唐龍飛，馬鐵軍，李文亞，張 勇，王 剛

（1.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西西安710072；2.陜西省摩擦焊接工程技術(shù)重點實驗室，陜西西安710072）

T2純銅線性摩擦焊接研究

唐龍飛1，2，馬鐵軍1，2，李文亞1，2，張 勇1，2，王 剛1，2

（1.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西西安710072；2.陜西省摩擦焊接工程技術(shù)重點實驗室，陜西西安710072）

采用不同摩擦壓力進(jìn)行T2純銅線性摩擦焊接工藝試驗。接頭組織性能測試發(fā)現(xiàn)，焊縫為經(jīng)歷了再結(jié)晶的細(xì)小晶粒，局部存在漩渦狀流線、未焊合孔洞及夾雜缺陷，熱力影響區(qū)僅發(fā)生回復(fù)，與母材組織接近，焊縫及熱力影響區(qū)整體較寬；當(dāng)摩擦壓力提高到50 MPa及70 MPa時，抗拉強(qiáng)度接近母材平均值。分析表明，T2純銅塑性好、導(dǎo)熱快，焊接過程接頭易形成較寬的軟化區(qū)，使界面金屬塑性流動變差，導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生，應(yīng)考慮提高熱輸入速度予以改善。

T2純銅；線性摩擦焊；熱輸入速度

0 前言

銅及銅合金以其優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性及耐磨性等廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。特別是在電力、電子、能源及交通等領(lǐng)域，銅及銅復(fù)合構(gòu)件的焊接除要求接頭達(dá)到一定強(qiáng)度，還希望焊合面對導(dǎo)電性的影響越小越好[1]。采用固相焊接，如擴(kuò)散焊、摩擦焊等[2-3]進(jìn)行銅構(gòu)件的連接，可有效避免熔化焊[4]在焊縫中極易出現(xiàn)的氣孔、夾雜及裂紋等缺陷，且焊接過程中不添加任何焊材，成為解決焊合面導(dǎo)電性難題的首選。

線性摩擦焊作為一種新型固相焊接方法，以其諸多技術(shù)優(yōu)勢成為航空發(fā)動機(jī)整體葉盤焊接制造與修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)[5]，由于可實現(xiàn)非軸對稱復(fù)雜截面構(gòu)件的固相連接，關(guān)橋院士美譽(yù)其為“塊體組焊固相增材制造技術(shù)”[6]，必將在工業(yè)領(lǐng)域及其他重要構(gòu)件的制造中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本研究針對T2純銅進(jìn)行線性摩擦焊及相關(guān)初步試驗，探索銅構(gòu)件的新型焊接方法。

1 試驗材料及方法

試驗選用的T2純銅母材微觀組織如圖1所示，主要為較大尺寸的等軸晶粒，并可見數(shù)量較多的典型孿晶（箭頭所示）。焊接試樣及焊接過程示意見圖2，試樣尺寸12 mm（寬）×22 mm（高）×50 mm（長），焊接面12 mm×22 mm。

圖1 T2純銅母材組織

圖2 焊接試樣及焊接過程示意

焊接試驗采用西北工業(yè)大學(xué)自制的XMH-160型線性摩擦焊機(jī)，焊接參數(shù)如表1所示。

表1 線性摩擦焊試驗工藝參數(shù)

將焊后試樣按圖3所示，采用電火花線切割金相試樣及拉伸試樣。沿垂直于焊接界面、平行于振動方向的平面將接頭切成不同厚度的兩部分。在其中一部分上，垂直于焊縫向兩側(cè)各15 mm切取1塊金相試樣，另一部分用作切割拉伸試樣。加工時保證金相試樣和拉伸試樣的中心線位于焊縫處。

金相試樣同時用于顯微組織觀察和顯微硬度測試。打磨、拋光后用酒精清洗金相樣表面，采用FeCl325 g+HCl 25 ml+H2O 100 ml腐蝕液進(jìn)行腐蝕。采用OLYMPUS PMG3型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行接頭組織觀察。采用Struers Duramin-A300型顯微硬度試驗機(jī)測試接頭顯微硬度，沿垂直于焊縫方向每隔100 mm進(jìn)行測量，載荷200 g，保壓時間15 s。

圖3 試樣加工示

依據(jù)GB/T228.1-2002加工接頭拉伸試樣，拉伸試驗在SHIMADZUAG-X島津電子萬能試驗機(jī)上完成，拉伸速率1 mm/min。之后采用TESCAN MIRA3 XMU掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 接頭組織特征

