旋转速度与焊接速度对铝铜异种材料搅拌摩擦焊接头成形的影响

（江苏城乡建设职业学院 公用事业学院，江苏 常州 213000）

铝因其具有密度低、强度高以及易加工的优点，被广泛应用在各个工业领域[1—2]。紫铜具有良好的导电性、电热性能和耐腐蚀性能，在通讯电缆、集成电路、交通运输等领域发挥了巨大的作用[3—4]。为了有效发挥铝铜各自的优良性能，工业生产过程中采用铝铜复合结构，既能满足功能需求，又能降低成本。由于铝铜的物理化学性能差异较大，难以获得性能良好的焊缝。搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）作为一种高质量、低成本的焊接技术，与传统焊接技术相比，能够有效避免一些裂纹、气孔以及烧损等焊接缺陷[5—7]。

近几年，国内外专家对铝铜异种金属FSW 进行了大量研究。张秋征等[8]对紫铜进行退火处理，并研究了搅拌针偏移量对焊接接头力学性能的影响。郑博等[9]指出了焊接速度为100 mm/min 和300 mm/min时，铝铜焊接接头强度较好，并通过添加铜箔，能够使抗拉强度达到87.5 MPa。赵鹏程等[10]为了增加热输入，通过在铜侧引入外加热源的方法实现铝铜FSW的连接，实验结果表明，外加热源的加入减少了铝铜金属间化合物的生成，提高了焊接接头力学性能。Sahu P K 等[11]测试了转速和偏移量对焊缝力学性能和微观组织的影响，焊缝的最大抗拉强度能够达到铝基合金的95%，焊缝区晶粒尺寸随工艺参数的变化而变化。M.Akbari 等[12]指出铝铜不同的搭接方式对焊接过程中热输入影响较大，进而对焊缝的缺陷形成有很大的影响。以上研究主要集中在对焊接工艺的改进以及焊缝力学性能和微观组织的检测，对不同的旋转速度和焊接速度下纯铝和紫铜的搅拌摩擦焊接头成形规律的影响研究较少。文中以4 mm 厚的纯铝和紫铜为研究对象，通过改变旋转速度和焊接速度，研究分析纯铝和紫铜异种金属焊接接头表面和内部成形规律，为FSW 技术在铝铜异种金属焊接上的应用提供支持。

1 FSW 工艺设计

FSW 工艺设计如图1 所示，主要包含搅拌头、轴肩、搅拌针和母材。焊接过程中，考虑到纯铝的硬度较低，搅拌针设置偏铝侧。同时由于紫铜的塑性流动性较好，将紫铜置于焊接方向的后退侧，纯铝放置在焊接的前进侧，以便紫铜在搅拌头的作用下回流到前进侧。FSW 焊接过程中，FSW 焊接工艺示意图如图1 所示[13—15]。

图1 FSW 焊接工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of FSW welding process

2 实验

2.1 材料

选择4 mm 厚的1060 纯铝板和紫铜（T2）作为母材。母材的化学成分如表1 和表2 所示。

表1 1060 纯铝主要化学成分Tab.1 Chemical composition of 1060 pure aluminum

表2 紫铜的主要化学成分Tab.2 Chemical composition of red copper

2.2 方法

选择FSW-3LM-002 型搅拌摩擦焊机，通过自带的控制面板设置焊接工艺参数，这里焊接旋转速度范围为1100～1300 r/min，焊接速度控制在10～15 mm/min之间，焊接过程中偏铝侧0.6 mm，搅拌针直径和倾角分别为Φ6 mm 和2.5°，设置0.14 mm 的轴肩下压量，焊前对1060 纯铝和紫铜的表面进行打磨，去掉表面氧化膜，直至露出金属光泽[10]。焊接过程中，通过改变旋转速度和焊接速度，分析纯铝和紫铜异种金属焊接接头表面和内部成形规律，具体焊接参数设置见表3。

表3 Al/Cu 异种材料搅拌摩擦焊接工艺参数Tab.3 Process parameters of Al/Cu dissimilar material friction stir welding

