22-铜合金搅拌摩擦焊研究

母材 图 6 焊核与母材强化相对比 Fig.6 Strengthening phase in stir zone and base metal
经过搅拌摩擦过程，母材中的强化相变得更加 细小均匀，如图 6 所示。Fe-Ni 析出相尺寸从母材 中的 10-30nm 减小到焊缝中的 5-10nm， 而且分布更 加均匀，没有明显的聚集现象，弥散强化钉扎作用 更显著。 2.2 力学性能 2.2.1 显微硬度 焊接接头显微硬度分布如图 8 所示。
图 5 焊核位错含量 Fig.5 TEM of stir zone
由于铜具有较低的层错能，回复过程非常缓 慢，因此当基体受到大的应力或变形时会发生不连 续的动态再结晶。在搅拌摩擦过程中产生密集的位 错，这些位错主要集中在晶界处，如图 5 所示，位 错堆积形成新的晶界，从而形成新的晶粒，由于位 错堆积的密集，因此新晶粒细小。随着搅拌摩擦过 程的进行，位错继续产生并在晶界处继续堆积，形 成新的细小的晶粒，直到旧晶粒完全转化为细小的 晶粒。由于该过程存在明显的形核和长大过程，因 此被称为不连续动态再结晶。再结晶晶粒细小长大 过程缓慢，一方面尽管搅拌摩擦使材料不断的经历 应力和变形，但是大部分转化成了位错，使得位错 密度不断上升，因此削弱了晶粒长大的驱动能。另 一方面在旧晶界形成的新晶粒钉扎晶界阻止了旧晶 粒的长大。
(a)厚度方向
(b)水平方向
图 7 焊缝显微硬度分布 Fig.7 Microhardness of joints
焊缝厚度方向硬度比较均匀，没有明显的软化 区，硬度大小在 110-115HV 之间。顶锻区硬度和焊 核区硬度差别不大，印证了铜合金层错能较小，发 生动态再结晶时晶粒较难长大。 焊缝水平方向上硬度从焊核区到母材区逐渐降 低，其中焊核硬度最高位 115HV，母材硬度最低， 平均硬度为 79HV。这与接头组织结构有密切联系。 焊核组织晶粒经历动态再结晶晶粒细小，强化相经 过搅拌摩擦后分布均匀，弥散效果更好，钉扎作用 增强，根据霍尔佩奇定律和弥散强化理论，显微硬 度应该得到较大提升。 2.2.2 拉伸性能 接头拉伸性能如表 4 所示.
焊接试验在型号 HT-JM40×250 搅拌摩擦焊机 上进行，搅拌头为光面圆锥形，搅拌针长 4.5mm， 轴肩宽度为 12mm。 焊前用砂纸打磨试板焊接表面，并用酒精清洗 以去除油污，然后将两板放在工作台上，保证焊接 面两板间隙小于 0.3mm，之后用夹具固定好，调整 好转轴的旋转速度和工作台的行走速度后，调整搅 拌头轴肩的下压量，停留时间为 30s，之后使搅拌 头沿着焊接方向以一定的速度向前移动，完成焊接 过程。焊接工艺参数为旋转速度 1000rpm，焊接速 度为 200mm/min。 焊后沿焊缝横截面切断分别制作金相、拉伸试 样。制作好的金相试样采用氯化高铁盐酸酒精溶液 (FeCl3 5 g、HCl 2 mL、C2 H50H 95 mL)腐蚀后用光 学显微镜观察显微组织；从焊缝横截面试样上切取 厚度 0.5mm 薄片 , 研磨到约 120 μ m, 冲制出直径 3mm 圆片,精磨到厚度为 50μm。以 3%高氯酸酒 精为电解液,在-20° C 条件下，双喷电解得到穿孔薄 膜试样，电解电压 75V，氩离子减薄 60 分钟。试 样制好之后，在 JEM-2100 透射电镜下对制备的试 样进行观测。 用 VMH-I04 型维氏硬度计分别在接头的水平 方向和垂直方向进行维氏硬度测量，得到搅拌摩擦 焊接头在两个方向上的硬度分布规律。拉伸试验在 INSTRON5982 电子万能拉伸机上进行。
（a）焊核
（b） 顶锻
2 试验结果及分析
2.1 显微组织 搅拌摩擦焊的宏观形貌如图 2 所示.
