銅及銅合金攪拌摩擦焊接工藝研究

周挺

(中船澄西高級技工學(xué)校 江蘇 無錫 214400)

1 研究背景

銅及銅合金是工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的有色金屬材料之一，其優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，優(yōu)秀的機械加工性能，都使其在電力電子、航空航天、武器化工等行業(yè)中必不可少。銅和銅合金具有良好的塑性和切削性能，但焊接工藝更復(fù)雜。目前，主要使用CO2氣保焊和氬弧焊等方式，但存在一些問題：第一，銅和銅合金具有高熔點，必須有足夠熱密度來熔化焊料和基材；第二，焊接接頭被加熱已經(jīng)歷熱裂紋，導(dǎo)致接頭性能差。攪拌摩擦焊應(yīng)用可以很好地解決上述兩個問題。攪拌摩擦焊接是利用零件之間的摩擦產(chǎn)生熱量，達到熱塑性狀態(tài)，實現(xiàn)金屬材料連接。與熔焊相比，溫度更低，焊后變形和殘余應(yīng)力更小，不會產(chǎn)生熱裂紋，因此有必要作為前瞻性的工藝技術(shù)儲備進一步研究，更換現(xiàn)有技術(shù)，提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

自摩擦焊發(fā)明以來，摩擦焊技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛研究和發(fā)展，并在輕合金結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。此外，基于攪拌摩擦焊接原理的另一項技術(shù)——攪拌摩擦處理也受到了一定關(guān)注，并在金屬織物改性和復(fù)合材料制備方面顯示出獨特優(yōu)勢。然而由于高溫釬焊接頭材料限制，銅及銅合金摩擦焊接和加工研究遠不如鋁合金重要。本文簡要綜述了銅及銅合金摩擦焊接與加工的研究進展，對焊接工藝進行設(shè)計和探索，確定了一組合理可行的工藝方案。

EDWARDS P D 等人[1]使用鐵粉作為示蹤材料，焊接6 mm厚的Ti-6Al-4V，發(fā)現(xiàn)鐵粉從背面向前流動，形成半圓弧形層。董學(xué)偉等人[2]利用CDF中流動模量建立錐形螺紋攪拌頭三維流動模量，得出錐形螺紋攪拌頭部提高塑料材料流動性，并且在攪拌頭反向旋轉(zhuǎn)方向上出現(xiàn)了“包裹”現(xiàn)象。柯黎明等人[3]在交替標記材料Cu 和Al 時使用了銅箔。由于混合頭旋轉(zhuǎn)方向與螺紋方向不同，在厚度方向上獲得了不同形態(tài)。SALARI E等人[4]使用4種不同形狀釬焊頭，在相同參數(shù)下對鋁合金AA5456進行焊接，這導(dǎo)致使用在釬焊針底部帶有加強錐的釬焊針來焊接試樣，從而獲得最佳密封性能。CASALINO G 等人[5]研究了攪拌的形狀和材料對接頭性能的影響，得出的結(jié)論是平肩比凹肩對焊接參數(shù)更敏感。攪拌頭的形狀嚴重影響接頭微觀結(jié)構(gòu)和硬度。

2018 年，李樹寒等人[6]利用鈦/鋼界面形成的焊接速度和特征對攪拌摩擦焊頭進行了研究。該方法使用攪拌摩擦焊接技術(shù)對接厚度為2 mm 的鈦/鋼板，并使用OM 和SEM 分析鈦/鋼界面形狀和特征，使用EDS 分析界面處元素的分布。焊接速度為23.5～60 mm/min時，焊接中心形成了一個主要由鈦制成的“洋蔥圈”。對于75 mm/min的焊接速度，界面處反應(yīng)層的厚度約為1 μm。當焊接速度為60 mm/min 時，界面反應(yīng)層的厚度約為5 μm，焊接速度為47.5 mm/min，界面反應(yīng)膜厚度約為5～60 μm，鈦/鋼在界面處的冶金反應(yīng)程度變強，界面反應(yīng)層厚度逐漸增加。2019 年，唐文坤等人[7]對在攪拌摩擦焊接過程中，對厚度為4 mm的T4003鐵素體不銹鋼進行了試驗，研究了焊接參數(shù)對接頭在常溫和低溫下組織特征、硬度分布和沖擊韌性的影響。2020 年，計鵬飛等人[8]分析了攪拌摩擦焊焊頭研究進展，為國內(nèi)外鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金和鋼材料攪拌摩擦焊焊接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料、磨損失效和壽命研究進展提供了啟示，比較了各焊點結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料財產(chǎn)的優(yōu)缺點，分析焊點失效模式和壽命，展望了攪拌頭的研究發(fā)展趨勢。

