旋轉速度與焊接速度對鋁銅異種材料攪拌摩擦焊接頭成形的影響

（江蘇城鄉建設職業學院 公用事業學院，江蘇 常州 213000）

鋁因其具有密度低、強度高以及易加工的優點，被廣泛應用在各個工業領域[1—2]。紫銅具有良好的導電性、電熱性能和耐腐蝕性能，在通訊電纜、集成電路、交通運輸等領域發揮了巨大的作用[3—4]。為了有效發揮鋁銅各自的優良性能，工業生產過程中采用鋁銅復合結構，既能滿足功能需求，又能降低成本。由于鋁銅的物理化學性能差異較大，難以獲得性能良好的焊縫。攪拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）作為一種高質量、低成本的焊接技術，與傳統焊接技術相比，能夠有效避免一些裂紋、氣孔以及燒損等焊接缺陷[5—7]。

近幾年，國內外專家對鋁銅異種金屬FSW 進行了大量研究。張秋征等[8]對紫銅進行退火處理，并研究了攪拌針偏移量對焊接接頭力學性能的影響。鄭博等[9]指出了焊接速度為100 mm/min 和300 mm/min時，鋁銅焊接接頭強度較好，并通過添加銅箔，能夠使抗拉強度達到87.5 MPa。趙鵬程等[10]為了增加熱輸入，通過在銅側引入外加熱源的方法實現鋁銅FSW的連接，實驗結果表明，外加熱源的加入減少了鋁銅金屬間化合物的生成，提高了焊接接頭力學性能。Sahu P K 等[11]測試了轉速和偏移量對焊縫力學性能和微觀組織的影響，焊縫的最大抗拉強度能夠達到鋁基合金的95%，焊縫區晶粒尺寸隨工藝參數的變化而變化。M.Akbari 等[12]指出鋁銅不同的搭接方式對焊接過程中熱輸入影響較大，進而對焊縫的缺陷形成有很大的影響。以上研究主要集中在對焊接工藝的改進以及焊縫力學性能和微觀組織的檢測，對不同的旋轉速度和焊接速度下純鋁和紫銅的攪拌摩擦焊接頭成形規律的影響研究較少。文中以4 mm 厚的純鋁和紫銅為研究對象，通過改變旋轉速度和焊接速度，研究分析純鋁和紫銅異種金屬焊接接頭表面和內部成形規律，為FSW 技術在鋁銅異種金屬焊接上的應用提供支持。

1 FSW 工藝設計

FSW 工藝設計如圖1 所示，主要包含攪拌頭、軸肩、攪拌針和母材。焊接過程中，考慮到純鋁的硬度較低，攪拌針設置偏鋁側。同時由于紫銅的塑性流動性較好，將紫銅置于焊接方向的后退側，純鋁放置在焊接的前進側，以便紫銅在攪拌頭的作用下回流到前進側。FSW 焊接過程中，FSW 焊接工藝示意圖如圖1 所示[13—15]。

圖1 FSW 焊接工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of FSW welding process

2 實驗

2.1 材料

選擇4 mm 厚的1060 純鋁板和紫銅（T2）作為母材。母材的化學成分如表1 和表2 所示。

表1 1060 純鋁主要化學成分Tab.1 Chemical composition of 1060 pure aluminum

表2 紫銅的主要化學成分Tab.2 Chemical composition of red copper

2.2 方法

選擇FSW-3LM-002 型攪拌摩擦焊機，通過自帶的控制面板設置焊接工藝參數，這里焊接旋轉速度范圍為1100～1300 r/min，焊接速度控制在10～15 mm/min之間，焊接過程中偏鋁側0.6 mm，攪拌針直徑和傾角分別為Φ6 mm 和2.5°，設置0.14 mm 的軸肩下壓量，焊前對1060 純鋁和紫銅的表面進行打磨，去掉表面氧化膜，直至露出金屬光澤[10]。焊接過程中，通過改變旋轉速度和焊接速度，分析純鋁和紫銅異種金屬焊接接頭表面和內部成形規律，具體焊接參數設置見表3。

表3 Al/Cu 異種材料攪拌摩擦焊接工藝參數Tab.3 Process parameters of Al/Cu dissimilar material friction stir welding

