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铝铜搅拌摩擦焊搭接焊缝共晶组织形成与抑制

铝_铜搅拌摩擦焊搭接焊缝共晶组织形成与抑制

铝—铜搅拌摩擦焊搭接焊缝共晶组织形成与抑制

吴小伟1，沈以赴1，李博1，周冠男1，姚磊1，胡伟叶2

（1．南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京210016;2．中国航天科工集团南京晨光厂工艺研究所，南京210012）

摘要:

采用搅拌摩擦焊技术成功焊接了铝—铜异种金属搭接接头，研究了铝—铜FSW焊缝界面宏观形貌、组织行为特征及其与焊接热输入变化的相关性，揭示出铝—铜FSW焊缝界面行为演变的基本规律．结果表明，在相应的焊接工艺参数下，单位时间、单位焊缝长度的热输入越大，铝—铜界面越容易发生共晶反应，生成Al-CuAl2共晶体组织，直接影响焊接宏观接头抗剪力学性能，而随着热输入的减小，共晶反应程度及范围减小;也就是说，热输入的减少可明显抑制共晶反应的发生．

关键词:

异种金属;搅拌摩擦焊搭接;热输入;共晶反应

中图分类号:

TG115．28文献标识码:

A文章编号:

0253－360X（2014）01－0087－04

0序言

铝、铜及其合金具有优良的物理性能和良好的加工成形性，铝—铜异种金属焊接件在不同工程应用领域发挥着特殊的结构及功能性作用［1，2］．但铝、铜的化学成分、物理性能差别较大（特别是熔点相差423℃，线膨胀系数相差40%以上），铝—铜熔化焊的焊缝区易形成多种脆性金属间化合物，相关工艺也比同种金属复杂得多，传统的焊接方法很难得到优质的铝—铜接头．然而，搅拌摩擦焊（frictionstirwelding，FSW）固相连接技术在铝—铜异种金属的焊接研究及应用方面提供了新的思路［3］．

目前，国内外对铝—铜FSW的研究主要集中在焊接工艺优化、接头组织性能及焊核区异质材料的流动行为等方面［4－7］，较少研究并揭示FSW焊缝铝—铜界面演变行为、铝—铜中间相形成机制与特征，及其与工艺参数的相关性，以对调控宏观焊缝成形及提高接头性能提供理论支撑．特别针对铝—铜FSW焊缝金属间化合物的形成问题，借助固态连接机制不产生新的铝—铜中间相，尤其是防止共晶!

相的生成;但国外也有文献表明［8，9］，铝—铜FSW工艺过程中不可避免地在焊核区的铝—铜界面附近形成脆性金属间化合物．针对上述问题，文中重点研究铝—铜FSW焊缝界面组织行为特征及其与焊接热

收稿日期:

2012－09－21

基金项目:

南京航空航天大学博士学位论文创新与创优基金（BCXJ12－09）;中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

输入变化的相关性，通过调整FSW不同的旋转频率/焊接速度的匹配值，分析焊核区铝—铜界面的组织响应及宏观接头的抗剪力学性能，揭示出铝—铜FSW焊缝界面行为演变的基本规律，为控制焊缝组织特征提供理论指导．

1试验方法

FSW试验母材选用2mm厚度6061-T6铝合金（0．15Cu-0．6Si-0．7Fe-0．15Mn-0．9Mg-0．25Zn-0．04

Cr-0．15Ti，质量分数，%）和T2工业纯铜薄板，铝合金、铜板材规格均为200mm×120mm×2mm．搅拌头材料为H13钢，经回火热处理后硬度达52Pa;搅拌头轴肩形貌为内凹型，轴肩直径24mm，搅拌针为无螺纹圆台形，针根部直径8mm、顶部直径6mm、针长3．4mm．

试验将铜板置于铝板的上方进行搭接成形，铜板直接紧密接触搅拌头轴肩并摩擦产热．FSW试验

采用的工艺参数如下:

搅拌头旋转频率n为600～1400r/min，焊接速度v为15～65mm/min，轴肩下压量d为0．2mm．

沿垂直于FSW焊缝表面的横截面方向取样，按标准工序对试样进行金相制备、研磨、抛光及腐蚀处理，用于腐蚀铝合金一侧的为混合酸Keller试剂（氢氟酸∶盐酸∶硝酸∶水=2∶3∶5∶190），腐蚀紫铜一侧金相的为混合酸试剂（醋酸∶硝酸∶丙酮=3∶2∶3）;采用XＲD分析铝—铜界面结合层的相组成，通过光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）观察焊缝的宏观形