2 總體工藝路線設(shè)計與試驗設(shè)計

2.1 總體工藝路線設(shè)計

2.1.1 焊接攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)銅及銅合金的硬度、熔點及質(zhì)量要求，類比確定焊接攪拌頭材質(zhì)（可選鎢錸、鎢鉬類合金）；設(shè)計攪拌針形貌、軸肩及錐角等結(jié)構(gòu)。

2.1.2 工藝參數(shù)的設(shè)計與選用

設(shè)計旋轉(zhuǎn)速度（預(yù)計在200～1 500 r/min 之間）、焊接速度（50～300 mm/min 之間）、軸向壓力、攪拌頭插入深度與角度等工藝參數(shù)。

2.1.3 設(shè)計、開展工藝試驗條件、方法

試驗分析工藝參數(shù)對焊縫表面質(zhì)量影響、如焊接強度、截面形貌、表面質(zhì)量等。

2.1.4 分析工藝試驗進程和焊縫質(zhì)量的檢測數(shù)據(jù)

找到工藝參數(shù)與表面質(zhì)量的數(shù)學(xué)關(guān)系。做出相關(guān)圖，為修正工藝參數(shù)提供依據(jù)。

2.2 試驗設(shè)計與準備

2.2.1 樣片的處理

選用3 mm厚的銅合金板材，長200 mm，寬100 mm進行攪拌摩擦連接實驗。首先用丙酮清洗焊接試板表面油污，再用紗布除去氧化膜使其露出清潔的金屬表面，并用酒精清洗吹干，然后將待焊件固定在工作臺，對接試驗中兩塊銅板相對放置。放置在前進側(cè)，搭接實驗將采用兩種方式，鋁、銅板分別作為上層板進行搭接成形。等待進行銅板攪拌摩擦焊工藝試驗。

2.2.2 試驗設(shè)備

焊接主體設(shè)備采用專用攪拌摩擦焊機DW-FSW-1500，該設(shè)備采用西門子系統(tǒng)，工作臺為1 000 mm×700 mm，主軸最高轉(zhuǎn)速可達2 000 r/min，焊接厚度最大為8 mm，專用于精密設(shè)備焊接密封，可以滿足本次實驗要求。

檢測設(shè)備主要采用拉力試驗機，用于檢測接頭抗拉強度，型號選用單柱拉力試驗機，設(shè)備整機精度達到1級，有效測試范圍為0.5%～100%FS，橫梁位移空間為800 mm，測試寬度為400 mm，位移分辨率為0.001 mm。

接頭顯微硬度采用HVS-1000 型數(shù)顯顯微硬度計，它配備高清晰全自動測量軟件及X/Y自動載物臺，可實現(xiàn)全程自動測量，適合焊接樣塊硬度檢測，測試時在試樣厚度中線上測量。

3 主要工藝參數(shù)設(shè)計與分析

3.1 攪拌頭材料的選擇與設(shè)計

攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有規(guī)范，各位置參數(shù)包括軸肩直徑、內(nèi)凹角度、攪拌針直徑錐度形狀等對焊接質(zhì)量的影響情況都比較復(fù)雜，如何通過試驗確定最優(yōu)解，是項目的關(guān)鍵。

首先，摩擦攪拌焊接工作原理是利用攪拌頭肩部和攪拌針與基材摩擦產(chǎn)生熱量，使基材達到熔化狀態(tài)并結(jié)合在一起。與普通鋁合金材料不同，焊接峰值溫度僅為450～550 ℃。銅是一種高溫材料。材料和銅的導(dǎo)熱系數(shù)和摩擦系數(shù)會影響熱，因此可選材料較少，本次工藝設(shè)計采用多晶立方氮化硼材料。多晶立方氮化硼是一種人工合成新型材料，其硬度高，耐磨性好，特別適合加工高溫合金、火鋼和銅合金等材料[9-10]。

攪拌頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括軸體、軸肩和攪拌針3 個部分，攪拌軸肩直徑為12 mm，帶螺紋錐形攪拌針，長度為2 mm，肩部表面的中空設(shè)計，例如：圓形凹槽或渦流線，確保熱塑性材料受到向內(nèi)的力，這有利于在肩部端面中心肩部末端下方收集熱塑性物質(zhì)，以填充釬焊針后面形成的空腔，同時減少焊接過程中釬焊接頭內(nèi)部應(yīng)力的集中。攪拌針主要具有圓柱形發(fā)光表面、圓柱形線攪拌針、錐形線攪拌針、錐形線三槽攪拌針、偏心圓形攪拌針、離心圓形線攪拌針、非對稱攪拌針以及多種柔性攪拌針。

