13【论文】【精品】铜铝异种金属的搅拌摩擦焊工艺

13【论文】【精品】铜铝异种金属的搅拌摩擦焊工艺 题 目: 铜/铝异种金属的搅拌摩擦焊工艺 学 院: 航空制造 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 专业名称: 焊接技术与工程 班级学号: 06888888 学生姓名: 8888- 指导教师: - 二O一O 年 六 月 铜/铝异种金属的搅拌摩擦焊工艺 学生姓名:- 班级:- 指导老师:- 摘要:铜、铝是工业上两种常用的有色金属～两者都同时拥有极好的导电性、导热性～良好的常温和低温塑性等,同时它们在重量、比强度、价格等方面又有着极大的互补性～故在某些场合以铝替代部分铜就显得非常有价值。搅拌摩擦焊,FSW,是一种新型的固相连接技术～在焊接性能差异较大的异种金属方面具有极大的优势～因此开展铜/铝搅拌摩擦焊具有重要意义。 本课题采用FSW对厚度为6mm的T2紫铜与LD10铝合金进行搭接焊。并对试验所得搭接接头进行金相组织观察、硬度测试及拉伸试验～研究了工艺参数对接头成形、焊缝缺陷、显微组织及力学性能的影响。 试验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:搅拌头旋转速度为950r/min、焊接速度为60mm/min能实现铜/铝异种金属的良好焊接。参数的n/v在12.5左右时焊缝表面成形较好～但内部有孔洞等缺陷～n/v在15.8时接头表面有氧化较严重～但内部成形很好,随着搅拌头旋转速度的提高或焊接速度的减小～其内部的洋葱环组织越加的明显,焊核区显微硬度有较大波动～且个别点的硬度极大表明有铜铝的金属间化合物生成,接头的受力部位主要在铜向铝中轴向迁移形成的“钳子”两端～断裂位置通常发生在铜铝交界处。 关键词:搅拌摩擦焊 铜/铝异种金属 搭接 工艺 指导老师签名: the friction-stir welding process of copper/aluminum dissimilar metals Student name: - Class:- Supervisor: - Abstract:The copper and the aluminum are commonly used non-ferrous metals in the industry.both them simultaneously have the extremely good electrical conductivity、the thermal conductivity、good normal temperature and cold plasticity and so on. at the same time, they also have the very big complementarity in aspects weight、specific tenacity、price and so on.so in certain situations, it is very value to use aluminum substitute for partial copper. Friction Stir Welding is a new type of solid-phase connection technology, it have enormous superiority to weld dissimilar metal which are very different in performances. So it is value to study the friction stir welding process of copper/aluminum dissimilar metals. The metals used in this study were LD10 aluminum and pure copper T2 with thicknesses both 6 mm. Changing welding parameters to take different welding tests , welds were made in lap joints. And to experiments the obtained lap joint to carry on the Microstructure to observe, degree of hardness test and shear test.stuty process parameters on joint molding, microstructure and mechanical properties. The test result show when the ratio of the rotation speed 950r/min, welding speed 60mm/min, copper T2 and aluminum LD10 were welded with lap joints of friction atir welding , when n/v about 12.5, weld surface is good ,but holes in the niternal;when n/v about 15.8, joint surface oxidation more serious ,but internal is good .As increase of the rotation speed or reduction of welding speed, he internal organization of the onion rings glaringly apparent. the Degree of hardness fluctuates in a big way of nuclear area,and the big degree of hardness of individual spot indicated that there are intermetallic compound . The break position mainly occurs in the border between copper and aluminum alloy. Key words: friction-stir welding lap joints copper/aluminum dissimilar metals technology Signature of supervisor: 目 录 1 前言 选题依据及意义 ................................................ (1) 1.1 1.2 国内外研究概况及发展趋势 ...................................... (1) 1.2.1 铜/铝钎焊研究现状 ........................................... (1) 1.2.2 铜/铝熔化焊研究现状 ......................................... (2) 1.2.3 铜/铝电阻焊研究现状 ......................................... (3) /铝搅拌摩擦焊研究现状 ...................................... (3) 1.2.4铜 1.2.5 异种铝合金搅拌摩擦焊研究现状 ................................ (5) 1.2.6异种铜合金搅拌摩擦焊研究现状 ................................ (6) 1.2.7铝合金/钢的搅拌摩擦焊研究现状 ............................... (7) 1.2.8搅拌摩擦焊的显微组织和金属流动的研究 ........................ (7) 1.2.9搅拌摩擦焊接头的界面迁移及力学性能 .......................... (9) 1.3 研究内容 .................................................... (11) 2 试验条件及方法 2.1 试验条件 ..................................................... (11) 2.1.1试验材料 ................................................... (11) 2.1.2 试验设备 ................................................... (12) 2.2 试验方法 ..................................................... (13) 2.2.1工艺实验 .................................................. (13) 2.2.2金相试样的制取 ............................................ (14) 2.2.3 接头的显微硬度测试 ......................................... (14) 2.2.4 接头的拉剪性能测试 ......................................... (15) 3试验结果及分析 3.1 工艺参数对焊缝表面成形的影响 ................................. (16) 3.2 工艺参数对焊缝横截面成形的影响 ............................... (17) 3.3接头的显微组织分析 ........................................... (20) 3.4接头的力学性能 ............................................... (23) 3.4.1 接头的显微硬度 ............................................. (24) 3.4.2 接头的拉伸性能 ............................................. (26) 4 结论 .............................................. (30) 参考文献 ............................................ (31) 致 谢 ............................................... (33) 1 前言 1.1 选题的依据及意义 现代机器制造业最迫切的问题之一是在提高结构和设备工作技术性能和可 [1]靠性的同时降低金属消耗量。 随着汽车、航空航天、核电等行业不迅速发展，人类对铜的需求量不断增大，尤其是我国作为一个迅速发展的工业国家，对铜的 [2]需求更是迫切。但铜为稀缺金属属于战略资源，国内每年需要进口大量铜材。 铜具有极好的导电性、导热性，良好的常温和低温塑性，以及对大气、海水和其他化学药品的耐蚀性。铝及铝合金同样具有优异的物理特性和机械特性，如密度低、比强度高、热导率高、电导率高、耐腐蚀能力强。而且地球上铝的储量远高于铜，价格只是铜的近1/3。所以无论是从人类的长远发展来看，还是从企业的近期利益来看，在某些场以铝部分或全部的替代铜都是末来的发展趋势，而且以铝部分取代铜还能减轻制造体的总体重量。但是要想以铝代铜的关键问题便是铜/铝的连接问题，只有铜/铝获得良好的连接效果才能以铝代铜。 目前铜铝的焊接方法主要有钎焊、熔化焊、压力焊。熔焊时铜铝两种金属在一定的比例成分下会生成硬脆的CuAl2等金属间化合物，这些金属间化合物的生 [3]成会极大地降低焊接接头的力学性能。 搅拌摩擦焊(friction stir welding，简称FSW)是一种固相连接方法，具有优质、高效、无污染、焊接变形小等特点，在异种材料连接方面有独特优势。焊接过程中金属不发生熔化，从而能够避免产生气孔、裂纹等缺陷;开展铜/铝搅拌摩擦焊研究与应用有着重要的理论意义和实际价值。 1.2 国内外研究概况及发展趋势 1.2.1.铜/铝钎焊研究现状 近年来，国内外研究者从工艺参数制定、焊后结合界面组织、接头使用性能评定等方面对铜/铝焊接做了大量研究，各种先进的连接方法得以采用;对于铜/ [4]铝焊接接头的推广应用，以及铜/铝异种金属的焊接理论研究具有重要的意义。 [5]刘凤美等进行了Cu元素对铝/铜钎焊用Zn-Al钎料性能的影响的研究，研究结果表明:Zn-10Al钎料中添加Cu元素，可提高钎焊接头的强度。随钎料中Cu含量的增加，其钎焊强度先增后降;Zn-10Al钎料中添加Cu元素后钎焊接头焊缝中铜侧界面上组织变细小;当Cu含量达7%时，断裂发生在钎料层基体中;钎料中Cu含量过高时，在铜界面上生成层状相。 [6]小山等采用Al-Si-Mg-Bi钎料真空钎焊Cu/Al接头的研究表明:合适的钎焊温度为520,540?，接头区有CuAl2、Cu3Al2两种金属间化合物生成。断裂破坏发生在金属间化合物处，70%发生在CuAl2相上，接头强度主要由生成的金属间化合物类型决定，焊接条件影响较小。 [7]王冠等对Cu在纯铝基体中的扩散行为研究中认为:在钎焊温度低、保温时间较短的条件下，Cu元素在基体内部尚未充分扩散，在基体晶界上严重偏析，生成A1-Cu相中最脆的θ相(CuAl2)。随着保温时间的延长有利于Cu元素在A1基体中的扩散效果，但过高的钎焊温度又导致θ相的重新出现。 [8]闫飞等在对铜/铝异种金属钎焊研究后认为:铜/铝异种金属钎焊过程中出现的缺陷有:在焊缝中生成金属间化合物(脆性相)、母材溶蚀、钎缝腐蚀、钎缝不连续、钎缝氧化等。针对钎焊过程中出现的缺陷，主要从工艺参数方面采取有效措施予以解决，如选用与母材匹配的钎料，制定合理的钎焊温度和冷却速率，适当的保温时间，Cu元素的进一步扩散也生成金属间化合物。 1.2.2 铜/铝熔化焊研究现状 铜/铝熔化焊主要包括TIG焊、MIG焊、气焊、埋弧焊、激光焊和电子束焊等方法。其熔化焊过程中，由于两者的物理性能相差太大，熔化焊过程中存在各种问题，如由于铜和铝的熔点相差较大，往往造成铝熔化了而铜还处于固态，易形成未熔合和夹杂;再如铜与铝的热导率、比热容及熔化热高，焊接时必须采用强大的热源，但在高温下铜和铝强烈氧化形成氧化膜，氧化膜中含有一定量的吸附水和结晶水，容易在焊缝中产生气孔等缺陷;再者铝、铜的线胀系数相差很大，受热时变形不一致也容易产生裂纹。铜/铝熔焊过程极易产生脆性金属间化合物，接头的强度随着金属间化合物的增加而降低，必须将焊缝中金属间化合物脆性层 [9]控制在1μm以下，且焊缝中Cu质量分数在12%以下时才具有最佳综合性能。 [10]Mai等采用350WNd:YAG激光焊成功地对1mm厚的铜和铝进行了焊接。研究表明:由于激光输入能量的可控性以及能量的高密度性，激光焊能够实现对 能量分布的控制，极大减小连接金属间的相互作用，避免脆性金属间化合物的产生，使异种金属的焊接能够得到满意的接头。 1.2.3 铜/铝电阻焊研究现状 [11]刘忠翔等经过多次试验证明铝/铜是可以用点焊焊接的。关键是解除铝的氧化层的影响，而交流焊时的焊接压力、电磁搅拌力可使氧化层破碎分解及清除。他提出了铜/铝过渡接头的点焊新方法:即铝的电极电位为-1.66v， 铜的电极电为+0.52 v，存在着明显的电位，当大电流流经接触处时往往在接触处将铝线烧断(像刀切的一样整齐)， 这就提出了消除接头处电位差的铜/铝过渡接头问题。