銅合金塑性與成分對其與鋼材攪拌摩擦釬焊可焊性的影響*

鮑建東，張貴鋒，唐英利，張建勛

（1.西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室 焊接研究所，西安710049；2.西安市輕工業研究所，西安710001）

1 概 述

攪拌摩擦焊接 （FSW，friction stir welding）技術是一種以攪拌頭肩部和工件表面摩擦產熱作為熱源、利用針驅動肩下金屬產生塑性流動的固相焊接技術，可用于板材的對接與搭接。FSW作為一種環保型固相焊接方法，由于具有抑制脆性金屬間化合物過度增厚的優點，故在異種金屬焊接領域 （如雙金屬復合板、電力金具）潛力巨大，已成為FSW的研究熱點之一[1-9]。薛鵬等[3]按界面反應類型將異種材料組合分為4種典型的體系：劇烈界面反應體系 （如Al-Mg體系）、中等界面反應體系 （如Al-Fe、Al-Cu、Al-Ti體系）、無界面反應體系 （如Mg-鋼體系）和新型異種材料體系 （如金屬-非晶、金屬-聚合物）。FSW的應用已拓展至Al、Mg之外的Cu材[11-12]以及制備與焊接復合材料[13-14]。另一方面，在FSW新工藝研發方面，主要以耦合外能為主要發展思路[15]。

異種金屬搭接攪拌摩擦焊存在攪拌針磨損、焊接區域窄、鉤型缺陷等問題。西安交通大學焊接研究所開發的攪拌摩擦釬焊 （FSB,friction stir brazing)專利技術以冶金反應部分代替塑性流動，降低了接頭形成對塑性流動的依賴；熔化的釬料可攜帶氧化膜碎片 （由旋轉工具在界面上的機械作用、共晶反應等產生）被擠出界面，可解決上述搭接攪拌摩擦焊存在的問題[16]。攪拌摩擦釬焊技術原理如圖1所示，圖中使用無針 （也可用帶針）工具和釬料，通過導入焊接材料——釬料，彌補無針工具在去膜方面的不足，在上述冶金反應與機械去膜綜合作用下，可在大范圍內改善去膜與結合，大幅拓寬焊道[16-21]。FSB的特點在于：①加熱方面，以摩擦熱為熱源，界面溫度遠低于熔點，有利于抑制IMC相與熱應力；②界面去膜方面，綜合了工具的機械去膜與釬料的冶金反應去膜的優點；③界面組織形成方面，以冶金反應代替塑性流動，降低了對塑性流動的苛求，消除了鉤狀缺陷；④界面組織優化方面，可打碎界面厚脆的金屬間化合物相并分散之[22]。FSB以上特點解決了攪拌摩擦搭焊中出現的問題。FSB的最初中文報道見文獻[17]，最初的英文報道見文獻[18]。其中后者被國內[23]以及美國、德國、日本、法國等國外研究人員廣泛引用[24]。

圖1 攪拌摩擦釬焊技術原理圖

FSB的主要用途之一是制備雙金屬復合板材。與常用的爆炸復合相比，具有極大的靈活性：①對基板厚度無任何限制；②對復合部位無任何限制，可以實現任意位置的 “選區復合（selected area cladding）” 或局部復合；③單道FSB的復合寬度目前可達40～60 mm；④無邊緣效應與加工硬化，適應材質范圍廣。上述特性使FSB成為爆炸焊的重要補充技術。隨著國家加大環保政策力度與強制性實施，以機加工為手段的FSB技術因節能、綠色、靈活的優點，其應用場合有望不斷增加。

目前，Cu/Fe層狀復合材料的制備方法有爆炸復合 （含整體復合[25]與局部復合[26]）、軋制復合、熔鑄復合等[27-29]。傳統爆炸法與熔鑄方法制備的Cu/Fe、Cu－Sn－Pb/Fe層狀復合材料的背散射顯微組織形貌如圖2所示。圖2（a）為最近報道的爆炸焊Fe/Cu界面顯微組織，波紋狀界面的波長 （2 mm）與波幅 （0.5 mm）均為毫米級[25]；圖2（b）所示為含鉛錫青銅和42CrMo鋼熔鑄體的顯微組織，其中上部為含錫鉛青銅，白亮組織為鉛塊，下部為中碳低合金鋼42CrMo，界面潤濕性好，致密而無缺陷。雖然軟鉛塊 （約0.1 mm）具有一定的減摩潤滑能力，但由于與青銅基體連接太弱，使用過程中鉛塊會發生脫落現象。熔鑄法的工藝難題主要有銅液的比重偏析、鋼體的預熱氧化等[29]。其他固相復合（放電復合與攪拌復合）也有報道[30-32]。

