喬 柯， 王快社， 王 文， 吳 楠， 李天麒， 郭 韡

(1.西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院，西安 710055；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，西安 710032)

轉(zhuǎn)速對(duì)鋁銅層狀復(fù)合板攪拌摩擦焊接接頭組織性能的影響

喬 柯1， 王快社1， 王 文1， 吳 楠1， 李天麒1， 郭 韡2

(1.西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院，西安 710055；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，西安 710032)

采用攪拌摩擦焊接(FSW)對(duì)鋁銅層狀復(fù)合板進(jìn)行焊接，研究轉(zhuǎn)速對(duì)焊接接頭組織性能的影響。結(jié)果表明：FSW接頭在焊縫區(qū)域內(nèi)鋁銅金屬呈層狀分布；隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增大，焊核區(qū)(NZ)中鋁與銅晶粒尺寸增大；轉(zhuǎn)速為1180 r/min時(shí)，鋁層焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度為33.0 HV，超過母材顯微硬度，抗拉強(qiáng)度為127.21 MPa；轉(zhuǎn)速為750 r/min時(shí)，銅層焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度為99.7 HV，達(dá)到母材顯微硬度的82.05%；孔洞缺陷是造成接頭力學(xué)性能較低的主要原因。

攪拌摩擦焊接；鋁銅層狀復(fù)合板；轉(zhuǎn)速；微觀組織；力學(xué)性能

鋁銅復(fù)合板具有銅的導(dǎo)電、導(dǎo)熱率高、接觸電阻低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有鋁的質(zhì)量輕、耐腐蝕、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于電子、電器、電力、冶金設(shè)備、汽車、機(jī)械、能源以及生活用品等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。在層狀復(fù)合板的加工和使用過程中，焊接是一項(xiàng)必不可少的工藝環(huán)節(jié)。目前層狀復(fù)合板常采用雙面，多次熔化焊接[1-3]，但存在諸多問題，如：焊接接頭性能較低，焊接前需要雙面打坡口，使用異種焊絲等，焊接工藝復(fù)雜，易產(chǎn)生裂紋，晶粒粗大，抗腐蝕性差等。

攪拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是一種新穎而有潛力的固相焊接技術(shù)，由英國焊接研究所(the welding institute，TWI)于1991年研發(fā)并應(yīng)用[4]。FSW時(shí)，待焊接材料將發(fā)生劇烈的塑性變形，有助于細(xì)化焊接接頭組織并使其均勻化[5-10]。焊接過程中焊接溫度較低，焊縫幾乎無熱變形，組織粗化的傾向降低，焊接接頭的強(qiáng)度和韌性均得到提高[6]。FSW已成功地應(yīng)用于鋁合金、銅合金、鎂合金、復(fù)合材料同種及異種金屬材料的焊接，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。

目前，鋁銅異種金屬FSW成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題之一。鋁銅異種金屬的FSW包括對(duì)接焊與搭接焊。Bhattacharya等[11]對(duì)AA6063鋁和C-10300銅進(jìn)行FSW點(diǎn)焊，結(jié)果表明：當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率為800 r/min，焊接速率為20 mm/min時(shí)金屬塑性流動(dòng)性最好，焊接接頭具有較高力學(xué)性能。Abdollah-Zadeh等[12]對(duì)1060鋁和純銅異種材料進(jìn)行FSW搭接焊，結(jié)果表明：當(dāng)焊接速率較高或旋轉(zhuǎn)速率較低時(shí)，焊接接頭成型性較差，調(diào)節(jié)焊接參數(shù)可以減少金屬間化合物的數(shù)量。Liu等[13]對(duì)T2銅和5A06鋁FSW研究表明：在焊接速率為150 mm/min，旋轉(zhuǎn)速率為950 r/min時(shí)焊接區(qū)域成型性較好，不存在鋁銅金屬間化合物，接頭的抗拉強(qiáng)度為296 MPa。Akinlabi 等[14]對(duì)FSW鋁銅異種材料焊接接頭腐蝕性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在焊接速率為300 mm/min、旋轉(zhuǎn)速率為950 r/min時(shí)焊接頭的耐蝕性最好。董豐波[15]對(duì)FSW鋁銅異種金屬的研究表明：對(duì)接焊時(shí)，轉(zhuǎn)速為1050 r/min，焊接速率為40～50 mm/min所獲接頭成型質(zhì)量良好，接頭抗拉強(qiáng)度為236 MPa；搭接焊時(shí)，銅置于上層可獲得成型良好的接頭，鋁置于上層則易產(chǎn)生孔洞與隧道缺陷。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋁銅異種材料FSW接頭的組織性能開展了大量研究，分析了工藝參數(shù)對(duì)FSW鋁銅異種材料成型性及力學(xué)性能的影響。搭接焊和對(duì)接焊都是將鋁銅異種金屬進(jìn)行連接，焊合區(qū)易產(chǎn)生鋁銅金屬間化合物以及孔洞、裂紋等焊接缺陷。而對(duì)鋁銅復(fù)合板進(jìn)行FSW是為了實(shí)現(xiàn)鋁銅同種金屬結(jié)合，減少鋁銅金屬間化合物的產(chǎn)生，提高焊合區(qū)的結(jié)合強(qiáng)度。本研究主要目的是探索旋轉(zhuǎn)速率對(duì)FSW鋁銅層狀復(fù)合板焊接接頭的影響，以期提高鋁銅復(fù)合板連接性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