但在铜/铝的点焊过程中，铝、铜、钨三种金属接触时，存在着电位差， 通电后易产生热活化能。同时铜、铝均属于面心立方晶格，点阵数又互相接近，因而能无限固溶。在压力、热活化能和电磁搅拌力的作用下，产生间隙固溶、置换固溶和扩散，实现异种金属的焊接。由于铜/铝接触处，铝比铜的再结晶温度低，在锻压力作用下可以获得消除接触电位差的牢固的可靠的焊接头，从而得到良好铜/铝过渡接头，因此具有广泛的应用价值。 [12]刘英才等对1060铝管和T2紫铜管进行了点焊，焊后利用SEM、EDS等技术对铜/铝管焊接界面进行了研究，并结合Cu-Al二元相图进行界面分析，研究结果表明:铜/铝连接管的焊接界面处，铜与铝进行了原子的相互扩散，且铜原子向铝侧扩散的深度比铝原子向铜侧扩散的深度要大;背散射电子照片显示出铜/铝连接管的焊接界面由白色柱状和灰白相间的层片组织构成。柱状晶为CuAl2相，而灰白相间的层片组织为a-Al与CuAl2的共晶;界面处的柱状晶十分细小，提高了接头的强度，而生成的共晶组织由于层间距很小，也能提高材料的力学性能，但过多的共晶组织会增大材料的脆性，导致接头性能下降，所以要寻找更佳的工艺参数来减少共晶组织的形成，提高铜/铝接头的性能。 1.2.4铜/铝搅拌摩擦焊研究现状 搅拌摩擦焊(frict stri welding，简称FSW)是一种基于摩擦焊的固相连接技术，由于其焊接特点的独特性及优越性，这种新型的连接技术自问世以来，就受到焊接界的广泛关注，各种材料的搅拌摩擦焊焊接性能研究也成为这种焊接方法基础研究的一个重点。到目前为止，对搅拌摩擦焊的研究已经从铝合金的焊接向其它金属的焊接如铜、钛、镁、不锈钢及碳钢等方面发展。拌摩擦焊焊接过程是 将一个带有搅拌针和轴肩的特殊形式的搅拌头伸入工件的接缝处，轴肩紧靠工件上表面，通过搅拌头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化达到热塑性状态，同时对材料进行搅拌驱动，热塑性金属向后方流动来完成焊接的。焊接过程如图1-1所示。 图1-1 搅拌摩擦焊焊接过程图 [13]刘会杰等认为:铜/铝搅拌摩擦焊接参数范围较窄，在对接过程中，通过调整材料的相对位置，搅拌针相对配合面的偏移量以及对铜侧进行预热等工艺措施可以提高接头的质量。另铜/铝搅拌摩擦焊接头中由于缺陷和硬脆金属间化合物的存在，导致强度、断后伸长率均与母材有较大差距。同时金属间化合物的存在也加大了接头硬度分布的波动，但接头硬度的最低值仍然出现在热影响区中。并且由于两种材料流动特性的差异，焊核两侧呈现不同的结构。焊核中存在Al2Cu、AlCu、Al4Cu9等多种金属间化合物，其分布形态、尺寸和数量对接头性能有较大影响。 [14]柯黎明等进行了铝合金与工业纯铜、铝合金与低碳钢的搅拌摩擦焊接试验，试验结果表明:该试验条件下，选用恰当的焊接工艺参数能实现铝合金/纯铜、铝合金/钢等异种金属的搅拌摩擦焊连接，且接头的组织、性能优良;焊接工艺参数w/v的匹配是保证接头致密性和决定组织、性能的关键因素，在高的搅拌头旋转速度w下能实现高速焊接;异种金属搅拌摩擦焊接头的涡流状交迭区，反映了搅拌摩擦焊过程中接头金属发生了塑性流动，接头局部点硬度的突变表明有新物质生成。对铝合金/纯铜接头进行X射线物相分析表明其为Al3.892Cu6.108形金属间化合物;用搅拌摩擦焊方法焊接容易形成金属间化合物的异种材料时， 对于薄板形成良好焊缝成形的规范参数范围较宽，对于厚板形成良好焊缝成形的规范参数范围较窄。 [15]据Misharra.R S等的报道，在相同的参数下选择与铝、铜摩擦系数大的搅拌头材料可以增大焊接过程中的热输入量，提高被焊材料的塑性变形。但也容易发生被焊材料与搅拌头的粘连，造成焊缝表面成形质量低下，甚至出现沟槽型缺 [14]陷。在对接搅拌摩擦焊过程中，板厚也对焊接参数的选取有影响。柯黎明发现。对于2mm厚的焊件，工艺参数范围为转速375,1180r/min，焊速30,150mm/min。而对于3mm厚的焊件工艺参数范围相应变窄，而且搅拌头易发生堵塞现象。 [16]严铿等对4mm厚的5A05铝合金/ T2紫铜薄板的搅拌摩擦焊接头组织结构进行了研究，结果表明:在纯铜与铝合金的搅拌摩擦焊时，把纯铜放在前进侧，铝合金放在后退侧，搅拌工具的特形指棒偏铝合金侧0.9mm，工件预热至200?，当前进速度为40mm/min，转速为1250r/min时，搅拌摩擦焊的焊缝成形良好;在焊核区形成了一层精细的薄层间混结构，并且有明显的塑性流线特征。显微组织观察表明，在焊核区和两侧的塑性转变区晶粒均发生了动态再结晶;铝合金在纯铜侧的扩散程度比纯铜在铝合金侧的扩散程度大1倍。其中纯铜在铝合金侧扩散的质量分数大约为3.65%，而铝合金向纯铜侧扩散较多，质量分数约为7.02%。 [17]L.E.Murr等研究了紫铜与6061铝合金的搅拌摩擦焊。焊缝的显微组织分析显示焊核组织是由动态再结晶晶粒和致密的层叠状微观组织构成，具有明显的晶粒细化的特征，其形状为漩涡状或类漩涡状。当铜放在前进边时，可获得了良好的接头，动态再结晶使得焊核层叠组织中铜的晶粒小于母材的晶粒。 1.2.5 异种铝合金的搅拌摩擦焊研究现状 [18]刘小文等研究了纯铝L6与铝合金LY12异种材料搅拌摩擦焊接工艺参数对焊接接头成形及力学性能的影响。发现焊接工艺参数对接头强度影响的显著性顺序为压力、焊接速度、搅拌头旋转速度。对于5mm厚L6,LY12板材，最优工艺参数为焊接压力为2500N、焊接速度37.5mm/min及搅拌头旋转速度950r/min，在此焊接参数下，接头的抗拉强度为115Mpa。 [19]刘鸽平等用搅拌摩擦焊方法进行了LF6/LD31异种铝合金锁底接头焊接 ，研究了搅拌头轴肩下压量对焊缝成形的影响，分析了接头的截面形貌及力学性能。结果表明:搅拌头轴肩下压量对焊缝成形有重要的影响。组织分析表明，在焊缝横截面， LF6铝合金与 LD31铝合金在焊核区被充分混合，并在焊核下 部形成条带状的组织焊核区，由于受到搅拌头搅拌针的强烈搅拌作用，组织发生动态再结晶，由母材原始的板条状组织转变为细小的等轴再结晶组织。热力影响区晶粒随着向焊核靠近而逐渐变小且发生了明显的变形。当焊接工艺合适时，接头抗拉强度可达316MPa，达到母材强度，断裂部位多位于焊核与LD31铝合金的交界面。 [20]于勇征等对 LF6/LD10铝合金搅拌摩擦焊的工艺试验进行了研究，分析了工艺参数对其接头性能的影响。结果表明:当搅拌头的旋转速度值较低时，降低焊接速度有利于提高接头的抗拉强度值。当旋转速度值较高时，提高焊接速度对接头性能的影响不大。焊接速度较低时，改变旋转速度对于接头的力学性能影响不大;焊接速度较高时，提高旋转速度将会降低接头的力学性能。其它参数相同的条件下，材料所处的位置对接头拉剪性能的影响不大。其它条件相同，在焊接速度和旋转速度都较低时，使用无螺纹的搅拌头所得到的接头性能要优于带有螺纹的搅拌头施焊所得接头的性能;在焊接速度和旋转速度都较高时，搅拌针上的螺纹对于接头的力学性能的影响不大。 1.2.6异种铜合金的搅拌摩擦焊研究现状 [21]刘小文等用搅拌摩擦焊焊接了3mm的紫铜板和黄铜板。研究了紫铜和黄铜搅拌摩擦焊接的可行性，对焊接接头的金相组织进行了分析，并通过拉剪试验、硬度分析、弯曲试验，对接头的性能进行了验证。结果表明:紫铜/黄铜具有良好的搅拌摩擦焊接性能，可获得与母材等强度的搅拌摩擦焊接接头。焊合区在热力偶合作用下获得动态再结晶组织，接头黄铜一侧热影响区沿厚度方向上下不同，下侧可分为再结晶区、不完全再结晶区、动态回复区;上侧出现明显的偏析现象，接头紫铜一侧热影响区出现明显的须状组织，并有晶粒微溶的迹象。 [22]达朝炳用搅拌摩擦焊焊接了厚度分别均为4mm和2mm的T2/H62，焊接结果表明:紫铜/黄铜接头内晶粒大小分布差异较大，焊核区内的紫铜晶粒要大于黄铜晶粒。