转速对铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接接头组织性能的影响

乔 柯， 王快社， 王 文， 吴 楠， 李天麒， 郭 韡

(1.西安建筑科技大学 冶金工程学院，西安 710055；2.中国重型机械研究院股份公司，西安 710032)

转速对铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接接头组织性能的影响

乔 柯1， 王快社1， 王 文1， 吴 楠1， 李天麒1， 郭 韡2

(1.西安建筑科技大学 冶金工程学院，西安 710055；2.中国重型机械研究院股份公司，西安 710032)

采用搅拌摩擦焊接(FSW)对铝铜层状复合板进行焊接，研究转速对焊接接头组织性能的影响。结果表明：FSW接头在焊缝区域内铝铜金属呈层状分布；随着搅拌头转速的增大，焊核区(NZ)中铝与铜晶粒尺寸增大；转速为1180 r/min时，铝层焊缝中心区域平均显微硬度为33.0 HV，超过母材显微硬度，抗拉强度为127.21 MPa；转速为750 r/min时，铜层焊缝中心区域平均显微硬度为99.7 HV，达到母材显微硬度的82.05%；孔洞缺陷是造成接头力学性能较低的主要原因。

搅拌摩擦焊接；铝铜层状复合板；转速；微观组织；力学性能

铝铜复合板具有铜的导电、导热率高、接触电阻低等优点，同时具有铝的质量轻、耐腐蚀、价格低廉等优点，故广泛应用于电子、电器、电力、冶金设备、汽车、机械、能源以及生活用品等各个工业领域。在层状复合板的加工和使用过程中，焊接是一项必不可少的工艺环节。目前层状复合板常采用双面，多次熔化焊接[1-3]，但存在诸多问题，如：焊接接头性能较低，焊接前需要双面打坡口，使用异种焊丝等，焊接工艺复杂，易产生裂纹，晶粒粗大，抗腐蚀性差等。

搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是一种新颖而有潜力的固相焊接技术，由英国焊接研究所(the welding institute，TWI)于1991年研发并应用[4]。FSW时，待焊接材料将发生剧烈的塑性变形，有助于细化焊接接头组织并使其均匀化[5-10]。焊接过程中焊接温度较低，焊缝几乎无热变形，组织粗化的倾向降低，焊接接头的强度和韧性均得到提高[6]。FSW已成功地应用于铝合金、铜合金、镁合金、复合材料同种及异种金属材料的焊接，具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。

目前，铝铜异种金属FSW成为国内外学者研究的热点问题之一。铝铜异种金属的FSW包括对接焊与搭接焊。Bhattacharya等[11]对AA6063铝和C-10300铜进行FSW点焊，结果表明：当旋转速率为800 r/min，焊接速率为20 mm/min时金属塑性流动性最好，焊接接头具有较高力学性能。Abdollah-Zadeh等[12]对1060铝和纯铜异种材料进行FSW搭接焊，结果表明：当焊接速率较高或旋转速率较低时，焊接接头成型性较差，调节焊接参数可以减少金属间化合物的数量。Liu等[13]对T2铜和5A06铝FSW研究表明：在焊接速率为150 mm/min，旋转速率为950 r/min时焊接区域成型性较好，不存在铝铜金属间化合物，接头的抗拉强度为296 MPa。Akinlabi 等[14]对FSW铝铜异种材料焊接接头腐蚀性能进行了研究，结果表明在焊接速率为300 mm/min、旋转速率为950 r/min时焊接头的耐蚀性最好。董丰波[15]对FSW铝铜异种金属的研究表明：对接焊时，转速为1050 r/min，焊接速率为40～50 mm/min所获接头成型质量良好，接头抗拉强度为236 MPa；搭接焊时，铜置于上层可获得成型良好的接头，铝置于上层则易产生孔洞与隧道缺陷。综上所述，国内外学者针对铝铜异种材料FSW接头的组织性能开展了大量研究，分析了工艺参数对FSW铝铜异种材料成型性及力学性能的影响。搭接焊和对接焊都是将铝铜异种金属进行连接，焊合区易产生铝铜金属间化合物以及孔洞、裂纹等焊接缺陷。而对铝铜复合板进行FSW是为了实现铝铜同种金属结合，减少铝铜金属间化合物的产生，提高焊合区的结合强度。本研究主要目的是探索旋转速率对FSW铝铜层状复合板焊接接头的影响，以期提高铝铜复合板连接性能。