由于不同焊接參數(shù)下接頭的組織特征基本相似，因此僅給出摩擦壓力為50 MPa下的接頭剖面典型位置金相照片，如圖4所示。

圖4 接頭剖面金相照片

由圖4可知，接頭組織大致可分為焊縫區(qū)（WZ）、熱力影響區(qū)（TMAZ）及母材（BM）三個區(qū)域。圖中約1 mm寬度的深色區(qū)域為WZ，從局部放大照片中可看到該區(qū)域為經(jīng)歷了再結(jié)晶的等軸細(xì)小晶粒，接頭原始界面未完全消失；焊縫上下寬約5 mm的區(qū)域為TMAZ，其組織與母材接近，部分晶粒可見明顯變形特征，尤其是近縫區(qū)晶粒沿著摩擦方向被顯著拉長。放大照片中，TMAZ與WZ無明顯界線。

另外，從焊縫局部放大圖（見圖5）中還可看出，焊縫部分區(qū)域存在明顯的漩渦狀流線（A區(qū)域）、未焊合孔洞（B區(qū)域）及夾雜（C區(qū)域）缺陷。

比較可知，T2純銅接頭組織與鋼、高溫合金及鈦合金等[7-9]線性摩擦焊接頭組織具有很大的差異。以TC4鈦合金為例[9]，其焊縫為一條腐蝕抗力很高的白色亮線，寬度約為100～200 μm，由于形成極其細(xì)小等軸晶粒，其與TMAZ具有明顯的界線；熱力影響區(qū)僅發(fā)生少量再結(jié)晶，主要為原始晶粒變形特征，寬度也較窄。另外，接頭焊合面很難見到孔洞及夾雜缺陷。

T2純銅形成與TC4鈦合金等線性摩擦焊接頭明顯差異的原因主要為：

鈦合金熱導(dǎo)率低，焊接過程中焊縫與周圍金屬形成很高的溫度梯度，當(dāng)焊接界面很小的范圍被摩擦加熱軟化時，附近區(qū)域仍具有很高的強(qiáng)度，促使界面軟化金屬塑性流動，并被擠出界面形成飛邊，同時帶走大部分熱量。整個焊接過程界面塑性金屬的形成和擠出呈典型的周期性特征，使得WZ和TMAZ十分狹窄；WZ形成一定的熱平衡，熱力耦合作用使該區(qū)域發(fā)生充分動態(tài)再結(jié)晶形成超細(xì)晶組織，而TMAZ溫度較低，僅在摩擦和剪切力的作用下表現(xiàn)出原始母材的變形特征，并與焊縫形成明顯界線。上述界面塑性金屬的周期性變化過程同時是一個“氧化物自清理”過程[10]，因此很難見到界面缺陷。

T2純銅熱導(dǎo)率很高，且在低溫下就具有良好的塑性，短暫的線性摩擦過程即可使焊接界面附近較寬的區(qū)域被迅速加熱并發(fā)生明顯軟化，因此接頭TMAZ很寬。它對界面附近熱塑金屬的擠壓與剪切作用下降，不利于界面金屬塑性流動形成飛邊，焊接過程的大部分熱量保留在接頭較大寬度范圍內(nèi)的軟化區(qū)，該區(qū)域組織形態(tài)與母材非常接近，因此TMAZ很可能僅發(fā)生了一定程度的動態(tài)回復(fù)，而T2純銅層錯能較低，WZ則在熱力耦合作用下發(fā)生較大程度的再結(jié)晶，由于溫度梯度較小且均為等軸晶，因此WZ與TMAZ并無明顯界線。

T2純銅在50 MPa和70 MPa摩擦壓力下焊接時，其值與鈦合金及鋼等材料的焊接參數(shù)相當(dāng)，但存在明顯未焊合孔洞及夾雜缺陷，原因如下：

如式（1）所示[9]，焊接熱輸入與摩擦壓力、振動頻率、振幅呈正比例線性關(guān)系

式中 PI為焊接熱輸入；μ為平均摩擦因數(shù)；f為振動頻率；α為振幅；P為摩擦壓力。

由式（1）可知，增加摩擦壓力、振動頻率、振幅均可以提高焊接熱輸入。從接頭特征可看出，50 MPa和70 MPa摩擦壓力兩組參數(shù)都滿足T2純銅焊接過程的熱量要求，但由于其導(dǎo)熱很快，接頭形成很大范圍的軟化區(qū)，不利于界面金屬的塑性流動而呈漩渦狀流線，難以獲得像鈦合金等材料在線性摩擦焊過程伴隨的氧化物自清理過程，從而在焊接界面易形成未焊合孔洞和夾雜缺陷。

因此，對于熱導(dǎo)率較高的銅等材料的線性摩擦焊接，不僅要考慮焊接熱輸入的大小，還應(yīng)考慮熱輸入的速度。比如，通過選用較高的振動頻率，既保證一定的熱輸入要求又可提高熱輸入速度，使焊接過程在界面與周圍金屬形成一定的溫度梯度，促進(jìn)界面金屬的塑性流動，從而降低甚至消除缺陷的產(chǎn)生。