在黄铜热力械影响区出现一定宽度的组织变形过渡带，过渡带晶粒大小及变形程度取决于摩擦头的旋转速度与焊接速度。接头内紫铜与黄铜交界处主要是由金属键连接，在两者之间存在过渡物质，X射线衍射分析为Cu5Zn8，过渡带宽度约为1-10mm。焊接后接头显微硬度出现了不同程度的软化，黄铜侧软化幅度要大小紫铜侧，焊接接头在力学性能试验时的断裂处出现两种材料相互混合夹层，断裂偏向紫铜侧，接头的平均抗拉强度远低于黄铜FSW接头的平均抗拉强。 [23]刘孟对黄铜/紫铜进行了搅拌搅拌摩擦焊研究，研究结果表明:异种材料的搅拌摩擦焊连接时，不仅受焊接参数的影响，焊前板材的预置位置和焊针的插入位置也是一个不可忽视的因素。通过大量试验证明搅拌摩擦焊工艺对黄铜和紫铜异种材料的连接是可行的。黄铜与紫铜对接试验的最佳焊接工艺参数是:旋转 2速1445r/min、焊接压力73.3-80.5N/mm、焊接速度14.6mm/min左右时，且焊前紫铜位于前进侧，焊针偏向于紫铜侧。黄铜和紫铜的对接接头的焊缝区硬度波动很大，某些点的硬度甚至高于黄铜母材的硬度，但焊缝平均硬硬度值高于紫铜。 1.2.7 铝合金/钢的搅拌摩擦焊焊究 [14]柯黎明用搅拌摩擦焊对LF6铝合金和Q235低碳钢板分别进行了搭接焊以及对接焊。发现在铝合金与钢搅拌摩擦焊对接接头中生成了新的金属间化合物，其成分是Fe3Al，该化合物具有较高的硬度和脆性，对焊缝性能有不利的影响。搭接接头横截面中钢深入到铝合金母材里，并形成了型似―钳子‖的突出部分，如图1-2示。研究认为，这种―钳子‖结构增大了了铝板和钢板之间的机械结合力，使得接头机械性能提高。 图1-2 铝合金与钢搅拌摩擦焊搭接接头截面形态 [24]Kimapong采用搅拌摩擦焊对接接头焊接了2mm厚的AA5083铝合金和SS400低碳钢。发现在同样的焊接参数下钢位于前进边时可以获得良好的接头;钢位于返回边时，无法获得无缺陷的接头。在其对接接头中没有洋葱环状形貌，而是不连续的钢条带沿类似漩涡流线方向分布于铝合金基体中。在焊核的上部，钢条带和铝合金基体的界面处有少量的金属间化合物，可能是FeAl3。产生的原因可能是由于搅拌头轴肩与材料表面的摩擦放出了大量的热，促使了铁和铝的反应。 [25]C.M.Chen等焊接了6mm厚AA6061铝合金和AISI1018钢，在其接头中也未发现洋葱环状形貌，代之以不连续的钢条带分布在铝合金基体中。在焊接过程中，工件上的最高温度超过了AA6061铝合金的熔点，使得少量的AA6061铝合金发生了熔化，两种金属强烈作用，产生了金属间化合物Al13Fe4 和Al5Fe2 。这造成了焊核中不同位置的显微硬度值相差很大，某些部位的显微硬度大于钢的硬度，同时也使得当搅拌头材料为工具钢时，焊接时搅拌头磨损很快。 1.2.8 搅拌摩擦焊的显微组织和金属流动的研究 [26]王希靖等对黄铜H62搅拌摩擦焊接头的微观组织及性能研究表明:搅拌 900 r/min，焊接摩擦焊焊接板厚5 mm的黄铜H62 时，搅拌头旋转速度为400, 速度为35,100 mm/min，焊接速度与搅拌头旋转速度的比值保持在0.09,0.15之间，压入深度在0.1,0.2 mm之间时，可得到组织致密、无孔洞的搅拌摩擦焊接头;由于焊缝金属经历了高温搅拌、加压作用，接头组织经历了动态回复与动态再结晶，焊接接头可分为细小均匀的等轴晶组成的焊核区、变形拉长的热力影响区、再结晶不充分的热影响区。用搅拌摩擦焊进行焊接，得到的黄铜接头的力学性能比母材要低，其接头平均抗拉强度可达到母材88%，最大可达到90.5%，而常规焊接方法得到的接头只能达到原母材抗拉强度的40%,60%。 [27]柯黎明提出了焊缝塑性金属在焊缝厚度方向迁移的―抽吸-挤压‖理论假说，其基本表述如下:在搅拌摩擦焊条件下，由于搅拌针表面螺纹仅具有有限长度，其一端为搅拌头的轴肩，另一端为刚性的底板，焊接过程中搅拌针端部与底板间的距离保持不变。当搅拌头旋转引起塑性金属沿螺纹表面轴向流动时，必存在一入口端和一出口端。在入口端，有可能形成一瞬时空腔，周围塑性金属将被吸向此空腔，形成所谓抽吸效应;在出口端，塑性金属将改变流向并挤压周边金属，形成所谓挤压效应;正是由于空腔对塑性金属朝焊缝中心的抽吸作用和挤压区往外对塑性金属的挤压作用，使高温塑性金属在搅拌针轴向形成剧烈的迁移运动。图1-3为带左螺纹的搅拌针的搅拌头顺时针旋转时―抽吸—挤压‖理论模型示意图。搅拌针端部金属脱离搅拌针朝周围呈辐射状挤压，将原来在搅拌针端部的金属挤向更远的区域。 [28]王晓东在其对搅拌摩擦焊焊缝塑性金属在焊缝厚度方向的迁移行为的研究中，结合相关的试验对―抽吸—挤压‖理论进行了验证。研究还发现:增大搅拌头轴肩下压量和在一定范围内增大搅拌头旋转速度与焊接速度的比值n/v，都能使单位时内塑性金属的迁移量增加，焊缝厚度方向的―抽吸—挤压‖效应增强。 [29]栾国红通过对搅拌摩擦焊的焊接行为和焊接接头的金相图的观察和比较，主要是对异种铝合金Al6061和Al6024分别进行了搅拌摩擦焊开敞式试验、急停试验、搭接试验，并在试验结果的基础上对搅拌摩擦焊的流变特性进行了分析和讨论后认为:在纵向搅拌摩擦焊时，搅拌头的前方上部区域塑性金属向下运动，前下部区域塑性金属沿搅拌头并由其返回边向前进侧移动;在搅拌头后方区域观察到双层薄层间混结构组织，在薄层结之间存在无序混合区等现象。 [30]张武等通过采用镶嵌紫铜箔作为标示材料对LY12进行了焊接试验，焊后观察焊缝横截面上塑性材料的迁移行为。研究结果表明:在焊缝横截面上，探针附近的塑性材料沿带左旋螺纹的探针表面从焊缝上表面螺旋迁移至焊缝底部，从四周向焊缝表面迁移，在厚度方向上形成一个连续迁移的循环路径。塑性变形的区域关于焊缝中心不对称，塑性材料在焊缝中心形成类似于倾斜―花瓶‖状的形貌。从焊缝表面至底面，塑性变形区宽度逐渐减小，前进边塑性材料向焊缝表面迁移的距离小于返回边，前进边塑性变形区小于返回边。 1.2.9 搅拌摩擦焊接头的界面迁移及力学性能 [27]柯黎明在对搅拌摩擦焊接头成形规律的研究中提出:当使用搅拌针表面带有螺纹的搅拌头进行焊接时，焊核外围的高温塑化金属将视搅拌针表面螺纹的旋向，沿板材上部或下部流动，同时原始搭接界面也将朝焊缝上部或下部移动而进入板材内部。他还指出，当搅拌针表面为左螺纹时，原始界面伸入上板材，而搅拌针表面为右螺纹时，原始界面伸入下板材。同时他还认为，采用左螺纹和右螺纹搅拌针焊接的相互平行且距离较近的复合焊缝可以消除原始界面伸入对接 头强度的影响。 [31]A.Elrefaey在对纯铝和低碳钢的搅拌摩擦搭接焊的研究中，通过改变焊接工艺参数进行焊接，之后进行剪切试验，发现接头的剪切强度随着搅拌头旋转速度的增加而增加，随着焊接速度的增加稍微降低。分析认为其原因是焊缝横截面上焊核中的界面形态不同造成的，当两板中的界面相互迁移深度越深，焊缝的剪切强度越高。 [32]Chang-Yong Lee等对5052和6061铝合金的搅拌摩擦焊搭接接头性能进行了研究，研究发现:焊缝横截面的迁移界面具有前进、返回边同时垂直向上迁移或同时垂直向下迁移两种形态，且随着旋转速度的增加和焊接速度的降低，接头的断裂载荷都有所降低。分析认为旋转速度的增加和焊接速度的降低使得单位时间内焊缝中发生迁移的金属量增加，迁移界面的迁移量越大，且形状更尖锐，使得界面尖端应力集中更严重，从而降低了接头的断裂载荷。 [33]邢丽等在防锈铝LF6的固态塑性连接工艺的研究中认为:用固态塑性连接方法焊接防锈铝LF6(M)，其接头强度可以达到母材的强度，其背弯和正弯角 0度可达到180;焊接规范对接头的力学性能有影响，不同厚度的板材，存在一个最佳力学性能规范区，搅拌摩擦时单边沟槽缺陷的形成和位置与焊接规范和搅拌头的旋转方向有关，它们是金属塑性流动的结果。 [34]王训宏等对铝镁异种材料搅拌摩擦焊接头特点与脆性本征的研究认为:铝合金与镁合金的晶粒以河流状汇合的方式充分地交织在一起，晶粒的分布具有明显的梯度特征。当这种混合的交织状态过渡到热力影响区时可以发现，随着速度梯度的变化，混合的均匀程度明显减弱，呈现层状的结合状态。