和焊接速度不變，攪拌針偏銅越多，焊縫成形質量越差，這與鋁和銅的不同塑形流動性和硬度有關。

關鍵詞：純鋁;紫銅;攪拌摩擦焊;焊接成形;焊接工藝

中圖分類號：TG456文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0131-03

Study on the Influence of Process Iarameters on the Forming Law of Friction Stir Welding Joints of Aluminium and Copper Dissimilar Materials

ZHANG Chao WANG Zigang

（School of Public Utilities， Jiangsu Urban and Rural Construction College，Changzhou Jiangsu 213000）

Abstract： The welding parameters have a great influence on the weld forming of aluminum - copper friction stir welding. By changing the rotation speed， welding speed and the stirring needle offset， this experiment analyzes the forming rule of aluminum-copper friction stir welding. The experimental results show that the stirring needle is inclined to aluminum 0.6 mm at the rotation speed of 1 050 r/min and at the welding speed of 20 mm/min， there is no obvious welding defect on the surface of aluminum-copper welding seam， and the appearance is beautiful. When the rotation speed is increased and the welding speed is decreased， obvious hole defects are formed on the surface of the weld; reducing rotation speed and increasing welding speed are easy to cause weld groove defects; if the rotation speed and welding speed are kept unchanged， the more the mixing needle deviates from copper， the worse the weld forming quality will be， which is related to the different shaping fluidity and hardness of aluminum and copper.

Keywords： pure aluminium;copper;friction stir welding;welding forming;welding process

由于鋁、銅各自良好的物理化學性能以及易加工性，將鋁銅結合在一起使用能夠得到更加優良的產品[1]。采用攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）能夠實現鋁銅異種材料的焊接，具有成本低、焊接成形美觀和焊縫缺陷少等優點[2-3]。

近年來，大量學者對鋁銅異種金屬FSW進行了研究。孟強等[4]分析了6061-T6鋁合金和紫銅攪拌焊微觀組織，指出焊核區微觀組織形成了大量的Al/Cu氧化物，氧化物的形成對焊縫強度有較大的影響，同時不同區域的焊縫組織晶粒尺寸發生變化，硬度出現顯著變化;Xue P等[5]研究了FSW焊接工藝參數對接頭性能的影響，在轉速600 r/min與偏移量2 mm的條件下，鋁銅接頭可彎曲到180°而不發生斷裂，薄而連續的復合層有利于提高鋁銅結合強度，鋁銅界面厚堆垛層狀結構降低了材料的力學性能;Tan C W等[6]采用攪拌摩擦焊（FSW）將5A02鋁合金與純銅連接起來，鋁和銅在焊核區有良好的混合，大量的細銅顆粒分散在北西向的上部，形成復合狀結構，透射電鏡（TEM）觀察顯微組織的形成造成不均勻的硬度分布，特別是Al/Cu界面硬度明顯升高;董豐波等[7]利用掃描電鏡對鋁銅焊接的斷口進行了重點分析，結果表明，焊縫的抗拉強度達到母材的76%左右，靠近銅側硬度較高，斷口形貌呈現塑性斷裂狀態;Abdollah-Zadeh A等[8]進行了多次攪拌摩擦焊試驗，以獲得最佳的機械性能，結果表明，界面區含有多種金屬間化合物，而選用較高的攪拌頭旋轉速度可以有效避免金屬間化合物的大量形成;Saeid T等[9]采用攪拌摩擦焊法制備了1060鋁合金和工業純銅的搭接接頭，研究了焊接速度對接頭形貌、組織和接頭強度的影響，試驗結果顯示，在焊接速度為95 mm/min時能夠得到性能較好的焊縫。

以上研究少有涉及同時考慮旋轉速度、焊接速度和偏移量三個焊接參數耦合對焊縫成形的影響研究。本文以純鋁和紫銅為研究對象，綜合研究了旋轉速度、焊接速度和偏移量對焊縫成形規律的影響，為FSW技術在鋁銅異種金屬焊接中的應用提供支持。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗工藝材料

本試驗選擇1060純鋁板和紫銅（T2）作為母材，厚度為4 mm。純鋁具有密度低、強度高以及易加工的優點，紫銅具有良好的導電性、耐腐蝕性能。母材的化學成分如表1所示。