本研究為了探討FSB制備Cu/Fe層狀復合材料的可行性，對含錫鉛青銅/45鋼、H62黃銅/45鋼和紫銅/45鋼三種組合的FSB進行了研究。通過對焊縫表面成形、顯微組織 （如元素擴散和冶金反應）及性能分析，研究銅合金塑性、成分對其與鋼材攪拌摩擦釬焊 （FSB）可焊性的影響。

圖2 傳統爆炸法與熔鑄方法制備的Cu/Fe、Cu-Sn-Pb/Fe層狀復合材料顯微組織 （背散射）

2 試驗材料與方法

上部工件分別采用3種2 mm厚度銅合金薄板， 即 Cu－38Zn （H62 黃銅）、 Cu－1.5Ni－4.6Sn－15.5Pb（含錫鉛青銅）和工業純銅；下部工件選用價格低廉的中碳鋼45鋼 （Fe－0.45%C），厚度亦為2 mm。

焊接方法為攪拌摩擦釬焊。攪拌摩擦釬焊過程中使用的無針工具采用40 mm大直徑以提高生產率，釬料為厚度30 μm的Zn箔或Sn箔。分別從表面成形、界面冶金反應和顯微組織角度研究3種銅合金與中碳鋼攪拌摩擦釬焊 （FSB）的可行性。

3 試驗結果與討論

3.1 T2紫銅與45鋼攪拌摩擦釬焊

T2紫銅與45鋼攪拌摩擦釬焊的焊接參數見表1。T2紫銅/45鋼FSB接頭光滑無裂紋，焊縫表面形貌如圖3所示。由圖3可見，焊后表面成形方面，由于熱輸入低 （低轉速和高焊速），T2紫銅與45鋼FSB接頭表現出光滑的表面成形且表面無裂紋，這是由T2紫銅優良的塑形所決定的。另一方面，中心被壓下，兩側鋼板 （含前進側與后退側）產生一定的上翹變形，使實際下壓量在前進側、中心處以及后退側不同，從而導致各個區域的減薄情況不同。這與焊接過程中表面輪廓不均勻有關。

表1 T2紫銅與45鋼攪拌摩擦釬焊焊接參數

圖3 T2紫銅/45鋼FSB接頭焊縫表面形貌

T2紫銅/45鋼FSB接頭掃描電鏡照片如圖4所示。從圖4可以看出，在攪拌頭肩下前進側存在約2.2 mm的未焊合區域，而中心部位和后推側均實現了良好的冶金結合，界面致密無缺陷，總焊合率為95% （焊合部分為38 mm）。通過掃描電鏡對Cu、Fe、Sn在界面附近的分布情況進行了點分析、線掃描和面掃描分析，以確認界面潤濕及合金化程度。

采用SEM面掃描對T2紫銅/45鋼FSB接頭焊縫中心區域元素分布進行了分析，分析結果如圖5所示。圖5證明了在Cu界面處，界面致密而無空洞缺陷；且已有少量Sn與Fe（質量百分比在5%以下）擴散入Cu表層內 （見表2），界面合金化后成分落在α+σ+ε三相區 （可參照文獻[32]中Fe－Cu－Sn三元相圖室溫截面圖）， 說明了界面已無單質Sn（被擠出）且合金化后仍保持富Cu相，既強化了界面結合，又避免了界面脆化。

采用線掃描對界面附近Cu、Fe、Sn元素分布進行分析，結果如圖6所示。圖6線掃描結果顯示，Fe元素擴散至銅基體內，擴散含量最高達8.7%，出現在界面附近，而最遠擴散距離約為30 μm （見圖6（a））；Sn元素擴散同樣進入銅基體中，擴散深度約為40 μm，Sn含量最高的位置仍在界面處，但含量僅有4.16% （見圖6（b））。這證明了界面冶金反應充分，且無單質Sn與IMC相存在于界面，是接頭高強度的來源所在。因此，對于Cu/Fe組合，Sn的熔化有利于兩種母材界面冶金化，且熔化的Sn易被擠出界面，從而可避免Cu-Sn金屬間化合物殘留于釬縫中。