从焊接接头断口的扫描电镜形貌可以看出:单侧启裂的拉伸断口没有观察到明显的纤维区和剪切唇这一特征，而是在一侧出现少量的韧窝带和大量的变形带特征，中部区域以解理为主，小部分为准解理特征，表明焊接接头金属的脆性较大。 [35] [36]邢丽等在用搅拌摩擦焊接焊接低碳钢与紫铜及铝合金与钢后分析其显微组织后得出如下结论:(1)低碳钢/紫铜接头的显微组织与其所受到的热和力作用大小有关。在接头钢侧轴肩挤压区有较大的变形，组织发生动态再结晶后形成了细小的等轴晶铁素体;在探针附近的热影响区，经历的应变较小，组织则由变形的先共析铁素体和侧板条铁素体组成;在接头铜侧热影响区的晶粒受热长大，而热力影响区的铜由于发生了动态再结晶，晶粒细小;在焊核区，上部主要由钢、铜薄层交叠组成;焊核中下部为钢、铜及钢与铜形成的化合物交叠组成的 漩涡状条带，其中铜条带的组织为细小的等轴晶，钢条带的组织为细小的等轴晶或先共析铁素体+侧板条铁素体组织。(2)当焊接工艺参数合适时，可以获得表面成形良好、无变形的铝合金与钢的对接接头和搭接接头。对于对接接头，金相分析表明，在焊缝横截面，低碳钢与铝合金呈较好的混合状态，在平行焊缝表面的平面内，两种材料呈交叠分布。力学性能试验表明:焊核内局部区域具有较高的显微硬度，可能是形成了钢与铝的金属间化合物，拉伸试样断裂在焊核区边缘偏低碳钢一侧。对于搭接接头，接合面处的钢呈形似―钳子‖或弯钩状的分布，钢铆进了铝合金焊缝中，两种材料能有效地达到塑性结合，接头的抗剪切性能较好 综上所述，铜/铝由于它们的物理性能及化学性能存在较大的差异，特别是熔点相差424? ，线膨胀系数相差40%以上，热导率也相差70%以上，且铝容易氧化形成致密的Al2O3，采用一般的熔焊焊接方法获得良好的焊接效果比较困难。搅拌摩擦焊是一种新型的固相塑性连接技术，由于其焊接过程中被焊材料没有熔化，故能避免熔焊时产生的一些缺点。目前搅拌摩擦焊方的研究已经从最初铝及异种铝合金方面的研究方向转向对其他异种金属的搅拌摩擦，现在搅拌摩擦焊成功焊接铝合金/镁合金、铜/铜合金、铝合金/钛合金、不锈钢/低碳钢及其他异种材料也相继见诸报道。但在铜/铝异种金属的搅拌摩擦焊方面见诸报道的研究还非常少，尤其是5-6mm厚的材料。同时搅拌摩擦焊也由最初的工艺研究转向搅拌摩擦焊过程中搅拌头周围塑性材料的流动行为。在搅拌摩擦焊中焊缝塑性材料的流动直接关系到焊缝组织的形成，对焊缝性能具有重要的影响。理解焊缝金属的塑性流动机理，对揭示接头组织形成的机理、搅拌头设计形状有着重要的意义。 1.3 研究内容 铜/铝两者物理性能相差太大故熔化焊比较困难，目前国内外对铜/铝板的焊接也只做了3-4mm，本课题主要对6mm厚的铜/铝板从以下几个方面进行工艺探索: (1)对厚度为6mm的T2紫铜板与LD10铝合金的搅拌摩擦焊搭接焊的工艺进行可行性探索; (2)对不同焊接参数所得焊缝外观进行观察并分析不同焊接工艺参数对焊缝表面成形的影响; (3)对接头进行取样制作金相，并对金相的表面宏形貌及内部组织结构进行显微观察，观察界面线的迁移、金属的流动情况及其内部组织的晶粒形态的变化，并分析晶粒形态变化与焊接工艺参数的相关性; (4)对接头进行显微硬度的测试及拉剪试验，通度硬度曲线分析组织内部的变化;通过接头的拉剪试验，观察接头的断裂位置及断口形貌，分析其接头的主受力位置，对比不同焊接工艺参数试样的断裂方式及断裂峰值并分析其原因; (5)通过综合对比不同焊接工艺参数所得接头的外观形貌，内部组织及力学性能，确定一最佳工艺参数。 2 试验条件及方法 2.1试验条件 2.1.1试验材料 试验所选材料是厚度为6mm的T2紫铜与LD10铝合金，T2是阴极重熔铜，含微量氧和杂质，具有高的导电、导热性、良好的耐腐蚀性和加工性能。T2紫 -1铜的熔点为1065,1082.5?，常温下热导率为390W?(m?K)、线膨胀系数为 -6-116.92/10 K。LD10系Al-Mm-Si-Cu系锻铝，该材料的合金元素含量高,通常在人工时效状态下使用,主要强化相Mg2Si、CuAl2等,强度高、热塑性好。LD10铝 -1-6-1合金的熔点为680?,常温下热导率为159W?(m?K)、线膨胀系数为22.5/10 K。T2紫铜和LD10铝合金的化学成份见表2-1及表2-2。焊接时采用搭接一道焊，焊前用丙酮清洗工件表面油污。 表2-1 T2紫铜的化学成份(质量分数%) 余量 Be Sb As Fe Ni Pb Sn S Zn 0.001 0.002 0.002 0.005 0.002 0.005 0.002 0.004 0.004 Cu 表2-2 LD10铝合金的化学成份(质量分数%) 余量 Cu Mg Si Mn Fe Zn Ni Ti 3.9-4.8 0.4-0.8 0.6-1.2 0.4-1.0 ?0.7 ?0.30 ? 0.1 ?0.15 Al 2.1.2试验设备 试验采用由X53K型立式铣床改装的搅拌摩擦焊机进行焊接，焊接速度可在23.5-1180mm/min范围内调节，搅拌头的旋转速度可在37.5-1500r/min范围内调节，旋转方向为顺时针方向。搅拌头的倾角可以任意调节，本课题试验过程中搅 0拌头的倾角固定为2。试验所用搅拌头为锥形右螺纹，搅拌头形状如图2-1所示， -3所示。 搅拌头基本尺寸参数如表2 图2-1 试验用搅拌头 表2-3 试验用搅拌头尺寸参数 搅拌头类形 螺纹类形 轴肩直径 轴肩直径 搅拌针顶部 搅拌针长度 (mm) (mm) 直径(mm) (mm) 锥形搅拌头 右螺纹 16.00 4.36 5.82 6.40 图2-2 搅拌摩擦焊焊接实际工装夹具图 2.2 试验方法 2.2.1工艺试验 搅拌摩擦摩擦焊的主要焊接工艺参数有焊接速度、搅拌头的旋转速度和搅拌头对工件的压力，对于异种材料的焊接还与材料的放置位置有关。试验中，搅拌头边旋转边沿焊缝方向移动，其两侧金属与搅拌头相对运动状态不同，受到搅拌头挤压后，温度和变形量有差异。通常将焊接方向与搅拌头旋转方向一致的侧称为前进边(advancing side of weld,简称AS)，而将另一侧称为返回边(returning side of weld,简称RS)。本试验在前期进行了多个工艺参数的试焊，最后先取了三个使接头成形较好的工艺参数作为进一步研究。为了研究搅拌头旋转速度与焊接速度对焊缝成形成显微组织等的影响，试验参数采取控制变量法。接头方式选为搭接接头，将铝作为上板材，铜作为下板材，如图2-3所示，试验的焊接工艺参 表2-4 焊接工艺参数 数如表2-4所示。 铜 铝 图2-3 试验搭接示意图 编号 旋转速度(r/min) 焊接速度(mm/min) 下压量(mm) a 750 60 0.5 b 950 60 0.5 c 950 75 0.5 2.2.2 金相试样的制取 对焊缝的横截面截取一小段用于观察焊缝形貌，用XQ-1型金相试样镶嵌机镶嵌试样，试样镶嵌后分别用从粗到细的水砂纸对试样表面进行打磨，之后在PG-2C型双速金相试样磨抛机上进行抛光，抛光完之后用Keller试剂腐蚀铝侧，用自制试剂腐蚀铜侧。Keller试剂及自制试剂化学成分如表2-5及表2-6所示。 表2-5 腐蚀铝侧Keller试剂的成分 试剂名称 HO FeCl 饱和HCL CHOH 2325 含量(ml) 100 5g 4 100 表2-6 腐蚀铜侧自制试剂的成分 试剂名称 HO HNO HCL HF 23 含量(ml) 150 3 6 6 2.2.3接头的显微硬度测试 采用401MVD数字显微硬度计测量铜/铝搭接接头垂直原始界面线方向的显微硬度分布。为了能更加全面的反映接头的显微硬度分布，在接头前进侧，焊核中心区，返回侧各选取一条线进行硬度测试，硬度测试时从铝侧测试到铜侧。测量点间距为0.3mm，加载载荷为200g，压力保持时间为15s。 2.2.4 接头的拉剪性能测试 对不同参数试验得到的搭接接头试样进行拉剪强度测试，研究工艺焊接参数对接头强度的影响。