鋁/銅異種材料攪拌摩擦搭接焊工藝及性能研究

任洪穎，劉豪，陳影

大連交通大學 遼寧大連 116021

1 序言

銅和鋁均為良好的導電材料，在工業生產中常用儲量大、質量輕的鋁代替銅以減少成本，降低構件重量。但鋁強度低，導電性也較差，因而不能完全取代銅。而用鋁/銅焊接件代替純銅構件能夠提高構件的比強度，充分發揮兩種材料的優點，因此鋁/銅異種材料的焊接具有重要的應用價值[1，2]。

目前工業生產中銅和鋁焊接主要采用熔化焊和釬焊。由于銅和鋁物理化學性能以及填充金屬和釬料的影響，在焊接過程中存在氣孔、脆硬相夾雜等冶金缺陷以及釬焊時腐蝕性助焊劑殘留吸濕后使焊縫發生晶間腐蝕等問題[3]。

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding）作為一種新型固相連接技術，具有變形小、接頭質量高、無煙塵等優點。焊接過程中金屬不熔化，可以避免各類冶金缺陷；通過調節焊接參數可以減少金屬間化合物的生成，獲得力學性能優良的焊接接頭，所以攪拌摩擦焊在鋁、銅等有色金屬的焊接應用上具有很大的優勢。目前，國內外研究較多的是同種材料攪拌摩擦焊，而關于鋁/銅異種材料的攪拌摩擦焊研究與應用相對較少。本文旨在對鋁/銅異種材料攪拌摩擦搭接焊工藝進行研究，自行設計攪拌頭，通過改變工藝參數進行攪拌摩擦焊試驗，并對接頭進行力學性能測試和微觀組織分析，從而調整優化工藝參數[4]。

2 試驗材料及攪拌頭

試驗材料為1060純鋁和T2純銅，兩者都具有高導電性和導熱性、良好的耐腐蝕性能和機械加工性能，其化學成分及力學性能見表1、表2[5，6]。

試驗攪拌頭所用材料為工具鋼H13，其具有較高硬度和耐磨性。根據母材規格合理設計攪拌頭的形式和尺寸，采用直徑為20mm的內凹軸肩和根部直徑為5mm、長度為2.1mm、錐角為30°的圓錐形攪拌針，該攪拌針在產熱和帶動材料流動方面優于圓柱形攪拌針，所得焊接接頭具有良好的外觀和優良的力學性能[7-9]。

表1 1060純鋁的化學成分及力學性能

表2 T2純銅的化學成分及力學性能

3 試驗方法

采用1 5 0 m m×1 0 0 m m×2 m m鋁板和150mm×100mm×3mm銅板進行攪拌摩擦焊工藝試驗。焊前先用丙酮去除試板的表面油污，再用砂紙打磨母材表面的氧化膜，然后將試板固定在工裝夾具臺上。由于金屬銅的硬度和熔點比鋁高很多，在焊接過程中采用“鋁上銅下”的搭接方式（見圖1），以減少攪拌頭磨損，降低熱輸入，防止接頭產生金屬間化合物；搭接部位試板直接接觸，搭接量50mm，焊縫長150mm。表3為各組試樣對應的焊接參數[10-12]。

圖1 攪拌摩擦焊接頭形式

表3 焊接參數

焊接結束后，每組取3個100mm×35mm的試樣（垂直焊縫取樣，分別為距始端20mm處，焊縫中間，距末端20mm處），在三思電子萬能試驗機UTM510上對試樣進行拉伸，3組拉伸試驗結果取平均值。為了避免試樣在拉伸過程中產生偏心扭曲，在試樣夾緊部位加墊板以彌補母材的厚度差異，確保試樣拉伸時處于同一平面（鋁側加3mm厚的銅墊板，銅側加2mm厚的鋁墊板），如圖2所示。拉伸試驗結束后，選用參數為1000r/min、50mm/min的接頭進行微觀組織分析和硬度試驗。采用JSM-6360LV掃描電子顯微鏡對接頭斷口（鋁側）進行電子掃描分析，確定拉伸斷裂類型；對試樣進行打磨、拋光、腐蝕后在MR2000光學顯微鏡下觀察其金相組織，腐蝕1060工業純鋁時所選用的腐蝕劑是Keller試劑（950ml水、25ml硝酸、15ml鹽酸、10ml氫氟酸），腐蝕T2純銅所用的試劑配方為：4ml飽和氯化鈉溶液、2g重鉻酸鉀、100ml水、8ml濃硫酸[13]；將拋光腐蝕后的試件在HV-10008A維氏硬度儀上進行硬度測試。