圖4 T2紫銅/45鋼FSB接頭掃描電鏡照片 （自左側連續拍至右側）

圖5 T2紫銅/45鋼FSB接頭焊縫中心區域元素分布 （SEM面掃描）

表2 圖5中元素能譜分析結果

3.2 H62黃銅與45鋼攪拌摩擦釬焊

H62黃銅/45鋼FSB焊接參數見表3，接頭表面形貌如圖7所示。從圖7可以看出，接頭表面成形光滑，無裂紋，這在含錫鉛青銅/45鋼FSB焊接過程中無法達到，原因是含錫鉛青銅塑形太差。此外，接頭界面邊緣還有擠出的釬料珠存在，這是Zn箔熔化后攪拌頭的擠壓作用而形成的，此現象證明了釬料熔化后可形成流動。然而，H62黃銅/45鋼沒有形成良好的FSB接頭，焊后摔斷試驗即會開裂，這是由于Cu沒有充分溶解進入液態Zn中形成較強的冶金結合。結果表明，H62黃銅為固溶體組織，塑性足夠好，可以避免攪拌摩擦變形產生的表面裂紋，但黃銅中Zn初始含量過高，抑制了黃銅向熔融Zn中的溶解，導致界面合金化效果差。可見，僅有釬料的熔化而沒有母材的溶解，即上板母材界面處一直處于固態情況下，界面始終呈 “固/固”狀態，當釬料被熔化、擠出后，因潤濕性與致密性差、固態母材激活能高而難以實現焊合。

圖6 界面附近Cu、Fe、Sn元素分布 （線掃描）

表3 H62黃銅/45鋼FSB焊接參數

圖7 H62黃銅/45鋼FSB接頭表面形貌

3.3 含錫鉛青銅與45鋼攪拌摩擦釬焊

低熱輸入、中等熱輸入與高熱輸入條件下含Cu－Sn－Pn/45鋼組合均使用直徑40 mm攪拌頭時的焊接接頭表面成形與斷口形貌如圖8～圖10所示。該種組合中，含錫鉛青銅/鋼組合出現了相當粗糙的焊縫表面形貌，且頂部青銅始焊端均出現了裂紋，釬料對基體金屬 （尤其是中碳鋼）潤濕性均較差，即便是采用低轉速、高焊速以降低熱輸入，焊后仍會自發分離。

在低熱輸入 （950 r/min、 118 mm/min、 3°傾角和0.5 mm下壓量）條件下，頂部含錫鉛青銅裂紋首先產生于始焊端，Zn箔未熔化，夾具基本未被加熱 （見圖8）。含錫鉛青銅基體由青銅基體和大量鉛塊組成。對含錫鉛青銅顯微組織進行分析，一次裂紋沿鉛塊分布，周圍有大量的二次裂紋，這意味著鉛塊降低了青銅的低溫抗扭裂能力，導致FSB后產生裂紋。另一方面，青銅中單相鉛塊的出現會導致焊接過程中摩擦產熱不足，原因是鉛起到潤滑劑的作用，能顯著降低攪拌頭和青銅間的摩擦系數。

在中等熱輸入 （1 180 r/min、60 mm/min、1.5°傾角和0.5 mm下壓量）條件下，接頭表面極粗糙且在始焊端出現裂紋，焊后由于Zn釬料對中碳鋼潤濕性差，焊后接頭即會開裂分離 （見圖9）。在高熱輸入 （1 500 r/min，30 mm/min，1.5°傾角和0.7 mm下壓量）條件下，上方青銅碎裂為幾部分，表現出極差的塑形，無法形成連接良好的FSB接頭 （見圖10）。即使在這種情況下，鋅和青銅都沒有粘附在在中碳鋼上。熱輸入高時，銅中存在的單相鉛塊發生熔化，導致熱裂紋的產生，從而導致青銅母材發生嚴重碎裂。此外，熔化的鉛會惡化釬料對母材的潤濕性。

圖8 低熱輸入 （950-118-3°-0.5）時裂紋、斷裂表面及含錫鉛青銅基體顯微組織

圖9 中等熱輸入 （1 180-60-1.5°-0.5）時含錫鉛青銅部分斷裂表面形貌

圖10 高熱輸入 （1 500-30-1.5°-0.7）時含錫鉛青銅扭裂碎化表面及斷裂的FSB界面

研究表明，上部金屬工件良好的塑性、合適成分與組織對形成合格的FSB接頭必不可少。工件約束條件和熱輸入對應的焊接參數應進一步優化（如采用小直徑工具和增大傾角等，見圖11）。

