鋅白銅攪拌摩擦焊接頭顯微組織與力學性能

周利，閔婕，雷淑貴，賀文雄，黃永憲，馮吉才

(1.哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱，150001；2.哈爾濱工業大學(威海)山東省特種焊接重點實驗室，山東 威海，264209)

白銅具有優異的機械性能、物理性能及可加工性，尤其鋅白銅因具有美麗的光澤、良好的彈性和抗腐蝕性，被廣泛應用于造船、石油化工、電器、儀表、醫療器械等領域[1-2]。白銅目前主要采用傳統熔化焊方法進行連接，但容易形成粗大的組織、產生較大應力與變形、出現熱裂紋等，嚴重影響接頭的質量[3-4]。李莉等[5]利用鎢極氬弧焊和焊條電弧焊等方法分別對鐵白銅管件進行焊接，發現焊縫有比較明顯的氣孔傾向和橫向收縮，需采用適當的焊接電流、焊接速度和接頭尺寸設計。采用固相焊方法可以避免材料熔化帶來的問題，是焊接白銅較有前景的方法。攪拌摩擦焊(friction stir welding，FSW)是一種新型固相連接技術，可以避免熔化焊過程帶來的問題，特別適用于熔焊性較差的材料[6]。研究者針對純銅[7-12]以及黃銅[13-24]的攪拌摩擦焊進行了研究。HEIDARZADEH等[25]采用數值模擬分析純銅攪拌摩擦焊焊接溫度場。RIZI等[26-30]研究了鑄造鋁青銅攪拌摩擦焊，通過分析接頭顯微組織演變、顯微維氏硬度分布和腐蝕特性，闡明了焊接參數與焊接熱循環及接頭組織性能的關系。目前，針對白銅的研究較少，KANG等[31]對比了白銅攪拌摩擦焊和鎢極氣保護焊接頭顯微組織及顯微維氏硬度的差別，發現攪拌摩擦焊接頭晶粒相對于鎢極氣保護焊更加細小，接頭顯微維氏硬度也相對更高。本文作者對厚度為4 mm的BZn18-26鋅白銅進行攪拌摩擦焊對接，并對接頭微觀組織和力學性能進行研究，以便為白銅攪拌摩擦焊工藝應用提供理論依據。

1 試驗

試驗材料是長×寬×高為 200 mm×60 mm×4 mm的BZn18-26鋅白銅，其化學成分及力學性能如表1所示。攪拌頭材料為SKD61工具鋼，采用直徑為12.0 mm的內凹軸肩和直徑為3.5 mm的螺紋攪拌針設計，攪拌針長度為 3.8 mm。焊前先用鋼絲刷去除待焊件對接面及表面氧化膜，然后用丙酮洗除試件表面氧化膜殘渣及油污灰塵。焊接工藝參數如下：旋轉速度為800 r/m，焊接速度為100 mm/min，軸肩下壓量為0.15 mm，攪拌頭傾角為3°。

沿垂直于焊接方向切取試樣進行標準金相試樣制備，使用 10 g FeCl3，6 mL HCl，40 mL H2O 和 60 mL C2H5OH試劑腐蝕后，采用GX51金相顯微鏡(optical microscopy，OM)對接頭微觀組織進行觀察。沿著垂直于焊接方向加工拉伸試樣，尺寸如圖1所示。在INSTRON 1186電子力學性能試驗機上進行室溫拉伸試驗，加載速率為3 mm/min，利用TESCAN VEGA3掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)分析拉伸斷口形貌。利用 MICRO-586型顯微維氏硬度計分別測試焊接接頭截面橫向和縱向顯微維氏硬度。加載載荷為 200 g，加載時間為 10 s，測試點間距為0.5 mm，其測試示意圖如圖2所示。

圖1 BZn18-26鋅白銅攪拌摩擦焊接頭拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic illustration for tensile specimen of BZn18-26 cupronickel alloy FSWed joint

圖2 BZn18-26鋅白銅攪拌摩擦焊接頭顯微維氏硬度測試示意圖Fig.2 Schematic illustration for microhardness distribution test of BZn18-26 cupronickel alloy FSWed joint