貌、微观组织形貌;按搭接接头抗剪拉伸力学性能测试标准取样，进行室温抗剪切力学性能测试．

2试验结果与分析

2．1焊接工艺窗口及焊核区典型宏观形貌

在FSW工艺试验前期，可通过对比观察焊缝的宏观成形性选取可行工艺参数匹配，并建立相应的工艺参数窗口，如图1所示．可见，当焊接速度v过大时，单位时间内铝、铜异质金属无法进行充分的塑性流动及位置迁移，而搅拌针在高速行进过程中，会在其后侧产生瞬时的“空腔”，若焊核区材料不能够完全塑化补给至该“空腔”内，即会产生隧道、孔洞、沟槽等缺陷．而当焊接速度一定时，较高的搅拌头旋转频率会增加材料的塑化程度和上下侧异质金属的迁移率，有利于在焊缝冷却时避免孔洞类及弱连接缺陷，但同时也提高了FSW焊接热输入．

图1优异焊接工艺参数及其表面形貌

Fig.1Excellentweldingprocessparametersandmacromorphologyofsurface

图2为铝—铜FSW接头焊核区横截面宏观形貌，由图2可以看出，焊接搅拌区上下侧铝、铜异质金属的迁移率及塑性流动特征的影响也十分明显．

图2a为n=1200r/min，v=15mm/min的焊核区宏

观形貌，铝、铜异质材料依靠搅拌头高速旋转及行进的复合热机械行为后，发生充分的塑性流动与迁移，

可明显看出焊核区材料以“洋葱环”（即环流形式）的方式流动，而且铝、铜结合范围大;当n不变，v=35mm/min时，如图2b所示，同样地，在搅拌头高速

旋转作用下，材料的塑性流动与迁移充分，铝—铜异质材料结合区域大，而且在焊核区产生了一定的交

错连接;当n=1200r/min，v=50mm/min时，如

图2c所示，铝—铜连接界面连接区域减小，同时借助于搅拌头的充分搅拌行为，铜在FSW前进侧及后退侧都以条带状、块状等连续体的方式迁移进入到铝侧材料．

图2铝—铜FSW接头焊核区横截面宏观形貌

Fig.2MacromorphologyofAl-CuFSWcrosssection

2．2焊接热输入对连接界面结构及性能的影响

由于铜侧直接与搅拌头轴肩进行摩擦产热，热输入大，且铜导热性良好，在铝—铜连接界面区域加工温度可以接近或达到铝合金的熔点，在搅拌焊接的过程中，铝—铜界面位置将发生互扩散，加工区域的瞬时高温或互扩散都可促进形成“瞬时液相”，随着搅拌头的前行，形成“瞬时液相”发生了共晶反应，生成Al-CuAl2共晶体组织（图3a，3b）;随着焊接速度的提高，不仅单位时间、单位焊缝长度内FSW焊核区热输入量降低，而且互扩散的时间缩短，铝—铜共晶反应程度及范围明显减小，铝—铜连接界面区域靠近铜侧出现较薄的共晶组织层（图3c）;当焊接速度进一步提高，单位时间、单位焊缝长度内FSW热输入大大减小，互扩散的时间极短，以致焊核区内的铝—铜连接界面区域材料的加工温度或互扩散不足，难以形成“瞬时液相”，使得铝—铜连接界面区域不能发生明显的共晶反应;而铝、铜受搅拌头的机

第1期吴小伟，等:

铝—铜搅拌摩擦焊搭接焊缝共晶组织形成与抑制89

械搅拌作用，发生剧烈的塑性流动，出现了铝—铜交

材料系数β（大于1）、系数K、搅拌头几何尺寸及母

2

错式的条带状形貌组织（图3f），这种典型的组织特

征有利于异质金属的充分混合、机械结合，有利于增

材熔点Tm一定时，FSW工艺参数因子“n

为影响焊核区T值的关键．

/v”就成

加了两种材料的有效接触，形成了复相强化．

n2β

图3铝—铜FSW连接界面焊核区显微组织（a，c，e为图2局部形貌放大图）

Fig.3MicrostructurephotographatFSWweldnugget

铝—铜搅拌摩擦焊接头的强度与界面金属间化合物的数量、大小、分布、形态有密切的关系．对不同焊接热输入的试样，进行室温剪切力学性能测试，具有较大范围Al-CuAl2共晶组织的试样，旋转频率1200r/min、焊接速度15mm/min，剪切力为1896N，而仅仅在铝铜界面层产生较薄的共晶层的试样，即在旋转频率不变、焊接速度30mm/min时，剪切力为2085N;而铝—铜界面结合依靠铝、铜之间的塑性流动、位置迁移、形态畸变等机械混合形成的复相