圖11 攪拌頭直徑為20 mm時焊縫表面無裂紋的FSB接頭 （1 500-30-1.5°-0.5）

4 FSB中釬料流動與攪拌作用在界面去膜中的體現

FSB中的工具為旋轉工具并非靜止工具。旋轉軸肩對焊接界面的攪拌作用體現在兩個方面：一是對液相的攪拌，強力驅動液相流動；二是對固相母材表面的攪拌，即通過扭轉機械破膜并激活表面層。在本研究中，關于FSB中“釬料能夠形成流動”可通過兩例試驗驗證，一是在“Cu/45鋼”組合中，未觀察到Sn殘留 （見圖5），而Sn向Cu中的溶解非常有限 （見表2），可見熔化的Sn全被擠出。二是在 “黃銅/45鋼”組合中，可看到界面處有擠出的釬料 （見圖7）。上述界面已無明顯存在的釬縫 （Cu/45鋼組合）以及擠出的釬料珠 （黃銅/45鋼組合），證明了軸肩的摩擦熱通過上部工件傳遞到界面上，使釬料達到熔點被熔化，而且軸肩能經上板通過對界面的擠壓、扭轉作用，使液態釬料向外流動而被擠出 （尤其是焊道中心的釬料被擠出時，受擠壓發生強迫流動距離長達約1/2軸肩直徑）。

軸肩對固態母材的攪拌作用可在 “Cu－Sn－Pb/45鋼”組合中直觀地觀察到。由圖10（a）與圖10（b）可知，FSB過程中，攪拌頭肩部對上部工件表面除了產生摩擦熱外，還有強烈的扭轉作用，導致上部含錫鉛青銅工件破碎，碎片沿旋轉方向發生了轉動 （見圖10（a）中的α與圖圖10（b）中的β與θ），或沿焊接方向發生了移動。如此劇烈的扭轉作用必將傳遞至焊接界面上，對界面產生攪拌效果，從而通過 “界面擠壓、扭轉+膜下潛流 （釬料加入）+加壓擠出”多種混合機制有效去除鋼材表面氧化膜，最終獲得界面致密的FSB接頭。事實上，在 “Cu/45鋼”與 “黃銅/45鋼”組合中工具對上板母材、下板母材的上表面的扭轉攪拌作用同樣也是存在的，只是因上板母材強度高或塑性好、且受到約束未顯化而已。本課題組前期文獻 [18-20]證明了FSB中可將置于搭接界面的Cu箔撕裂，也確認了軸肩對界面攪拌作用的存在。

與傳統有針攪拌摩擦焊接相比，當采用無針工具時，由于工具對母材的機械作用減弱，上下板之間界面的變形、破膜、混合變得困難，從而導致界面結合差。為此，攪拌摩擦釬焊 （FSB）通過添加釬料，利用母材表層的快速溶解代替塑性變形，改變了被溶解母材在界面處的形態，即上下母材界面間由單一的 “固/固”界面，變為“半固態/固態”界面 （上方母材由于向釬料中溶解而由純固態變化為半固態），這樣的 “界面形態的轉變”再加上 “工具的力學作用”有利于實現上下界面潔凈化、致密化與合金化。

5 結 論

（1）本研究三種FSB組合中，采用Sn箔作為釬料的T2紫銅/45鋼FSB接頭表面成形光滑，焊合率高 （95%），僅在前進側出現局部的未焊透區。Sn的熔化有利于基體之間的界面冶金化，Sn擴散入銅內深度可達30 μm，且之后Sn的擠出有利于避免Cu－Sn金屬間化合物的形成。

（2）含錫鉛青銅/45鋼無法形成合格FSB接頭，原因為含錫鉛青銅塑形極差，導致始焊端出現裂紋，且釬料對中碳鋼母材潤濕性太差。含錫鉛青銅極差的塑形、低焊合率及較差的潤濕性均由青銅基體中一定數量的偏聚鉛塊所導致。特別是在熱輸入高的情況下，上方青銅工件產生熱裂紋，同時惡化了表面成形和界面冶金結合。

（3）Zn箔做釬料時，H62黃銅/45鋼FSB接頭雖然表面光滑，但由于界面反應不充分，接頭結合薄弱，焊后即自發開裂。

（4）試驗結果表明，上部金屬工件的成分、塑性和強度分別是影響接頭表面成形和界面合金化的關鍵因素。塑性太差會惡化接頭表面成形，而過高的母材強度會影響釬料元素和母材元素反應，最終導致界面合金化不足。Cu-Sn-Pb過度溶解 （直至溶穿出現裂紋）與H62黃銅溶解不足都影響結合強度，T2紫銅適度溶解與合金化有利于改善界面致密性與強度。