表1 BZn18-26鋅白銅化學成分(質量分數)及力學性能Table 1 Chemical compositions and mechanical properties of BZn18-26 cupronickel alloy

2 結果與分析

2.1 接頭成形及微觀組織

BZn18-26鋅白銅攪拌摩擦焊對接接頭焊縫成形如圖3(a)所示。從圖3(a)可見：從開始到結束，焊縫顏色由深色過渡到淺色，這是由于焊接過程從起初的不穩定階段逐漸過渡到穩定階段。開始時，焊接溫度較低，焊縫呈深黃色；熱量隨著焊接的進行而積累，焊接溫度升高，焊縫顏色逐漸變為淺藍色直至焊接過程變得穩定。焊接穩定后，焊縫表面成形光滑，飛邊較少。焊接結束后，攪拌頭表面發生嚴重氧化且攪拌針長度明顯變短，如圖3(b)所示。由于白銅維氏硬度高、高溫強度導致攪拌頭發生磨損，也會引起焊縫背部未焊合。

圖3 BZn18-26鋅白銅攪拌摩擦焊接頭表面形貌及攪拌頭焊后形態Fig.3 Morphologies of surface and pin tool after BZn18-26 cupronickel alloy FSWed joint

由于攪拌針的磨損和斷裂，導致焊縫背面出現未焊合，因而接頭不同位置處截面宏觀形貌不同，這里選取焊接初始階段攪拌針斷裂位置以及焊縫中部和尾部2個典型位置接頭橫截面，如圖4所示。從圖4可以看到：不同位置接頭橫截面都由4部分組成：焊核區(nugget zone,NZ)、 熱機影響區(thermo-mechanically affected zone,TMAZ)、熱影響區(heat affected zone,HAZ)和母材區(base metal,BM)。圖4(a)所示為圖3(a)中位置1對應的攪拌針斷裂處接頭橫截面形貌，其中圓臺形的黑色物質為斷裂的攪拌針；圖4(b)所示為圖3(a)中位置Ⅱ對應的焊縫中部典型位置接頭橫截面形貌，其中焊核區黑色夾雜物推斷為攪拌針磨損而脫落的物質；圖4(c)所示為圖3(a)中位置Ⅲ對應的焊縫尾部典型位置接頭橫截面形貌，可以看到此處焊核區深度比前2個位置明顯減小，經推斷這是攪拌針的持續磨損所致。

雖然焊縫不同位置接頭橫截面4個區域的面積和分布有所區別，但各區域晶粒受到的熱-機械作用相似，因此，組織變化規律也相似。焊接過程在圖3(a)中Ⅱ位置處于相對穩定階段，同時，攪拌針磨損較小，接頭成形好，各區域分布明顯，如圖5所示。從圖5可以看出：母材沿軋制方向變形形成纖維狀組織(圖5(a))；焊核區在攪拌頭攪拌和摩擦作用下，材料發生動態再結晶形成細化的等軸晶粒(圖5(b))；熱機影響區在熱的作用下發生了再結晶，同時由于攪拌針的擠壓作用，仍存有部分纖維組織(圖5(c)和(e))；而熱影響區只受熱的作用，并在熱的作用下發生再結晶及晶粒長大(圖5(d)和(f))；由于攪拌針的磨損和斷裂，焊縫底部存在未焊透，因而仍保留了母材的纖維狀組織(圖5(g))。圖5(h)中黑色長條狀物質為攪拌針因磨損而脫落在焊核中的殘留物。

圖4 焊接接頭截面宏觀形貌Fig.4 Optical photographs for cross-sections of welded joint

2.2 接頭力學性能

圖6(a)所示為接頭橫向維氏硬度分布曲線。從圖6(a)可見：母材經過軋制發生了加工硬化，而焊縫及其附近區域在焊接過程中發生再結晶導致維氏硬度下降，所以，母材維氏硬度最高；焊核區經受熱-機械作用最顯著，發生了完全動態再結晶，維氏硬度下降最大；熱機影響區雖然也發生了再結晶，但該區域溫度較焊核區低且存在攪拌針的擠壓，使得這個區域仍存在變形纖維組織，其維氏硬度比焊核區的維氏硬度高；熱影響區僅在熱的作用下發生了再結晶和晶粒長大，使得熱影響區靠近熱機影響區的維氏硬度比熱機影響區的稍低，而距離焊縫中心更遠的區域溫度越低，其維氏硬度越接近母材的維氏硬度。