按GB2651-89规定制作剪切试样进行剪切试验，拉剪试验在WDS-100微控电子万能试验机上以1mm/s恒定的拉伸速度进行。拉剪试样 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 件如图2-4所示。由于搭接接头试样两端和焊缝中心的不等厚，在做剪切试验时会产生弯曲，对试验效果会产生严重影响，所以在试样的两端粘贴小板使其两端与焊缝中心等厚。 图2-4拉剪试样标准示意图 搭接接头在进行拉剪试验时，界面尖端处由于处在三轴拉应力状态，会出现高值的应力和应变集中。在厚度方向上，存在一个拉应力，使接头产生一个绕焊核的弯矩，使上下两板绕焊核分别朝上、下弯曲，弯曲的存在会加速裂纹的扩展并最终造成接头断裂。 相关研究显示搅拌摩擦焊搭接接头强度主要取决于焊缝界面形态和焊缝金属轴向迁移高度，图2-5为焊缝金属轴向迁移高度L的定义图。 图2-5 焊缝金属轴向迁移高度L定义图 3 试验结果与分析 3.1 工艺参数对焊缝表面成形的影响 搅拌摩擦焊时，焊缝成形不良主要表现为焊缝表面成形不好，表面有沟槽或在焊缝内部出现孔洞或隧道型缺陷，焊缝背面有金属熔化点或缩孔。这些不良的950 60 成形主要取决于搅拌头的形状和工艺参数。图3-1为不同焊接参数下所得焊缝的表面形貌，由图3-1可见，焊接参数为750r/min、60mm/min时焊缝表面成形较好，其焊缝表面弧形纹较均匀，表面光洁;焊接参数为950r/min、60mm/min和950r/min、75mm/min时焊缝表面都较为粗糙，且焊接速度速度低的其表面氧化比较严重。 分析认为:在焊接速度相同，而搅拌头旋转速度较低时焊缝表面成形更光亮平整，这是因为搅拌头的轴肩与被焊材料表面摩擦产生的热量使得近表面的被焊 材料塑化，在轴肩对表面的压力下，塑性材料随轴肩转动，形成了弧形纹，因此轴肩每旋转一周就会留下一道弧形纹。在焊接速度相同的情况下，旋转速度低的焊缝两道弧形纹形成两道弧形纹的间隔时间较长，每一道弧形纹的成形过程中其母材都能得到较为充分的搅拌，因而表面弧形纹较为均匀、平整。而旋转速度较高时，其情况恰好相反，由于两者焊接速度相同，故旋转速度较高时任两道弧形纹形成时间相对更短，材料搅拌相对不充分，所以其表面成形更加粗糙。 对比图3-1(b)与3-1 (c)，两者搅拌头旋转速度相同，但焊接速度较低的3-1(b)其焊缝表面的鱼鳞纹非常的明显，其表面氧化程度也更加严重。3-1(c)表面虽也有一定程度的氧化，但不是很严重，表面相对平整些，但其表面更像是被―铣刀‖铣后的效果。三个参数的搅拌头旋转速度/焊接速度(n/v)比分别为:12.5、15.8、12.7，分析认为3-1(b)中表面氧化严重是由于其n/v比较大，焊接热输入比较高，使得与空气直接接触的表面铝层在高温下与空气中的氧发化氧化反应，生成了一层氧化膜。而3-1(c)表面呈现类似铣刀铣后的颗粒状表面，其表面的鱼鳞纹路也不是非常的明显，分析认为这是由于由于n/v比较小，导致热输入不足，金属流动不充分，其表面平整像是被搅拌头轴肩给铣出来的，之所以表面鱼鳞纹不明显是因为轴肩下面粘有未完全达到塑性的铝，使得充当―铣刀‖的轴肩显得不够锋利，轴肩下的粘铝将本来的鱼鳞纹给划破。 综上所述，焊接工艺参数的匹配对焊缝成形具有重要影响。在以上三个工艺参数中，都能获得无严重缺陷的焊缝表面，n=750r/min,v=60mm/min 时表面比较光滑平整。n=950r/min,v=60mm/min时其焊缝表面氧化比较严重，n=950r/min,v=75mm/min时其表面呈现被―铣刀‖铣后的平整。 b 铜 铜 a RS RS 铝 AS AS 铝 铜 c RS AS 铝 图3-1 不同工艺参数焊缝表面宏观形貌 (a)n=750r/min,v=60mm/min (b)n=950r/min,v=60mm/min (c)n=950r/min,v=75mm/min 3.2工艺参数对焊缝横截面成形的影响 从图3-2中可以看出，铜/铝搅拌摩擦焊搭接接头的下层材料铜的一部分在搅拌头的搅拌作用下深入到上层材料铝中，并形成了形似―钳子‖的突出部分。这个铜―钳子‖牢牢地将上层材料铝抓住，从而使铜/铝两个材料两个材料连接在一起。搭接接头在承受拉剪时其主要受力部分也是这个―钳子‖。―钳子‖越加粗长其抗拉剪强度越高，这个―钳子‖的形成实质是金属轴向流动的结果。 图3-2(a)、(b)、(c)中的金属轴向流动均是从铜侧向铝侧流动，并且铜在返回边的轴向迁移量大于前进边的迁移量;在三个试样中，图3-2(b)的金属最大迁移量要比图3-2(a)和图3-2(c)都大。且在图3-2(b) 的中上部可以明显地看到一个洋葱环组织，而在图3-2(a)的界线处有一较小孔洞缺陷，图3-2(c)中焊缝中有一隧道型缺陷。 在图中还可以看到，三个试样的铜/铝的原始界面线均下凹到了铜侧，即原始铜/铝界面线向下迁移了，通过测量图3-2(a)、(b)、(c)的铜/铝原始界面线向下分别迁移了0.5mm和0.65mm和0.45mm。但向下迁移的界面线并不是一条水平线，而是一条在前进侧界面线下降更多的斜线;三个试样中，图3-2(a)与图3-2(c)的铜/铝界面线非常的明显，而图3-2(b)相较3-2(a)与图3-2(c)则显得较为模糊。 a b 铝 铝 AS RS AS RS 铜 铜 小孔洞 2mm 2mm c 铝 AS RS 铜 隧道形缺陷 2mm 图3-2 不同工艺焊缝横截面宏观形貌图 (a)n=750r/min,v=60mm/min (b)n=950r/min,v=60mm/min (c)n=950r/min,v=75mm/min 由此可初步认为:相同焊接速度下，随着搅拌头旋转速度的增加(或是在相 同的旋转速度下，随着焊接速度的减小)，铜/铝界面处的金属轴向迁移量及原始铜/铝界面线向下的垂直迁移量都呈现出增加的趋势。搅拌头旋转速度较小或是焊接速度较大时，焊核底部出现断续线状分布的界面线并且有出现缺陷的趋势，随着旋转速度的增加或焊接速度的减小，底部的原始铜/铝界面线趋于模糊，且在焊核的中上部出现了明显的洋葱环。 [27]以上的铜/铝金属流动情况及界面线迁移可以用柯黎明老师提出的搅拌摩擦焊焊缝塑性金属的―抽吸-挤压‖物理模型来很好的进行解释。其基本表述如下:在搅拌摩擦焊条件下，由于搅拌针表面螺纹仅具有有限长度，其一端为搅拌头的轴肩，另一端为刚性的底板，焊接过程中搅拌针端部与底板间的距离保持不变。当搅拌头旋转引起塑性金属沿螺纹表面轴向流动时，必存在一入口端和一出口端。在入口端，有可能形成一瞬时空腔，周围塑性金属将被吸向此空腔，形成所谓抽吸效应;在出口端，塑性金属将改变流向并挤压周边金属，形成所谓挤压效应;正是由于空腔对塑性金属朝焊缝中心的抽吸作用和挤压区往外对塑性金属的挤压作用，使高温塑性金属在搅拌针轴向形成剧烈的迁移运动。本试验所用搅拌头为右螺纹，结合―抽吸-挤压‖可以得到本试验焊接过程焊缝中金属流动过程模型图。 w 瞬时空腔 v 图3-3 铜/铝搅拌摩擦焊搭接焊金属流动过程示意图 采用右螺纹搅拌头焊接时，由于前进边方向和搅拌头旋转方向一致，所以搅拌头在前进过程中会带动前进边金属向下流动，在受到焊核底部铜金属的阻碍作用时，塑性金属便沿着搅拌头螺纹向返回边挤压，而返回边由于和搅拌头的旋转方向相反，在搅拌头旋转前进时，返回边的塑性金属会在搅拌头螺纹方的带动下向上流动。旋转速度越大或焊接速度越小时，热输入量越大，金属的流动性越好，金属的轴向迁移量便会越大。铜金属就是通过搅拌针的这种带动作用主要在接头前进侧和返回侧向铝中迁移，向铝中迁移的铜像是铜板向铝板伸出的两个―钳子‖，将铝牢牢的抓紧，使铜/铝紧紧的连接在一起。在旋转速度较高或焊接焊度较低时―钳子‖的两个爪子表现为细长，而在旋转速度较低或焊接焊度较高时―钳子‖的两个爪子表现为粗短。 分析认为:由于接头是由往复不断的―抽吸-挤压‖过程形成的。在焊接速度一定时，旋转速度过低;或者在旋转速度一定时，焊接速度过快都会导致热输入不足。