圖1 攪拌頭結(jié)構(gòu)簡圖

加工時，軸體與攪拌機旋轉(zhuǎn)頭連接，再利用攪拌針插入到工件待焊接部位，通過軸間和焊接母材兩者摩擦產(chǎn)生壓力和熱能，將工件表面變?yōu)闊崴苄裕鴶嚢桀^運動而逐漸結(jié)合。攪拌針附近材料發(fā)生塑性變形和流體流動，從而導(dǎo)致形變生熱。因此，攪拌摩擦焊本質(zhì)上是以摩擦熱作為焊接熱源的焊接方法，所以摩擦生熱是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

3.2 工藝參數(shù)的設(shè)計與選用

3.2.1 摩擦焊熱分析

影響攪拌摩擦焊焊接質(zhì)量關(guān)鍵因素就是攪拌摩擦焊的熱功率，用公式可以表示為

式（1）中：Q為熱功率；k為形狀因子，由上一節(jié)所屬的攪拌頭形狀和尺寸所決定；μ為摩擦因數(shù)，與攪拌頭軸間的材料和工件材料有關(guān)；n為攪拌頭的轉(zhuǎn)速；f為焊接壓力。

式（2）中：C為常量系數(shù)；ν為焊接速度。

由于攪拌摩擦焊穩(wěn)態(tài)焊接時，摩擦因數(shù)和焊接壓力均為定值，因此可將其與形狀因子結(jié)合為新的常量系數(shù)C，則攪拌摩擦焊熱輸入大小可以用n/v表征。

因此，當攪拌頭材料、結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計完畢后，攪拌摩擦焊關(guān)鍵工藝控制參數(shù)就是攪拌頭的速度n和焊接速度ν。

3.2.2 焊接參數(shù)

攪拌摩擦焊接參數(shù)主要包括焊接速度（攪拌焊接頭在焊接方向上的位移速度）、攪拌焊接頭的旋轉(zhuǎn)速度、焊接壓力和攪拌焊接頭（傾斜）的結(jié)構(gòu)參數(shù)θ、攪拌焊接頭的插入速度和保持時間等。

（1）攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度n的設(shè)計與選用。設(shè)計旋轉(zhuǎn)速度（預(yù)計在500～1 500 r/min 之間），如果焊接速度保持恒定，也就是說，當定義焊接速度時，如果攪拌焊接接頭旋轉(zhuǎn)速度低且焊接熱輸入低，則攪拌焊接接頭不能形成足夠熱塑性材料來填充在釬焊針后面形成的空腔，并且在焊縫內(nèi)部容易形成孔、凹槽，這會削弱關(guān)節(jié)阻力。當轉(zhuǎn)速增加到一定值時，焊縫外觀良好，內(nèi)部孔洞逐漸消失。當密封件處于適當轉(zhuǎn)速時，可以獲得最佳阻力值。

攪拌焊接頭旋轉(zhuǎn)速度通過改變熱塑性材料熱輸入和流動來影響接頭微觀結(jié)構(gòu)，從而影響接頭性能。對于銅和高強度銅合金，在n=160 mm/min 的焊接速度下，攪拌焊頭傾角θ?和攪拌焊頭轉(zhuǎn)速對2°條件下接頭強度影響如圖2所示。從圖中可以看出，當n≤900 r/min時，接頭強度隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，并且在n=900 r/min時達到其最大值；當n＞900 r/min 時，接頭強度隨著轉(zhuǎn)速增加而迅速降低。

圖2 旋轉(zhuǎn)速度對接頭強度的影響

（2）焊接速度。焊接速度就是攪拌頭進給速度，焊接速度越大，則焊接效率越高，焊接周期越短，但發(fā)熱也隨之提升；焊接速度越小，則焊接周期越長，但能更好控制發(fā)熱量。本次實驗的焊接速度試驗設(shè)計參數(shù)在（50～300 mm/min 之間），每增加50 mm/min，進行一次檢測。圖3顯示了焊接速度對銅及銅合金攪拌摩擦焊接接頭抗拉強度影響。由圖可知，相對于焊接速度的聯(lián)合力不是簡單的線性比例關(guān)系，而是曲線上的變化。當焊接速度小于200 mm/min 時，接頭強度隨焊接速度增加而增加。