3 結果與討論

3.1 表面成形

圖2 為不同焊接工藝下的焊接接頭表面成形。從圖2a 可以看出，在焊縫表面靠近鋁側處有孔洞出現，但是飛邊較少，這是由于在焊接過程中，焊縫前進側部分母材向前移動，出現孔洞，焊縫后退側材料向后流動過程中未能及時填充孔洞，從而導致焊縫表面的孔洞缺陷，這與旋轉速度過低有關。旋轉速度提高到1200 r/min 時，焊縫成形得到明顯改善，如圖2b 所示，可以看出焊縫表面光滑，無蟲孔和溝槽的出現，出現少量的飛邊；進一步增加轉速至1300 r/min，焊縫表面出現溝槽（見圖2c），這是因為在大轉速的作用下，焊接熱輸入相對增加，攪拌頭粘鋁現象嚴重；與圖2c 相比，圖2d 中焊縫表面出現了明顯的溝槽缺陷，這是由于焊接速度增加至15 mm/min 時，造成焊接熱輸入不足，母材的塑性流動性變差，溝槽部位未能及時補充大量材料，同時未能使兩種母材充分的塑性融合。此外，與高的熱輸入相比（見圖2c），低輸入下的焊縫表面相對光滑（見圖2a），因此控制好熱輸入的大小是獲得高質量焊縫的關鍵因素。

圖2 不同工藝參數下Al/Cu 異種金屬FSW 焊縫表面成形Fig.2 FSW weld surface forming of Al/Cu dissimilar metal under different process parameters

3.2 焊接接頭形貌分析

根據圖1 鋁銅異種金屬焊縫內部形成的熱影響區、熱力影響區和焊核區，選擇焊縫宏觀成形較好的圖2b 進行焊縫內部形貌分析，得到如圖3 所示的Al/Cu 焊接接頭不同區域形貌。母材材料表現為明顯的軋制組織（見圖3a 和圖3b），其中Cu 內部存在孿晶組織（見圖3b）。圖3c 可以看出焊核底部Al 和Cu充分混合，呈現一定的均勻分布，這是由于在攪拌針高速旋轉下，Cu 顆粒和片層結構與Al 充分接觸，均勻分布在焊核中，細晶粒的數量變多，焊核區的強度和韌性得到不同程度的提高，因此攪拌摩擦焊旋轉速度對Al/Cu 異種金屬的焊縫質量起到關鍵作用。此外，由于部分Cu 顆粒和片層結構與Al 混合不均，在焊核區還存在明顯的相互交疊的片層結構（見圖 3e）和相互交疊形成的漩渦狀結構（見圖3f），表現出明顯的異種材料攪拌摩擦焊的特征。圖3d 為Cu 側熱影響區，可以看出，在Cu 側含有部分Al 元素，這是由于與Cu 元素活動性相比，Al 具有較高的原子活動性，從而在Cu 側進行了比較充分的擴散，表現為Cu 基體靠近焊核區域分布了部分Al元素。

圖3 Al/Cu 焊接接頭不同區域形貌分析Fig.3 Morphology analysis of Al/Cu welded joint in different regions

3.3 焊接接頭SEM 分析

為了進一步分析旋轉速度和焊接速度對焊縫成形規律的影響，對圖2b 的焊縫中銅鋁界面處和焊核區進行SEM 分析，如圖4 所示。從圖4a 可以看出，界面處鋁銅混合在一起，分析認為攪拌針從銅母材上剝離了大量的銅顆粒和層片，在摩擦熱輸入下，銅與鋁進行塑性流動，鋁元素活動性較強，對銅母材有一定的滲透，并形成一定的鋁銅復合結構，與圖3a 相對應。相比于Al/Cu 界面處（見圖4a），焊核中Al/Cu混合更加均勻（見圖4b），表明在此焊接熱輸入下，攪拌針攪拌作用和軸肩的摩擦使銅顆粒和銅層能夠與鋁發生劇烈混合，形成均勻分布的混合結構，圖4b 未見明顯的焊接缺陷。結合圖2b 可知，在合適的焊接參數下，不僅能夠獲得較好的焊縫形貌，同時能夠減少焊縫內部缺陷。

圖4 Al/Cu 母材焊接接頭組織Fig.4 Structure of Al/Cu base metal welded joint

4 結論

1）攪拌摩擦焊能夠實現純鋁板與紫銅異種金屬的連接，通過焊接參數的調整，能夠獲得宏觀形貌成形較好、焊縫內部缺陷較少的焊縫。

2）焊縫宏觀形貌顯示，在旋轉速度為1200 r/min，焊接速度為10 mm/min 時，焊縫表面無明顯的焊接缺陷，焊接旋轉速度和焊接速度變化影響焊接熱輸入大小從而影響焊縫的成形質量。

3）焊接接頭微觀組織表明，旋轉速度為1200 r/min，焊接速度為10 mm/min 時，焊核底部Cu 顆粒和片層結構均勻分布在Al 中，同時焊核中存在相互交疊的片層結構和漩渦狀結構，無明顯的焊縫內部缺陷。此外，Al 具有較高的原子活動性，表現為Cu 基體靠近焊核區域分布了部分Al 元素。