铝_铜搅拌摩擦焊搭接焊缝共晶组织形成与抑制

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1、铝—铜搅拌摩擦焊搭接焊缝共晶组织形成与抑制吴小伟1，沈以赴1，李博1，周冠男1，姚磊1，胡伟叶2(1．南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京210016;2．中国航天科工集团南京晨光厂工艺研究所，南京210012)摘要:采用搅拌摩擦焊技术成功焊接了铝—铜异种金属搭接接头，研究了铝—铜FSW焊缝界面宏观形貌、组织行为特征及其与焊接热输入变化的相关性，揭示出铝—铜FSW焊缝界面行为演变的基本规律．结果表明，在相应的焊接工艺参数下，单位时间、单位焊缝长度的热输入越大，铝—铜界面越容易发生共晶反应，生成Al-CuAl2共晶体组

2、织，直接影响焊接宏观接头抗剪力学性能，而随着热输入的减小，共晶反应程度及范围减小;也就是说，热输入的减少可明显抑制共晶反应的发生．关键词:异种金属;搅拌摩擦焊搭接;热输入;共晶反应中图分类号:TG115．28文献标识码:A文章编号:0253－360X(2014)01－0087－040序言铝、铜及其合金具有优良的物理性能和良好的加工成形性，铝—铜异种金属焊接件在不同工程应用领域发挥着特殊的结构及功能性作用［1，2］．但铝、铜的化学成分、物理性能差别较大(特别是熔点相差423℃，线膨胀系数相差40%以上)，铝—铜熔化焊的焊缝

3、区易形成多种脆性金属间化合物，相关工艺也比同种金属复杂得多，传统的焊接方法很难得到优质的铝—铜接头．然而，搅拌摩擦焊(frictionstirwelding，FSW)固相连接技术在铝—铜异种金属的焊接研究及应用方面提供了新的思路［3］．目前，国内外对铝—铜FSW的研究主要集中在焊接工艺优化、接头组织性能及焊核区异质材料的流动行为等方面［4－7］，较少研究并揭示FSW焊缝铝—铜界面演变行为、铝—铜中间相形成机制与特征，及其与工艺参数的相关性，以对调控宏观焊缝成形及提高接头性能提供理论支撑．特别针对铝—铜FSW焊缝金属间化合

4、物的形成问题，借助固态连接机制不产生新的铝—铜中间相，尤其是防止共晶!相的生成;但国外也有文献表明［8，9］，铝—铜FSW工艺过程中不可避免地在焊核区的铝—铜界面附近形成脆性金属间化合物．针对上述问题，文中重点研究铝—铜FSW焊缝界面组织行为特征及其与焊接热收稿日期:2012－09－21基金项目:南京航空航天大学博士学位论文创新与创优基金(BCXJ12－09);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目输入变化的相关性，通过调整FSW不同的旋转频率/焊接速度的匹配值，分析焊核区铝—铜界面的组织响应及宏观接头的抗剪力学性能，

5、揭示出铝—铜FSW焊缝界面行为演变的基本规律，为控制焊缝组织特征提供理论指导．1试验方法FSW试验母材选用2mm厚度6061-T6铝合金(0．15Cu-0．6Si-0．7Fe-0．15Mn-0．9Mg-0．25Zn-0．04Cr-0．15Ti，质量分数，%)和T2工业纯铜薄板，铝合金、铜板材规格均为200mm×120mm×2mm．搅拌头材料为H13钢，经回火热处理后硬度达52Pa;搅拌头轴肩形貌为内凹型，轴肩直径24mm，搅拌针为无螺纹圆台形，针根部直径8mm、顶部直径6mm、针长3．4mm．试验将铜板置于铝板的上方进行

6、搭接成形，铜板直接紧密接触搅拌头轴肩并摩擦产热．FSW试验采用的工艺参数如下:搅拌头旋转频率n为600～1400r/min，焊接速度v为15～65mm/min，轴肩下压量d为0．2mm．沿垂直于FSW焊缝表面的横截面方向取样，按标准工序对试样进行金相制备、研磨、抛光及腐蚀处理，用于腐蚀铝合金一侧的为混合酸Keller试剂(氢氟酸∶盐酸∶硝酸∶水=2∶3∶5∶190)，腐蚀紫铜一侧金相的为混合酸试剂(醋酸∶硝酸∶丙酮=3∶2∶3);采用XＲD分析铝—铜界面结合层的相组成，通过光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察焊缝的

7、宏观形貌、微观组织形貌;按搭接接头抗剪拉伸力学性能测试标准取样，进行室温抗剪切力学性能测试．2试验结果与分析2．1焊接工艺窗口及焊核区典型宏观形貌在FSW工艺试验前期，可通过对比观察焊缝的宏观成形性选取可行工艺参数匹配，并建立相应的工艺参数窗口，如图1所示．可见，当焊接速度v过大时，单位时间内铝、铜异质金属无法进行充分的塑性流动及位置迁移，而搅拌针在高速行进过程中，会在其后侧产生瞬时的“空腔”，若焊核区材料不能够完全塑化补给至该“空腔”内，即会产生隧道、孔洞、沟槽等缺陷．而当焊接速度一定时，较高的搅拌头旋转频率会增加材料

8、的塑化程度和上下侧异质金属的迁移率，有利于在焊缝冷却时避免孔洞类及弱连接缺陷，但同时也提高了FSW焊接热输入．图1优异焊接工艺参数及其表面形貌Fig.1Excellentweldingprocessparametersandmacromorphologyofsurface图2为铝—铜FSW接头焊核区横截面宏观形貌，由