组织，即在旋转频率n不变、焊接速度50mm/min

时，剪切力为2579N，结合性能最佳．

2．3铝—铜FSW界面共晶相产生机制及其避免

已有文献［10］提出，FSW焊核区内焊接热输入量的变化规律符合一定的经验关系式（式

（1）），当

T=K（v×104）·Tm

（1）

工艺参数因子“n2/v”直接影响着FSW热输入变化状况，在高转速n与低焊速v的试验条件下，同时由于铜的导热性好、与搅拌头表面摩擦系数大的特性，在搅拌头高速旋转、搅拌、摩擦的过程中，产生大量的摩擦热和塑性变形热，而铝—铜界面位置铜一侧的FSW加工温度会接近或达到铝合金的熔点，这将会导致靠近连接界面的铝侧在一定程度上发生瞬时熔化或借助互扩散形成“瞬时液相”，同时，铜溶入铝的含量不断升高;随着区域温度的下降，铝、铜异质材料发生共晶反应，生成典型的树枝晶状Al-

CuAl2共晶体，其典型形貌、EDS及焊缝区XＲD检测结果如图4所示．由于界面层区域两侧为富铜区和富铝区，且为FSW搅拌剧烈的焊核区芯部，这就为铝—铜的共晶反应的发生提供了充分的成分来源和热力学保证．

图4铝—铜连接界面共晶组织典型形貌

Fig.4EutecticstructureatAl-CuFSWinterface

需要指出的是，铝—铜FSW界面区域大范围的共晶体只会严重恶化接头的力学性能，这对于接头结构件实际应用产生了不利影响，因此需要避免该典型共晶反应的大范围出现．从上文中可看到，焊接热输入是产生共晶反应的关键因素，所以说，在保证焊缝宏观成形、增加铝—铜界面区异质材料的塑

性流动与迁移行为的前提下，焊接热输入的减少明显有利于抑制焊缝中共晶组织的产生．

3结论

（1）在优化的焊接工艺参数窗口下，可获得宏观表面成形性良好的焊缝和较高力学性能的焊缝接头，旋转频率1200r/min、焊接速度50mm/min，剪

切力最高，且为2579N．

（2）高转速低焊速导致热输入增大，铝—铜界面容易生成Al-CuAl2共晶组织，恶化接头力学性能;随着热输入的降低，共晶反应程度及范围降低，即可抑制焊核区共晶组织的形成．

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作者简介:

吴小伟，男，1987年出生，硕士研究生．主要从事铝、铜

异种金属的搅拌摩擦焊接工艺的研究．发表论文1篇．Email:

wxw1224@yahoo．com．cn

2014，Vol．35，No．1TＲANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONⅤ

tainedbytheproposedmethod，theweldingdistortioninalowcarbonsteellapjointwaspredictedbymeansofforwardelasticfiniteanalysisbasedontheinherentstraintheory．Bycomparingthesimulatedresultsandmeasureddata，thepredictionaccuracyandeffectivenessoftheinverseanalysismethodwasverified．

Keywords:

thin-plate;inherentdeformation;lapjoint;inverseanalysis

Microstructureandpropertiesofdiffusionbrazedalumi-num/copperjointwithAl-Si-CualloypowderNANShuiping1，2，HUANGJihua1，CHENShuhai1，ZHAOXingke1，WANGQi3，LIDehua3（1．SchoolofMaterialsScienceandEngi-neering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China;2．SouthwestChinaＲesearchInstituteofElec-tronicEquipment，Chengdu610036，China;3．GreeElectricAp-pliances，Inc．ofZhuhai，Zhuhai519000，China）．pp79－82

Abstract:

Al-Si-Cualloypowderswereusedasinsertlay-ersfordiffusionbrazingofaluminum/copperdissimilarmetals．ThemicrostructureofresultedAl/CujointswasobservedbySEM，EDSandXＲD．Themechanismofjointformationwasan-alyzedwithternaryphasediagrams．Themechanicalpropertiesofthejointsweretested．Theresultsshowthatuniformandcompactjointswereobtainedat530℃for60minundertheappliedpres-sureof1MPa．Alargenumberofeutecticphasesexistedinthe

joint．Theinterfacesonbothsidesweredifferent．Cu3Al2，CuAlandCuAl2formedneartheinterfaceoncoppersubstrateside，butadiffusionareawithoutIMCexistedneartheinterfaceona-luminumsubstrateside．Theshearstrengthofthejointschangedwiththeholdingtime．Themaximumshearstrengthofthejointbrazedat530℃for60minreached35MPa．

Keywords:

diffusionbrazing;microstructure;shearstrength

ModelingandsimulationofsynchronouslinkageweldingsystemfordoubleweldingtorchesLIUJiangtao，CUIBao-jian，XINGYazhou，GEJinggang（Mechanical＆ElectronicEn-gineeringCollege，HebeiAgriculturalUniversity，Baoding071001，China）．pp83－86

Abstract:

Thesynchronouslinkageweldingofsteel-alu-minumhybridradiatorwithmulti-vertical-tubeandintersectinglineweldwasconductedwithdoubleweldingtorches．Themath-ematicalmodelsoftheintersectinglineweldseamforT-typecyl-indertubeandthepostureofdoubleweldingtorcheswereestab-lishedintheindependentdevelopmentp