1 实验材料及方法

选用70.0 mm×60.0 mm×2.0 mm铝铜层状复合板进行FSW实验，铝铜厚度比为1∶1。铝层材料为1060工业纯铝，铜层材料为T2纯铜。铝铜复合板的抗拉强度为251.13 MPa，伸长率为9.28%，铝、铜层的显微硬度分别为32.8 HV和121.6 HV。FSW实验在改造的X5032型立式升降台铣床上进行，搅拌头轴肩直径为14 mm，圆柱形搅拌针长度为1.8 mm，直径为3.4 mm，搅拌头材料选用W18Cr4V高速钢，压下量为0.2 mm。实验采用的搅拌头旋转速率分别为750 r/min，950 r/min和1180 r/min，焊接速率恒定为47.5 mm/min。利用PLOVER-MET型光学显微镜对表面形貌进行照相。利用401MVD型显微维氏硬度计测量焊接接头横截面显微硬度，铝层硬度测试选取在距离上表面0.5 mm处，铜层硬度测试为距离上表面1.75 mm处。采用WDW-100D型拉伸机进行室温拉伸测试，拉伸速率为0.05 mm/min。利用JSM-6390A型扫描电子显微镜观察接头拉伸断口表面形貌。

2 实验结果与分析

2.1微观组织

焊接接头的横截面形貌主要由焊核区(NZ)、轴肩影响区(SAZ)、热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)以及母材(BM)组成。图1为不同转速下焊接接头的宏观组织形貌，铝铜复合板双金属呈层状分布，同时FSW接头的NZ，TMAZ以及HAZ也呈层状分布，又因FSW时焊缝塑性流动金属主要沿搅拌针进行垂直方向流动，NZ中原有铝铜界面发生向下迁移。在旋转速率为750 r/min和950 r/min时(图1(a)～(b))，焊接热输入量不足，有明显的孔洞缺陷，并且焊合区铝铜金属分布不均匀。随着搅拌头转速增大至1180 r/min时(图1(c))，搅拌针破碎作用变强，铝铜金属均匀分布在焊合区。

图2所示为铝、铜BM的显微组织，铝铜复合板的BM为典型轧制组织，晶粒沿轧制方向被拉长，部分晶粒破碎。BM晶粒粗大，铝层沿轧制方向的平均晶粒尺寸约为28 μm，铜层沿轧制方向的平均晶粒尺寸约为20 μm。

图3所示为不同转速下FSW接头铝层NZ微观组织形貌。由图可见，铝层NZ为等轴状的动态再结晶晶粒，铜颗粒夹杂分布在铝基体上。当搅拌头转速较低时(图3(a)～(b))，铜颗粒夹杂的数量较多，分布不均匀，多呈长条形，夹杂颗粒平均尺寸约为2～3 μm；随着搅拌头转速增大，搅拌针破碎作用变强，使得分布在铝层中的铜颗粒尺寸减少、分布均匀(图3 (c))；转速越大，焊接热输入量增大，铝层晶粒尺寸变大。

图4为不同转速下FSW接头铜层NZ微观组织形貌。接头铜层NZ中均无铝颗粒的分布，铜晶粒都为等轴的动态再结晶组织。随着搅拌头转速增大，热输入量增大导致铜的晶粒尺寸增大。

2.2力学性能分析

2.2.1 显微硬度分析

图5为FSW接头横截面铝层和铜层的显微硬度分布。不同转速下的铝层NZ显微硬度变化不明显(图5(a))，平均显微硬度为33.0 HV，略高于母材(32.8 HV)。在FSW时，铝层显微硬度受两个方面的影响：第一，再结晶导致的晶粒细化(如图3)，产生细晶强化作用；第二，铝铜复合板为轧制板材，再结晶软化导致强度降低，且细晶强化作用比再结晶软化作用略强，导致硬度值FSW铝层的平均显微硬度略高于母材。