選用70.0 mm×60.0 mm×2.0 mm鋁銅層狀復(fù)合板進(jìn)行FSW實(shí)驗(yàn)，鋁銅厚度比為1∶1。鋁層材料為1060工業(yè)純鋁，銅層材料為T2純銅。鋁銅復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度為251.13 MPa，伸長(zhǎng)率為9.28%，鋁、銅層的顯微硬度分別為32.8 HV和121.6 HV。FSW實(shí)驗(yàn)在改造的X5032型立式升降臺(tái)銑床上進(jìn)行，攪拌頭軸肩直徑為14 mm，圓柱形攪拌針長(zhǎng)度為1.8 mm，直徑為3.4 mm，攪拌頭材料選用W18Cr4V高速鋼，壓下量為0.2 mm。實(shí)驗(yàn)采用的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速率分別為750 r/min，950 r/min和1180 r/min，焊接速率恒定為47.5 mm/min。利用PLOVER-MET型光學(xué)顯微鏡對(duì)表面形貌進(jìn)行照相。利用401MVD型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭橫截面顯微硬度，鋁層硬度測(cè)試選取在距離上表面0.5 mm處，銅層硬度測(cè)試為距離上表面1.75 mm處。采用WDW-100D型拉伸機(jī)進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，拉伸速率為0.05 mm/min。利用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡觀察接頭拉伸斷口表面形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微觀組織

焊接接頭的橫截面形貌主要由焊核區(qū)(NZ)、軸肩影響區(qū)(SAZ)、熱機(jī)械影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)以及母材(BM)組成。圖1為不同轉(zhuǎn)速下焊接接頭的宏觀組織形貌，鋁銅復(fù)合板雙金屬呈層狀分布，同時(shí)FSW接頭的NZ，TMAZ以及HAZ也呈層狀分布，又因FSW時(shí)焊縫塑性流動(dòng)金屬主要沿?cái)嚢栳樳M(jìn)行垂直方向流動(dòng)，NZ中原有鋁銅界面發(fā)生向下遷移。在旋轉(zhuǎn)速率為750 r/min和950 r/min時(shí)(圖1(a)～(b))，焊接熱輸入量不足，有明顯的孔洞缺陷，并且焊合區(qū)鋁銅金屬分布不均勻。隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速增大至1180 r/min時(shí)(圖1(c))，攪拌針破碎作用變強(qiáng)，鋁銅金屬均勻分布在焊合區(qū)。

圖2所示為鋁、銅BM的顯微組織，鋁銅復(fù)合板的BM為典型軋制組織，晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，部分晶粒破碎。BM晶粒粗大，鋁層沿軋制方向的平均晶粒尺寸約為28 μm，銅層沿軋制方向的平均晶粒尺寸約為20 μm。

圖3所示為不同轉(zhuǎn)速下FSW接頭鋁層NZ微觀組織形貌。由圖可見，鋁層NZ為等軸狀的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，銅顆粒夾雜分布在鋁基體上。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速較低時(shí)(圖3(a)～(b))，銅顆粒夾雜的數(shù)量較多，分布不均勻，多呈長(zhǎng)條形，夾雜顆粒平均尺寸約為2～3 μm；隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速增大，攪拌針破碎作用變強(qiáng)，使得分布在鋁層中的銅顆粒尺寸減少、分布均勻(圖3 (c))；轉(zhuǎn)速越大，焊接熱輸入量增大，鋁層晶粒尺寸變大。

圖4為不同轉(zhuǎn)速下FSW接頭銅層NZ微觀組織形貌。接頭銅層NZ中均無鋁顆粒的分布，銅晶粒都為等軸的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織。隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速增大，熱輸入量增大導(dǎo)致銅的晶粒尺寸增大。

2.2力學(xué)性能分析

2.2.1 顯微硬度分析

圖5為FSW接頭橫截面鋁層和銅層的顯微硬度分布。不同轉(zhuǎn)速下的鋁層NZ顯微硬度變化不明顯(圖5(a))，平均顯微硬度為33.0 HV，略高于母材(32.8 HV)。在FSW時(shí)，鋁層顯微硬度受兩個(gè)方面的影響：第一，再結(jié)晶導(dǎo)致的晶粒細(xì)化(如圖3)，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用；第二，鋁銅復(fù)合板為軋制板材，再結(jié)晶軟化導(dǎo)致強(qiáng)度降低，且細(xì)晶強(qiáng)化作用比再結(jié)晶軟化作用略強(qiáng)，導(dǎo)致硬度值FSW鋁層的平均顯微硬度略高于母材。