圖5 焊接接頭各區顯微組織Fig.5 Optical photographs of selected areas of joint

圖6(b)所示為接頭縱向維氏硬度分布曲線。從圖6(b)可見：維氏硬度變化整體趨勢是呈下降趨勢，距離焊縫表面越遠，維氏硬度越低。其原因是靠近焊縫表面位置在軸肩擠壓作用最明顯，可以獲得更細小的動態再結晶組織細晶粒，因而，該處的維氏硬度與母材的維氏硬度相比降低很小；焊核區中心發生完全動態再結晶，但晶粒與焊核區表面相比增大，因而，其維氏硬度出現較大下降；焊核區底部由于存在背面散熱，其組織比焊核區中部有所細化，因而，其維氏硬度比焊核中心的維氏硬度略高；焊縫根部以下區域攪拌頭磨損形成未焊合，其組織變化與熱影響區的類似，由于只受熱作用出現再結晶和晶粒長大，因而，其維氏硬度下降。

圖6 白銅攪拌摩擦焊對接焊縫顯微維氏硬度Fig.6 Hardness distribution across welded joints

分別于圖3(a)中Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ處切取拉伸試樣 1、試樣2和試樣3。為了消除焊接試驗時攪拌頭磨損導致焊縫根部未焊合對拉伸試驗的影響，對拉伸試樣背面切除一定厚度，獲得無缺陷接頭。為了確定銑削厚度，分別在焊縫起始端和末端切取金相件，并根據接頭橫截面形貌確定。圖7所示為拉伸位移-載荷曲線。從圖7可見：試樣1、試樣2和試樣3斷裂時承受的最大載荷分別為8.3，7.7和6.9 kN，抗拉強度分別為567.3，531.6和 477.9 MPa。這是因為隨著焊接過程的進行，攪拌頭不斷磨損導致焊接質量下降。

拉伸試樣斷裂位置如圖8所示。從圖8可見：3個試樣均斷裂于焊核區，這是因為焊核區發生完全動態再結晶，使得該區域強度比其他區域的低；此外，與接頭其他區域相比，焊核區厚度最小，因而其承載能力最弱；3個試樣均發生明顯縮頸。對試樣1、試樣2和試樣3的斷后標距進行測量，計算得到斷后伸長率分別為9.6%，11.0%和12.0%，平均伸長率為10.9%。

拉伸結束后，對拉伸斷口進行掃描電鏡觀察，結果如圖9所示。從圖9可以看到斷口表面出現大量韌窩，可以判斷接頭拉伸時屬于韌性斷裂。

圖7 拉伸位移-載荷曲線Fig.7 Stress-strain curves of tested samples

圖8 拉伸試件斷裂位置Fig.8 Fracture location of welded joints

圖9 拉伸試驗斷口掃描結果Fig.9 Fracture surface morphology of joint

3 結論

1)在轉速為800 r/min、焊速為100 mm/min、軸肩下壓量為0.15 mm時，攪拌針在焊接過程中發生嚴重磨損甚至斷裂，在焊接穩定階段可以得到表面光滑的焊縫，但焊縫背面產生未焊透缺陷。

2)母材為纖維狀軋制組織。焊核區在攪拌和摩擦作用下，材料發生動態再結晶形成細化的等軸晶粒。熱機影響區在熱和攪拌針的擠壓作用下，發生再結晶但仍存有部分纖維組織。而熱影響區只受熱的作用，發生再結晶及晶粒長大。

3)焊縫和熱影響區的維氏硬度均低于母材的維氏硬度，這是由于這些區域均發生了再結晶軟化，且焊核區再結晶最完全，因而其維氏硬度最低。無缺陷拉伸試樣拉伸時均斷裂于焊核區，拉伸斷口呈韌性斷裂特征。