如图5(b)所示，FSW后铜层NZ显微硬度降低，随着转速增大，铜层NZ显微硬度减小。晶粒尺寸增大(图4)说明再结晶软化效应增强，使得焊接中心附近硬度值降低。搅拌头转速为750 r/min时，铜层接头软化程度最小，在焊缝中心附近接头区域平均显微硬度为99.7 HV，达到母材显微硬度82.05%。转速为1180 r/min时铜层横截面的显微硬度大致呈“W”型分布，而在转速为750 r/min和950 r/min时，铜横截面的显微硬度无明显的“W”型分布(图5(b))。这是因为当转速为750 r/min和950 r/min时，焊接热输入量小，使得HAZ范围变小，并且铜和底部垫板接触，热量散失较多，晶粒尺寸增大较慢(图4)，再结晶软化效应较小，因而，随着转速的升高，焊接热输入量增大，硬度下降点向距离焊缝中心较远地方移动，因而明显的“W”型分布。而NZ区域的晶粒细化程度比TMAZ大，细晶强化作用使得NZ区域硬度值高于TMAZ区域硬度值。

2.2.2 拉伸性能和断口形貌分析

拉伸实验结果显示，焊接接头抗拉强度由750 r/min时的74.10 MPa增大到1180 r/min时的127.21 MPa；伸长率则由2.8%增大到4.96%(图6)。如图7(a)所示，铝铜复合板FSW接头拉伸断裂位置位于焊缝TMAZ，说明TMAZ为焊接接头性能的薄弱区域，这与图5中硬度测试结果相符。在TMAZ接头断口位置有一定的“颈缩”，表明试样在断裂之前发生了一定的塑性变形，材料表现出一定的韧性断裂特征。转速为750 r/min时，焊接热输入量较低，焊缝金属未能达到充分的热塑性状态，金属流动性较差，焊缝处产生了孔洞缺陷(图7(b))，接头力学性能较低。随转速增大至950 r/min时，摩擦热相应增多，焊缝金属的热塑性流动层逐渐增大，焊接缺陷减少，抗拉强度提高至124.91 MPa。当转速提高至1180 r/min时，热输入量增大促使焊缝中心温度升高，材料的塑性流动增强，但孔洞未能完全消失(图8)，故与转速为950 r/min的抗拉强度相比，通过增加转速来改善焊缝的塑性流动性并未明显提高焊接接头的抗拉强度。

3 结论

(1)铝铜层状复合板FSW接头在焊缝区域内铝铜金属呈层状分布。随着搅拌头转速的增大，NZ铝与铜晶粒尺寸增大。

(2)转速对FSW接头铝层显微硬度的影响较小，但对铜层NZ显微硬度的影响较显著。搅拌头转速为1180 r/min时，铝层接头区域的平均显微硬度略高于母材硬度达到33.0 HV。转速为750 r/min时，铜层焊缝中心区域平均显微硬度为99.7 HV，为母材显微硬度的82.05%。随着转速增大，铜层NZ显微硬度值逐渐减小。

(3)铝铜层状复合板FSW接头的抗拉强度与伸长率随搅拌头转速的增大而增大，转速为1180 r/min时，抗拉强度达到127.21 MPa，伸长率为4.96%，孔洞缺陷是造成接头力学性能较低的主要原因。

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Abstract： Al/Cu clad plates were joined by friction stir welding (FSW), and the effect of rotation rate on microstructure and mechanical properties of joints was investigated. The results show that the laminar structure of aluminum and copper is generated in the weld. With increase the of rotation rate, the grain sizes of aluminum and copper are increased respectively. The average microhardness of the Al/Cu plates exceeds that of the as-received metal of 33.0 HV, and ultimate tensile strength is 127.21 MPa in the nugget zone when rotation rate is 1180 r/min. The microhardness of copper in the nugget zone is 99.7 HV, reached 82.05% of the microhardness of received metal, and void defect is main reason responsible for the decrease of mechanical properties of joints.

Keywords: friction stir welding; Al/Cu clad plates; rotation rate; microstructure; mechanical properties

(责任编辑：张 峥)

EffectofRotationRateonMicrostructureandPropertiesofFrictionStirWeldedJointsofAl/CuCladPlates

QIAO Ke1, WANG Kuaishe1, WANG Wen1, WU Nan1, LI Tianqi1, GUO Wei2

(1.College of Metallurgy and Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China;2.China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd, Xi′an 710032, China)

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000123

TG453+.9

A

1005-5053(2017)05-0035-06

国家自然科学基金(51574192)；国家自然科学基金(51274161)；国家自然科学基金(U1360105)；国家自然科学基金 (51404180)

王文(1985—)，男，博士，主要从事有色金属的搅拌摩擦焊接和搅拌摩擦加工研究，(E-mail)282361936@qq.com。

2016-07-11；

2016-10-20