如圖5(b)所示，F(xiàn)SW后銅層NZ顯微硬度降低，隨著轉(zhuǎn)速增大，銅層NZ顯微硬度減小。晶粒尺寸增大(圖4)說明再結(jié)晶軟化效應(yīng)增強(qiáng)，使得焊接中心附近硬度值降低。攪拌頭轉(zhuǎn)速為750 r/min時(shí)，銅層接頭軟化程度最小，在焊縫中心附近接頭區(qū)域平均顯微硬度為99.7 HV，達(dá)到母材顯微硬度82.05%。轉(zhuǎn)速為1180 r/min時(shí)銅層橫截面的顯微硬度大致呈“W”型分布，而在轉(zhuǎn)速為750 r/min和950 r/min時(shí)，銅橫截面的顯微硬度無明顯的“W”型分布(圖5(b))。這是因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速為750 r/min和950 r/min時(shí)，焊接熱輸入量小，使得HAZ范圍變小，并且銅和底部墊板接觸，熱量散失較多，晶粒尺寸增大較慢(圖4)，再結(jié)晶軟化效應(yīng)較小，因而，隨著轉(zhuǎn)速的升高，焊接熱輸入量增大，硬度下降點(diǎn)向距離焊縫中心較遠(yuǎn)地方移動(dòng)，因而明顯的“W”型分布。而NZ區(qū)域的晶粒細(xì)化程度比TMAZ大，細(xì)晶強(qiáng)化作用使得NZ區(qū)域硬度值高于TMAZ區(qū)域硬度值。

2.2.2 拉伸性能和斷口形貌分析

拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，焊接接頭抗拉強(qiáng)度由750 r/min時(shí)的74.10 MPa增大到1180 r/min時(shí)的127.21 MPa；伸長(zhǎng)率則由2.8%增大到4.96%(圖6)。如圖7(a)所示，鋁銅復(fù)合板FSW接頭拉伸斷裂位置位于焊縫TMAZ，說明TMAZ為焊接接頭性能的薄弱區(qū)域，這與圖5中硬度測(cè)試結(jié)果相符。在TMAZ接頭斷口位置有一定的“頸縮”，表明試樣在斷裂之前發(fā)生了一定的塑性變形，材料表現(xiàn)出一定的韌性斷裂特征。轉(zhuǎn)速為750 r/min時(shí)，焊接熱輸入量較低，焊縫金屬未能達(dá)到充分的熱塑性狀態(tài)，金屬流動(dòng)性較差，焊縫處產(chǎn)生了孔洞缺陷(圖7(b))，接頭力學(xué)性能較低。隨轉(zhuǎn)速增大至950 r/min時(shí)，摩擦熱相應(yīng)增多，焊縫金屬的熱塑性流動(dòng)層逐漸增大，焊接缺陷減少，抗拉強(qiáng)度提高至124.91 MPa。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高至1180 r/min時(shí)，熱輸入量增大促使焊縫中心溫度升高，材料的塑性流動(dòng)增強(qiáng)，但孔洞未能完全消失(圖8)，故與轉(zhuǎn)速為950 r/min的抗拉強(qiáng)度相比，通過增加轉(zhuǎn)速來改善焊縫的塑性流動(dòng)性并未明顯提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)鋁銅層狀復(fù)合板FSW接頭在焊縫區(qū)域內(nèi)鋁銅金屬呈層狀分布。隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增大，NZ鋁與銅晶粒尺寸增大。

(2)轉(zhuǎn)速對(duì)FSW接頭鋁層顯微硬度的影響較小，但對(duì)銅層NZ顯微硬度的影響較顯著。攪拌頭轉(zhuǎn)速為1180 r/min時(shí)，鋁層接頭區(qū)域的平均顯微硬度略高于母材硬度達(dá)到33.0 HV。轉(zhuǎn)速為750 r/min時(shí)，銅層焊縫中心區(qū)域平均顯微硬度為99.7 HV，為母材顯微硬度的82.05%。隨著轉(zhuǎn)速增大，銅層NZ顯微硬度值逐漸減小。

(3)鋁銅層狀復(fù)合板FSW接頭的抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率隨攪拌頭轉(zhuǎn)速的增大而增大，轉(zhuǎn)速為1180 r/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到127.21 MPa，伸長(zhǎng)率為4.96%，孔洞缺陷是造成接頭力學(xué)性能較低的主要原因。

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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

(責(zé)任編輯：張 崢)

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

國家自然科學(xué)基金(51574192)；國家自然科學(xué)基金(51274161)；國家自然科學(xué)基金(U1360105)；國家自然科學(xué)基金 (51404180)

王文(1985—)，男，博士，主要從事有色金屬的攪拌摩擦焊接和攪拌摩擦加工研究，(E-mail)282361936@qq.com。

2016-07-11；

2016-10-20