圖2 拉伸示意和拉伸結果實物

4 試驗結果與分析

焊接參數為1000r/min、50mm/min的試樣外觀形貌如圖3所示，焊縫表面光滑、波紋連續清晰、無溝槽缺陷、飛邊小，表明該參數下材料充分流動，焊縫成形良好。

圖3 試樣外觀形貌

4.1 拉伸試驗結果與分析

試件在拉伸后均斷裂于鋁側熱機影響區附近，這表明接頭熱機影響區的抗拉強度較低。拉伸試驗中各組焊縫所能承載的最大拉伸載荷分別為：D組5960N、E組5913N、B組5721N、F組5496N、A組5243N、C組4812N。D組焊縫的承載能力最高，表明該焊接參數下的焊接接頭具有較高的靜載強度。各組試樣拉伸曲線如圖4所示。

圖4 各組試樣拉伸曲線

圖5 為接頭斷口宏觀形貌，斷口處存在明顯塑性變形。圖6a為斷口處的整體電鏡掃描微觀形貌，從圖中能明顯的看到韌性斷裂的特征：有上橫道、下橫道和韌窩；在斷口的韌窩放大3000倍的情況下能清楚的觀察到韌窩內部的具體情況，如圖6b所示，在韌窩內部并沒有發現金屬間化合物的存在，而是觀察到了大量的微型小孔，這些“微型小孔”聚集是導致材料發生韌性斷裂的主要原因。因此接頭的斷裂類型為韌性斷裂，斷裂機理為微孔聚集。

圖5 斷口宏觀形貌

圖6 斷口電鏡掃描形貌

4.2 焊接接頭組織

圖7 a為焊核區域的顯微組織，在圖中能夠觀察到由于攪拌針作用而在焊核周圍形成的“洋蔥環”組織；在焊核中存在著大量的彌散分布的銅屑，這是由于焊接過程中攪拌針插入到銅板，對銅產生切削作用，被切下來的銅在攪拌頭作用下散亂分布在焊核中，彌散分布的銅在鋁板中起到了第二相強化的作用，這有助于提高焊縫的強度和硬度。在焊核區域鋁/銅交界處，銅和鋁的結合面形成參差不齊的“鉤狀結構”（見圖7b），這有助于增加接頭的抗剪強度[2，14]。

圖7 鋁側金相照片

圖8 a為銅的后退側組織，通過與圖8b銅母材晶粒對比發現熱機影響區晶粒度明顯發生細化。一方面由于在攪拌頭機械壓力和摩擦熱共同作用下，熱機影響區發生動態再結晶，晶粒細化；另一方面，在軸肩壓力的作用下晶粒長大受到阻礙，所以晶粒度減小[13]。

圖8 銅側金相照片

4.3 接頭顯微硬度分析

圖9 是焊接接頭的顯微硬度曲線，黑色曲線是銅側硬度分布，紅色曲線是鋁側硬度分布。接頭硬度曲線整體呈W形，熱影響區（HAZ）硬度值與母材相當；熱機影響區（TMAZ）硬度較小；焊核區（WNZ）硬度值最高，介于銅母材和鋁母材之間，甚至個別點硬度值可達到銅母材硬度。

圖9 試件接頭顯微硬度曲線

這是由攪拌摩擦焊熱機械過程中熱、力影響以及材料遷移行為綜合作用的結果。熱影響區僅受到熱影響，晶粒有所長大但未發生顯著變化，因此硬度與母材相當；熱機影響區受到熱、力影響，再結晶軟化大于應變硬化，因此硬度降低；在焊核區材料變形量更大，溫度更高，在動態再結晶過程中，由于軸肩壓力作用晶粒無法長大，晶粒與母材相比較為細小，硬度值較高；另一方面，在攪拌針強烈地攪拌作用下大量的銅顆粒被帶入鋁層，呈彌散分布，起到第二相強化作用，因此焊核區表現出較高強度和硬度[2，13]。

5 結束語

1）以2mm厚1060工業純鋁板材和3mm厚的T2純銅板材為母材，采用“鋁上銅下”搭接接頭進行攪拌摩擦焊接。在試驗條件下，焊接速度50mm/min、攪拌頭旋轉速度1000r/min時，焊縫成形良好，接頭力學性能優良。

2）在焊接參數為50mm/min、1000r/min時，焊接接頭拉伸試驗斷裂方式為韌性斷裂；電鏡掃描結果表明，斷面出現大量韌窩，接頭斷裂機理為“微孔聚集”；接頭硬度呈W形分布，焊核區硬度值最大，熱影響區硬度值與母材相當，熱機影響區硬度值最小。

3）焊核區發生塑性金屬遷移，過渡區出現“洋蔥環”和“鉤狀結構”；銅側熱機影響區晶粒細化，明顯小于銅母材晶粒。