搅拌针端部及其端部以下的金属由于温度太低，塑性不好。当搅拌针端部材料被―抽吸‖上去后得不到更下层材料补充，便容易在焊缝下端形成孔洞甚至隧道型缺陷。图3-2(a)、3-2(c)便是这种情况。同时由于搅拌针距离轴肩太远，周围金属温度太低，达不到塑性温度，从面使该处铜/铝不能达到原子间的结合，形成一条非常明显的铜/铝分界线，且焊接热输入越低分界线就越明显。 在采用右螺纹搅拌头进行搅拌摩擦焊时，由―抽吸-挤压‖理论可以知道，金属的―入口‖方向是在搅拌头的端部。在搅拌针端部附近的铜金属首先在搅拌针的驱动作用下向上板材铝侧流动从而从得该处出现一个低压空腔，该低压空腔的存在将对空腔周围金属产生一个抽吸力(Fc)使得该空腔得以填充。同时在搅拌针搅拌针驱动下的金属在到达轴肩时形成堆积效应，在搅拌针旋转作用下该部分金属被甩出去并挤压附近的金属，形成一个挤压力(Fj)。铜/铝的原始界面线就是在这个抽吸力与挤压力的共同作用下使得铜/铝原始界面线最终向铜侧倾斜。焊接速度相同，在旋转速度更高时，(或是旋转的速度相同，在较低焊接速度时)，搅拌头对附近金属的作用都更加强烈，同时单位时间内焊缝获得的热量也更高，金属的塑性也更好，从而使得这种―抽吸-挤压‖的作用更加显著，进而表现为铜/铝原始界面线向下迁移量更大。 ` Ww AS 铝 挤压区 F j 综上所述，在焊接进程中的―抽吸-挤压‖的作用下，铜金属向铝侧进行了金属流动，同时铜/铝的原始界面线向铜侧进行了迁移。这种金属的流动量的大小与铜/铝的原始界面迁移量的大小都随着焊接速度的减小或旋转速度的增加而增加;铜/铝间有一条非常明显的分界线，在焊接热输入小时，分界线非常明显。铜/铝的连接主要靠铜向铝侧伸出―钳子‖。在三个焊接所得焊缝横截面中，焊接工艺参数n=950r/min, v=60mm/min时其接头的金属轴向流动最为充分，迁移量也最大。 3.3接头的显微组织分析 一般而言。铜/铝搅拌摩擦焊接头由四个区域组成，即焊核区(WNZ)、热力影响区(TMAZ)、热影响(HAZ)以及母材区(BM)，各区在焊接过程中经历了不同的热力的作用而发生长大。从图3-5(a)、(b)、(c)对比中可以看到，热影响区的晶粒最大，母材处的晶粒最小。产生这种结果是由于热影响区处的晶粒受到焊核中传播过来的热量的影响而发生了长大。而热力影响区在受热增大的同时还受到来自搅拌针的搅拌作用，因此长大的晶粒在力的作用下发生变形，部分超过变形极限的晶粒发生了破碎从而使得热力影响区的晶粒介于母材与热影响区之间。在图3-5(d)中可以看到，铜与铝成―大块‖状的相互交迭状态。产生这种状态是由于在铜/铝的搅拌摩擦焊过程中两种材料由于其熔点、导热性等相差较大，从而使得在铝达到塑性状状时，部分铜还没有达到完全达到塑性状态，因而这部分铜是就在未完全达到塑性状态时就被搅拌针―强行‖给搅进铝侧，进而从焊缝的截面形貌呈现―大块‖的铜/铝相互交迭。 ab 在核缝中，还可以看到较小的弧形条状铜以及较多分布比较均匀的铜颗粒。如将这部分―铜‖当作标记物来看，这些弧形条状铜在铝中均匀地分布，可以证明在搅拌 头的驱动作用下，部分金属可以从焊缝的一侧迁移到另一侧，铜颗粒的较多均匀也再次验证了上文中提到的―抽吸—挤压‖理论。在焊缝成形时往复不断的―抽吸 —挤压‖过程中，当焊接热输入不够，达到塑性化状态的材料不足，材料流动不充分时就会在焊缝内部形成材料未完全闭合的现象进而出现孔洞，如图3-6(e)所示，且从图中可以看出，这些孔洞主要发生在搅拌针中部至端部，且都是在铜/铝的交界处产生的。分析认为出现产生这种结果的原因有三个:一则轴肩对这部分的影响作用减小，该部分远离轴肩，热输入不足;再则铜到达塑性温度较高，由于热输入不足，该处铜的软化程度不高。另外铜/铝异种金属的结合也不如同种金属间的相互结合。 改变焊接工艺参数对铜/铝进行不同的焊接试验，通过对其组织观察，只在焊接参数为n=750r/min,v=60mm/min及n=950r/min,v=60mm/min看到了洋葱环组织，如图3-6(c)、3-6(d)。在焊接参数为n=950r/min,v=75mm/min却并没看到洋葱环组织，但却看到了铜/铝交迭区。对比图3-6(c)、3-6(d)中的两个洋葱环可以发现，两者在外形上是有区别的，3-6(c)中的洋葱环组织显得细疏松散，而3-6(d)的洋葱环组织则显得非常致密紧凑。 洋葱环组织是是由于搅拌针周围塑性金属软化程度不高，这部分金属在应力场，温度场综合作用下发生了塑性流动。洋葱环就是金属发生层与层相对流动时产生的一种轨迹。当搅拌头旋转前进时，流动到搅拌针后方远离轴肩的软化层包绕搅拌针后部侧面形成类似球状的塑性壳体，并在搅拌头旋转前进过程中不断形成软化程度不同的塑性壳体层相摩擦叠加。 分件认为:图3-6(c)中的洋葱环之所以显得细疏松散且不够明显，而图3-6(d)中洋葱环显得致密紧凑，是由于图3-6(c)的热输入不足，导致材料流动不够充分，层与层的相对流动不是非常明显。而图3-6(d)中则由于焊接工艺参数匹配合适使得焊接热输入相对充足，从而材料达到了相对较好的塑性状态，在搅拌针的作用下，铜/铝被充分的搅拌并发生层与层的相对流动，由于其金属流动较充分，其洋葱环的各环直径也更小，从而显得更加致密紧凑。在焊接参数为n=950r/min,v=75mm/min时之所以没有出现洋葱环组织而是以形如3-6(a)中的铜/铝片状相互交迭状态。则应该是相比3-6(c)的焊接热输还要低，搅拌针周围塑性金属软化程度不高，不足以跟随搅拌针的旋转方向流动动远离轴肩，从而未能最终形成洋葱环，或是说其也形成了洋葱环，只是由于其洋葱环的各个环的直径很大，从而在接头只显现了洋葱环的一部分，该部分的形貌便如3-6(a)中的铜/铝片状相互交迭。 综上所述，铜/铝搅拌摩擦焊搭接接头主要由焊核、热力影响区、热影响区、 母材四个区组成，其中热影响区在热循环作用下，其晶粒尺寸最大;由于铜/铝达到塑性状态的温度及导热性等物理性能相差较大，容易在铜/铝的交界处产生洞孔甚到隧道型缺陷。铜/铝接头中会由于焊接工艺参数的不同出现洋葱环组织或铜/铝的片状交迭区，当焊接热输入较为充足时会出现洋葱环组织，反之则以铜/铝片状交迭区代替。 ab 10μm 10μm cd 50μm 50μm e 100μm 图3-6 焊缝组织中几个典型区域 (a)铜/铝片状交迭分布 (b)铜颗粒散落分布于铝中 (c)n=750r/min,v=60mm/min接头 中洋葱环 (d)n=950r/min,v=60mm/min接头中洋葱环 (e)接头中的孔洞缺陷 3.4接头的力学性能分析 3.4.1 接头的显微硬度 图3-7为典型的铜/铝搭接接头显微硬度分布图，在图中可以看出，T2紫铜与LD10铝合金的硬度值比较接近，其硬度值都在220HV左右，铜、铝母材在靠近焊核时其硬度值具有小幅波动。 而在焊核处，显微硬度波动程度非常大。此处是是铜、铝、铜/铝三处组织的相互混合区，结构较为复杂。从图3-5的金相图中可以看到，在焊核区，铜/铝两种材料有非常强烈的混合并呈洋葱状或铜/铝片状交迭区，交迭区的铜/铝在摩擦热与塑性变形的共同作用有可能形成金属间化合物;另在距离搅拌针稍远的区域，铜/铝又可能形成孔洞缺陷。从而使得焊核处的显微硬度波动非常大，显微硬度的最大值与最小值都出现在焊核区。从高硬度点的金相图中可以看出该高硬度点周围灰白相间，灰色为铝合金基体，白色为铜基体，该硬度点本身为白色，但其硬度值远高于铝与铜基体，据此可以推断该高硬度点为铜/铝金属间化合物。 金属间化合物 铜母材 铝母材 材 900 铝侧 焊核 铜侧 800 700 600 500 显微硬度/HV 400 300 200 -6-4-20246 距铜/铝原始搭接面距离/mm 图3-.7 典型铜/铝搭接接头显微硬度分布 图3-8为铜/铝搭接接头横截面显微硬度测试位置图。图中a-a，b-b，c-c线分别为接头的前进侧、焊核中心区、返回侧部位显微硬度的测试部位。