圖3 焊接速度對接頭強度的影響

（3）上述兩小節(jié)主要分析了焊接速度和焊接速度對接頭強度的影響。然而，實際生產(chǎn)不能獨立于參數(shù)進行切割，必須考慮n/v對接頭性能的綜合影響：當速度過低或焊接速度過高時，n/v降低，這意味著焊縫熱輸入較低，熱量不足以達到焊接區(qū)域金屬熱塑性狀態(tài)，從而在焊縫中產(chǎn)生孔和未焊透等缺陷。隨著轉(zhuǎn)速增加或焊接速度的降低，n/v逐漸增加，焊接熱輸入趨于合理，從而形成良好的焊縫。當轉(zhuǎn)速過高或焊接速度過低時，n/v過高，熱輸入焊縫的單位長度過高，焊接區(qū)域的金屬過熱，導(dǎo)致焊縫質(zhì)量不達標。

只有當n/v在一定范圍內(nèi)時，即當焊接速度合理且與攪拌焊接接頭的轉(zhuǎn)速相對應(yīng)時，才能獲得適當?shù)暮附訜峁?yīng)，才得以實現(xiàn)美觀高效的焊接。

通過分析試驗數(shù)據(jù)并使用攪拌摩擦焊接，當轉(zhuǎn)速為n=1 000 r/min時，不同的n/v比對牽引力有相反的影響。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，隨著n/v值增加，強度和塑性增加，最大抗拉強度達到510 MPa，與基體的測量結(jié)果相同。伸長率分別為基材測量值的21%和67%。達到最大電阻值后，繼續(xù)增加n/v值，導(dǎo)致電阻和塑性降低。因此，在實際的工藝設(shè)計中，有必要進行多次比對，根據(jù)焊接工藝的優(yōu)勢進行選擇和評估，以進行確認。

（4）焊接硬度測試。焊接接頭織物由面向4 個區(qū)域中間的兩側(cè)組成，即基材區(qū)域、熱影響區(qū)域、熱效應(yīng)區(qū)域和混合區(qū)域。混合區(qū)呈倒U形。

為了研究平行于垂直軋制方向的焊接方向與工件接頭之間的硬度差異，在焊接參數(shù)為1 000 r/min 和焊接速度為200 mm/min 的情況下，平行于板材軋制方向和垂直于板材軋制的焊接核心區(qū)硬度值的變化趨勢是一致的。中心焊接區(qū)硬度值波動的原因是銅合金在攪拌摩擦焊接過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。晶粒細化對對接接頭的力學(xué)有顯著影響。由于焊接芯區(qū)和銅基底過渡區(qū)的熱循環(huán)，分散的小增強相將會聚，材料將過度變白，從而形成軟化區(qū)并降低硬度。攪拌區(qū)的硬度小于基材的硬度，熱影響區(qū)的硬度值最低。硬度分布特征如下：攪拌區(qū)的硬度不僅與顆粒尺寸有關(guān)，還與該位置的位錯密度有關(guān)。攪拌區(qū)組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒中位錯密度降低，位錯強化效應(yīng)降低，硬度降低，隨著焊接速度的增加，攪拌區(qū)的硬度逐漸增加，這是晶粒細化的結(jié)果[11]。受熱影響的區(qū)域只經(jīng)歷熱循環(huán)的影響，這相當于退火過程，伴隨著晶粒生長，因此該區(qū)域的材料軟化并具有最小的硬度。

4 結(jié)語

本文對銅及銅合金的攪拌摩擦焊接技術(shù)進行了深入的工藝研究。研究結(jié)果表明：摩擦焊工藝設(shè)計的關(guān)鍵是對熱功率的控制，在攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計定型后，熱功率的控制關(guān)鍵在于攪拌頭轉(zhuǎn)速和攪拌頭的進給速度。通過理論分析和試驗研究可以看出：兩者對接頭強度的影響都是近似一條向下的拋物線，具體曲線的形狀按照試驗數(shù)據(jù)繪制，當單獨看某一參數(shù)時，應(yīng)取在中間的某個數(shù)值使拋物線在極值時，強度最優(yōu)。若同時考慮，只有當n/v在一定范圍內(nèi)，即焊接速度合理并與攪拌焊頭的轉(zhuǎn)速相匹配時，才能獲得適當?shù)暮附訜彷斎耄垣@得美觀的焊接形狀和優(yōu)異的性能。就焊接接頭的硬度而言，不同焊接速度下接頭橫截面上的顯微硬度分布不同，硬度曲線大致呈U形，因此應(yīng)結(jié)合硬度需求綜合考慮焊接速度。