3 结果与讨论

3.1 表面成形

图2 为不同焊接工艺下的焊接接头表面成形。从图2a 可以看出，在焊缝表面靠近铝侧处有孔洞出现，但是飞边较少，这是由于在焊接过程中，焊缝前进侧部分母材向前移动，出现孔洞，焊缝后退侧材料向后流动过程中未能及时填充孔洞，从而导致焊缝表面的孔洞缺陷，这与旋转速度过低有关。旋转速度提高到1200 r/min 时，焊缝成形得到明显改善，如图2b 所示，可以看出焊缝表面光滑，无虫孔和沟槽的出现，出现少量的飞边；进一步增加转速至1300 r/min，焊缝表面出现沟槽（见图2c），这是因为在大转速的作用下，焊接热输入相对增加，搅拌头粘铝现象严重；与图2c 相比，图2d 中焊缝表面出现了明显的沟槽缺陷，这是由于焊接速度增加至15 mm/min 时，造成焊接热输入不足，母材的塑性流动性变差，沟槽部位未能及时补充大量材料，同时未能使两种母材充分的塑性融合。此外，与高的热输入相比（见图2c），低输入下的焊缝表面相对光滑（见图2a），因此控制好热输入的大小是获得高质量焊缝的关键因素。

图2 不同工艺参数下Al/Cu 异种金属FSW 焊缝表面成形Fig.2 FSW weld surface forming of Al/Cu dissimilar metal under different process parameters

3.2 焊接接头形貌分析

根据图1 铝铜异种金属焊缝内部形成的热影响区、热力影响区和焊核区，选择焊缝宏观成形较好的图2b 进行焊缝内部形貌分析，得到如图3 所示的Al/Cu 焊接接头不同区域形貌。母材材料表现为明显的轧制组织（见图3a 和图3b），其中Cu 内部存在孪晶组织（见图3b）。图3c 可以看出焊核底部Al 和Cu充分混合，呈现一定的均匀分布，这是由于在搅拌针高速旋转下，Cu 颗粒和片层结构与Al 充分接触，均匀分布在焊核中，细晶粒的数量变多，焊核区的强度和韧性得到不同程度的提高，因此搅拌摩擦焊旋转速度对Al/Cu 异种金属的焊缝质量起到关键作用。此外，由于部分Cu 颗粒和片层结构与Al 混合不均，在焊核区还存在明显的相互交叠的片层结构（见图 3e）和相互交叠形成的漩涡状结构（见图3f），表现出明显的异种材料搅拌摩擦焊的特征。图3d 为Cu 侧热影响区，可以看出，在Cu 侧含有部分Al 元素，这是由于与Cu 元素活动性相比，Al 具有较高的原子活动性，从而在Cu 侧进行了比较充分的扩散，表现为Cu 基体靠近焊核区域分布了部分Al元素。

图3 Al/Cu 焊接接头不同区域形貌分析Fig.3 Morphology analysis of Al/Cu welded joint in different regions

3.3 焊接接头SEM 分析

为了进一步分析旋转速度和焊接速度对焊缝成形规律的影响，对图2b 的焊缝中铜铝界面处和焊核区进行SEM 分析，如图4 所示。从图4a 可以看出，界面处铝铜混合在一起，分析认为搅拌针从铜母材上剥离了大量的铜颗粒和层片，在摩擦热输入下，铜与铝进行塑性流动，铝元素活动性较强，对铜母材有一定的渗透，并形成一定的铝铜复合结构，与图3a 相对应。相比于Al/Cu 界面处（见图4a），焊核中Al/Cu混合更加均匀（见图4b），表明在此焊接热输入下，搅拌针搅拌作用和轴肩的摩擦使铜颗粒和铜层能够与铝发生剧烈混合，形成均匀分布的混合结构，图4b 未见明显的焊接缺陷。结合图2b 可知，在合适的焊接参数下，不仅能够获得较好的焊缝形貌，同时能够减少焊缝内部缺陷。

图4 Al/Cu 母材焊接接头组织Fig.4 Structure of Al/Cu base metal welded joint

4 结论

1）搅拌摩擦焊能够实现纯铝板与紫铜异种金属的连接，通过焊接参数的调整，能够获得宏观形貌成形较好、焊缝内部缺陷较少的焊缝。

2）焊缝宏观形貌显示，在旋转速度为1200 r/min，焊接速度为10 mm/min 时，焊缝表面无明显的焊接缺陷，焊接旋转速度和焊接速度变化影响焊接热输入大小从而影响焊缝的成形质量。

3）焊接接头微观组织表明，旋转速度为1200 r/min，焊接速度为10 mm/min 时，焊核底部Cu 颗粒和片层结构均匀分布在Al 中，同时焊核中存在相互交叠的片层结构和漩涡状结构，无明显的焊缝内部缺陷。此外，Al 具有较高的原子活动性，表现为Cu 基体靠近焊核区域分布了部分Al 元素。