图3-9则 是分别沿a-a，b-b，c-c线从铝侧向铜侧测试的显微硬度分布图。由图可知，三个位置的硬度分布变化趋势一致。但是各条曲线中的最高硬度点的到来时间却有先后之分，依次为返回边、前进边、焊缝中心区。分析认为由于金属是从前进边在搅拌针作用下向返回边流动，致使返加边金属充足，不易出现孔洞，并且由于此处铜较多，向上迁移距离也最大，铜/铝更易在形成金属间化合物，其金属间化物同样离界面线也更远;而焊核中心区的铜向铝的迁移的量较少，而且容易由于金属流动不足出现孔洞。 综上所述，在铜/铝接头中容易产生硬脆的金属间化合物，硬脆的金属间化合物与缺陷的存在使得铜/铝搭接接头在焊核处的显微硬度波动程度非常大。 铝 铜 2mm 图3-8 铜/铝搭接接头横截面显微硬度测试位置图 450 400 350 300 250 显微硬度/HV 200 150 -6-4-20246 距铜/铝原始搭接面距离/mm 图3-9 焊缝显微硬度分布图 3.4.2 接头的拉剪性能 搅拌摩擦焊搭接接头在做拉剪试验时，接头同时受到拉伸力与剪切力。从拉剪试样的断裂结果可知铜/搭接接头的断裂形式有两种:剪切断裂、拉伸断裂。图3-9是所做试验的几个接头断裂图，图3-9 (a)与图c的断裂是由于受到拉伸作用力而断裂在铝母材上的铜/铝交界面处的热力影响区上;图3-9 (b)由是由于受 -1为拉剪试验结果，从表中可以看出金属轴到剪切作用力而断裂焊核底部。表3 向迁移量大小直接影响接头强度;从金属轴向迁移量与最大拉力的数值大小变化趋势来看，焊缝金属轴向迁移量越大，焊接接头的抗拉剪强度越好，其力学性能越优越。搭接接头力学性能上的试验结果证实了前面提出的由焊缝中金属纵向迁移量来评定焊缝优劣的假设的正确。 表3-1 拉剪试验结果 试样编号 焊接工艺参数 断裂位置 最大迁移位置及最大拉力 转速r/min 焊速mm/min 迁移量mm KN a 750 60 铝板返回边 As/1.10mm 8.44 b 950 60 穿核断裂 As/2.10mm 9.80 c 950 75 铝板返回边 As/1.60mm 9.17 三个试样的断裂裂纹都是首先发源于铜/铝的交界处，裂纹的发展方向则是非常流畅地沿着铜/铝的交界线，且断口面非常平整。分析认为断裂裂纹均发源于铜/铝交界处的是因为该处的组织成份复杂，一方面是铜/铝的相互交迭使得该处组织粗糙，另一方面则是铜/铝的金属间合物生成，致使接头强度下降;而裂纹的发展方向均是沿着铜/铝的界面线，是因为厚度较大铜/铝的搭接接头是一种弱连接。由于铜/铝的物理性能相差很大，尤其是铜的塑性温度很高，并且铜作为下层材料远离轴肩，所能得到的热输入量较小。铜/铝搭接接头的强度主要取决于向铝中迁移的铜形成的―钳子‖， ―钳子‖的两端分别在前进侧与返回侧。从图3-11(a)与图3-11(c)断裂位置均是发生在返回边的铜/铝交界处可也可证实搭接接头的强度主要是由―钳子‖承受。 图3-11为铜/铝搭接接头断裂后的典型断面宏观形貌图，从中可以看出，铜板的前进侧的铜有被搅拌头向下搅动后流下的痕迹，而铜板的返回边则有被搅拌头向上搅动后流下的痕迹，这也证实了上文关于接头中金属轴向流动分析的正确性;同时在铜板的焊缝中心可以看到，该处非常的光滑，这是搅拌针行走的位置， 总的来说铜板的焊缝都是相对光滑的，铜/铝在此没有很好地融合在一起，它们之间有一条非常清晰的分界线，这也再次说明了铜/铝的搭接接头连接比较弱。 a 铝 铜 断裂位置 b 铝 断裂位置 铜 c 铝 断裂位置 铜 图3-10 不同工艺参数拉剪试样断裂位置示意图 (a)n=750r/min,v=60mm/min (b)n=950r/min,v=60mm/min (c)n=950r/min,v=75mm/min 铝 RS AS RS AS 铜 图3-11 典型断口的宏观形貌图 图3-12是两张分别为拉伸断裂与剪切断裂的负荷—应变曲线图，从变形量来看，铜/铝搭接接头的断裂伸长量非常小，这与铜、铝板材自身的延展性好、塑性好，断裂形式为塑性断裂相比，有较大差距。接头的拉伸断裂曲线形为脆性断裂曲线，接头在达到最高承受力时即完全断裂如图3-12(a);而图3-12(b)的剪切断裂曲线刚形似―塑性‖断裂曲线，曲线分成明显的两段，但又与塑性断裂曲线又有所不同，塑性断裂曲线的强度极限要比屈服极限更高，即后一段曲线要比前一段曲线更高，但图3-12(b)中显然是相反的，分析认为拉伸断的曲线会出现两段曲线是由于铜向铝中轴向迁移的金属形成的一形似―钳子‖的两头分别断裂进而形成的两段曲线，并且由于承载力较大的―钳子‖端总先于承载力较小的―钳子‖端断裂，所以其曲线分成分显的两部分，且总是曲线的后段要比前段更低。 对于一个搭接接头，在拉剪时到底是发生剪切断裂还是拉伸断裂这与很多因素有关，例如搭接量、工艺参数、上下两面种材料的强度以及金属间化合物在接头中的分布情况。在本次试验的三个试验参数试样中只有 n=950r/min,v=60mm/min 发生了拉伸断裂，而其它两个参数 n=750r/min,v=60mm/min及n=950r/min,v=75mm/min发生了剪切断裂，分析认为:在焊接参数n=950r/min,v=60mm/min时其接头组织是最好的，金属的轴向迁移量也是最大的，也正因此使得铜向铝中轴向迁移的金属形成的―钳子‖显得细长，而其它两个焊接参数因为金属流动不是足，其―钳子‖两端显得―粗长―。在拉剪试验时―钳子‖两端细长的接头便容易因在―钳子‖根部受力集中进而发生断裂。而―钳子‖两端粗短的因其承载力大，而上端铝强度比铜强度本来就弱，再加上在热影响作用下，便容易在铝板返加边的铜/铝界面处发生断裂。 综上所述，铜/铝搅拌摩擦焊搭接接头的断裂形式有拉伸断裂与剪切断裂两种断裂形式，其接头的断裂裂纹一般起始于铜/铝交界处;接头的受力部位主要是铜向铝的中因金属的轴向流动而形成一个类似―钳子‖的两端，在一定的范围内，金属的轴向迁移量与接头的强度密切相关，金属的轴向迁移量越大，其接头强度也就越高。在三个焊接工艺参数中，在n=950r/min,v=75mm/min时虽其接头内部出现了较大的隧道型缺陷，但其接头的强度却并没有受到较大的影响响也正是因为接头强度主要由―钳子‖的两端的两端承受。在n=950r/min,v=60mm/min时虽其金属轴向迁移量较大，然其接头强度相对另外两个却没有出现较大的增幅则 是由于其―钳子‖两端虽较长但却不够粗，故其相对其它两个参数的接头并没有出现较大的增幅。但在三个不同的焊接参数中，焊接参数为n=950r/min,v=60mm/min仍然是最佳的工艺参数。 (a) 拉伸断裂曲线图(横坐标:变形量，纵坐标:负荷量) (b) 剪切断裂曲线图(横坐标:变形量，纵坐标:负荷量) 4 结论 (1)由于铜/铝的物理，化学性能相差很大，导致铜/铝搅拌摩擦焊搭接的参数范围很窄，但通过调整焊接工艺参数，还是能实现铜/铝异种金属的搅拌摩擦焊搭接焊，其最佳工艺参数为n=950r/min,v=60mm/min。 (2)焊接参数的n/v在12.5左右时焊缝表面成形较为平整光滑，但接头横截面此时容易出现孔洞甚到隧道型缺陷;当焊接参数n/v达到15.8左右时其焊缝表面的鱼磷纹非常明显，氧化程度比较严重，但接头横截面成形比较好。 (3)铜/铝搅拌摩擦焊接头中会有洋葱环状组织或铜/铝片状交迭区的出现，随着搅拌头旋转速度的提高或焊接速度的减小洋葱环会趋于致密紧凑的，反之则趋于细疏松散甚到以铜/铝片状的相互交迭状代替。 (4)接头焊核区显微硬度的很大波动，且个别点的硬度极大表明有铜/铝金属间化合物的生成。 (5)铜/铝的搅拌摩擦焊搭接的受力部位主要在铜向铝轴向迁移形成的―钳子‖两端;接头的断裂形式主要有剪切断裂与拉伸断裂，接头的断裂位置主要发生在铜/铝交界处。 参考文献 [1] 里亚博夫BP.铝及铝合金与其他金属的焊接[M] . 北京:宇航出版社,1990. 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