2.2 接頭顯微硬度

對上述接頭進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果如圖6所示。可以看出，焊縫處的硬度值遠(yuǎn)高于TMAZ和BM，主要原因是發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒明顯細(xì)化，且在較高的剪切力和壓力作用下，晶粒內(nèi)部具有很高的位錯密度。這種組織與靜態(tài)再結(jié)晶組織相比有較高的強(qiáng)度和硬度。TMAZ的硬度值則與BM相近，部分區(qū)域硬度值低于BM，這是由于T2純銅的線性摩擦焊過程未出現(xiàn)類似于鈦合金焊接中明顯的周期性過程，飛邊形成很少，熱量積累在焊縫周圍形成軟化的TMAZ。

2.3 接頭拉伸性能

對每組參數(shù)下焊接的接頭分別制作3個拉伸試樣（排除肉眼缺陷制樣）進(jìn)行試驗。由于每組中3個試驗結(jié)果非常接近，因此，從各組中分別選取1個試驗結(jié)果繪制T2純銅不同摩擦壓力下接頭的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖7所示。摩擦壓力為35 MPa時，抗拉強(qiáng)度僅為85 MPa，且在較小的應(yīng)變下就發(fā)生斷裂，原因是焊接熱輸入偏低，整個焊縫僅為弱連接；采用較大摩擦壓力（50 MPa、70 MPa）焊接時，接頭拉伸試樣抗拉強(qiáng)度接近母材平均值（215 MPa）。說明當(dāng)選用較高的摩擦壓力焊接時，一定程度上滿足了T2純銅的線性摩擦焊熱輸入要求。

圖6 焊接接頭顯微硬度

圖7 不同焊接壓力下焊接接頭拉伸性能

另外，由圖7可知，50 MPa時試樣的抗拉強(qiáng)度大于70 MPa時的抗拉強(qiáng)度，說明對于焊接塑性好、熱導(dǎo)快的銅等有色金屬時，當(dāng)摩擦壓力增加到一定程度，單一提高摩擦壓力不能明顯改善接頭力學(xué)性能甚至可能導(dǎo)致其下降，這時可通過提高振動頻率等措施在保證熱輸入大小的同時加快熱輸入速度，使接頭軟化區(qū)寬度大幅下降，促進(jìn)焊縫金屬塑性流動，消除缺陷，從而獲得高質(zhì)量接頭。

拉伸后試樣外觀形貌如圖8所示。在摩擦壓力為35 MPa時，斷裂發(fā)生在焊縫處，斷口整齊、無明顯頸縮，表明該參數(shù)下的接頭質(zhì)量較差；當(dāng)摩擦壓力為50 MPa和70 MPa時，斷口遠(yuǎn)離焊縫，基于上述分析可知，在焊縫兩側(cè)具有很寬的軟化區(qū)，由于銅導(dǎo)熱非常快，很可能在TMAZ之外還有力學(xué)性能較低的純軟化區(qū)——熱影響區(qū)（HAZ）。

圖8 拉伸后試樣外觀形貌

2.4 接頭拉伸斷口形貌

為研究接頭拉伸試樣的斷裂機(jī)理，對斷裂發(fā)生在焊縫位置的35 MPa焊接試樣進(jìn)行斷口分析，斷口形貌如圖9所示。

圖9 拉伸斷口典型區(qū)域

從斷口中兩個典型區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，裂紋區(qū)存在大小不一深淺各異的凹坑，且有明顯的裂紋，裂紋極易從此處擴(kuò)展；準(zhǔn)解理區(qū)存在少量

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Study on linear friction welding of pure copper T2

TANG Longfei1，2，MA Tiejun1，2，LI Wenya1，2，ZHANG Yong1，2，WANG Gang1，2
（1.State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；
2.Key Laboratory of Friction Welding Engineering Technology of Shaanxi Province，Xi’an 710072，China）

Linear friction welding(LFW)of pure copper T2 was carried out under different friction pressures，and the microstructure and properties of the joints were investigated.The weld zone(WZ)consists of fine grains from recrystallization，and local defects such as swirling flow，non-welded hole and particle inclusions.The microstructure of thermo-mechanically affected zone(TMAZ)is similar to the base metal just experiencing recovery.In addition，the WZ and TMAZ cover a much wider range.The tensile strength of the joints under friction pressures of 50 MPa and 70 MPa are approximately comparable to that of the base metal.The analysis shows that the joint is inclined to form a wide softening zone due to the good plasticity and high thermal conductivity of pure copper during LFW，leading to a poor plastic metal flow and following by defects on the friction interface.A suggestion that heat input rate should be increased during LFW of T2 is given.

pure copper T2；linear friction welding；heat input rate

TG457.13

A

1001－2303（2017）05－0008-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.02

2017-03-02

國家自然科學(xué)基金（51675435）；凝固技術(shù)國家重點實驗室自主課題（122-QZ-2015）

唐龍飛（1993—），男，陜西寶雞人，在讀碩士，主要從線性摩擦焊相關(guān)研究工作。E-mail：1458605420@qq. com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：唐龍飛，馬鐵軍，李文亞，等.T2純銅線性摩擦焊接研究[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：8-11，15.