1.2 試驗方法

本試驗采用對接的方式，對4 mm的純鋁板與紫銅進行攪拌摩擦焊，改變旋轉速度、焊接速度和偏移量，研究焊縫成形規律。其中，攪拌頭材料為H13工具鋼，軸肩尺寸為[Φ]20 mm，攪拌針為[Φ]5～6 mm，具體焊接參數如表2所示。

2 試驗結果與討論

圖1為偏鋁0.6 mm且旋轉速度和焊接速度不同時的焊縫宏觀形貌。從圖1（a）可以看出，當轉速度為1 200 r/min，焊接速度為30 mm/min時，焊縫表面存在孔洞和裂紋;圖1（b）中，焊縫表面的孔洞和裂紋有所改善，這是由于焊接速度降低到20 mm/min，熱輸入的增加使得鋁銅母材的塑性流動性增強;近一步提高焊接熱輸入，增大旋轉速度至1 300 r/min，降低焊接速度為10 mm/min，得到圖1（c）中的焊縫表面，從圖中可以看出，焊縫表面存在大量的孔洞缺陷，原因可能是在焊接熱輸入過大時，雖然母材得到充分的熱輸入，塑形流動性變強，但是攪拌頭的黏連會對焊縫表面成形造成影響;保持焊接速度不變，旋轉速度降低到900 r/min，焊縫表面出現明顯的溝槽，如圖1（d）所示;增加熱輸入，使得旋轉速度達到1 050 r/min，焊縫表面質量得到改善，未出現明顯的缺陷，如圖1（e）所示;但當增加焊接速度時，圖1（f）中的焊縫表面出現部分孔洞缺陷。分析認為，控制好焊縫的熱輸入是焊縫成形控制的關鍵。

為了研究偏移量對焊縫的影響，保持旋轉速度1 050 r/min和焊接速度20 mm/min，改變攪拌針偏移量，如圖2所示。從圖2（a）可以看出，在偏移量為0 mm，即未發生偏移時，相比于圖1（e），其表面出現明顯的裂紋缺陷;當攪拌針偏銅0.6 mm時，焊縫表面缺陷更加明顯，出現大量的孔洞如圖2（b）所示。分析認為，攪拌針位于中央或者偏銅，焊縫成形較差，這與銅母材的物理化學性質有關，鋁相比銅硬度低，但是銅的塑形流動性好于鋁，將攪拌針偏鋁側，可以增加鋁的塑性流動，形成較好的焊縫形貌。

3 結論

采用H13工具鋼攪拌頭，在旋轉速度1 050 r/min、焊接速度20 mm/min、偏鋁0.6 mm的條件下，鋁銅異種金屬焊接接頭表面形貌較為美觀，焊接缺陷較少。攪拌針偏移量對焊縫成形有較大的影響。相比于攪拌針偏銅，偏鋁后得到的焊縫表面平整，成形質量較好。

參考文獻：

[1]周楠，戚文軍，宋東福.鋁銅異種材料線性摩擦焊接頭的微觀組織與力學性能[J].稀有金屬材料與工程，2017（5）：1255-1259.

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[3]張秋征，宮文彪，毛亞芬，等.鋁-銅異種材料攪拌摩擦焊接頭組織及性能研究[J].焊接，2014（7）：40-43.

[4]孟強，車倩穎，王快社，等.鋁銅異種材料攪拌摩擦焊接接頭微觀組織與性能[J].材料導報，2019（12）：2030-2034.

[5]Xue P，Ni D R，Wang D，et al.Effect of friction stir welding parameters on the microstructure and mechanical properties of the dissimilar Al-Cu joints[J].Materials Science & Engineering：A （Structural Materials： Properties，Microstructure and Processing），2011（13）：4683-4689.

[6]Tan C W，Jiang Z G，Li L Q，et al.Microstructural evolution and mechanical properties of dissimilar Al-Cu joints produced by friction stir welding[J].Materials & Design，2013（51）：466-473.

[7]董豐波，張春杰，易宏強，等.鋁/銅攪拌摩擦焊接頭力學性能與斷口形貌分析[J].熱加工工藝，2011（23）：137-139.

[8]Abdollah-Zadeh A，Saeid T，Sazgari B.Microstructural and mechanical properties of friction stir welded aluminum/copper lap joints[J].Journal of Alloys and Compounds，2008（1）：535-538.

[9]Saeid T，Abdollah-Zadeh A，Sazgari B.Weldability and mechanical properties of dissimilar aluminum–copper lap joints made by friction stir welding[J].Journal of Alloys and Compounds，2010（1）：652-655.