（c）热机影响区 (d) 热影响区
图 4 焊缝显微组织金相形貌 Fig.4 Microstructure of joint
焊核区由均匀细小的等轴晶粒组成，其晶粒尺
寸比母材、热影响区及热机影响区晶粒细小的多， 如图 4a。由于焊核区金属发生强烈的塑性变形和流 动, 相互搅拌, 发生动态再结晶等过程, 因此可以 明显看到焊合区晶粒比母材晶粒细小。焊核顶部的 顶锻区在搅拌针的搅拌作用和轴肩的顶锻摩擦作用 下， 晶粒尺寸有些增大的迹象,如图 4b。 热机影响区 同时受到摩擦热与搅拌针作用的影响，晶粒也是等 轴晶，尺寸与焊核区相比较要稍微大一点但与热影 响区的晶粒相比， 此区域晶粒细小的多,如图 4c。热 影响区仅受到摩擦热的作用，其晶粒大小与热机影 响区有明显的区别。热影响区晶粒大小不一致，是 由于该区域晶粒受热程度不同导致晶粒长大程度不 同，如图 4d。
图 8 拉伸断裂试样 Fig.8 Tensile fracture specimen
从表 4 可以看出，接头抗拉强度为 348MPa， 与母材相当， 断裂位置位于焊缝焊核区如图 8 所示， 断裂位置显示出良好的塑韧性。但是屈服强度为 220PMa，远高于母材的 185MPa，这是由于焊缝组 织经历动态再结晶之后晶粒细化，强化相搅拌之后 弥散分布，组织抵抗外力变形能力得到提高，因此 屈服强度提高，而接头抗拉强度与母材相当是由于 搅拌摩擦焊焊缝位置存在 0.3mm 的减薄量， 因此接 头整体的抗拉强度有所降低。但是接头塑性相比于 母材下降较大，由于焊缝为细晶强化和弥散强化共 同作用，细晶强化可以提高塑性而弥散强化降低塑 性，从拉伸结果来看，弥散强化降低焊缝塑性的作 用大于细晶强化的提高作用。
0 序 言*
目前 , 已有的对铜及铜合金搅拌摩擦焊接头的 搅拌摩擦焊是上世纪由英国发明的一种新型固 相连接技术，与传统焊接方法相比，它具有固相连 接，焊接变形小，焊缝质量高，生产成本低和绿色 无污染等优点［1-3］ 。它的出现为焊接铝、铜合金 等有色金属提供了一种新的工艺方法。 铜及铜合金广泛应用于国防、 机械制造、 电气、 化学和石化等诸多工业领域 , 在我国有色金属的消 费中仅次于铝。鉴于铜及铜合金在工业中的广泛应 用,其连接的技术、效率和质量等成为铜及铜合金应 用的问题之一。传统的熔化焊在焊接铜及铜合金时 通常较为困难，这主要是因为铜具有的优良的导热 性能， 大约是普通钢和镍基合金的 10 到 100 倍。 因 此相比较与其他合金，焊接铜及铜合金时需要更大 的热输入量和更慢的焊接速度[4-6]。这就容易造成 熔化焊接时容易出现母材难于熔合、焊不透和表面 成形差等外观缺陷，焊接速度过快由于铜及铜合金 导热速度快，容易形成气孔、热裂纹等缺陷。另外, 填充材料中杂质元素的掺入也会使接头的导电性及 耐蚀性下降；铜及铜合金的线性膨胀系数和收缩率 比较大,焊后残余应力会导致工件的严重变形。上述 问题在很大程度上限制了铜及铜合金应用的深度和 广度 , 因此寻求更好的铜及铜合金的连接技术是焊 接领域研究的热点之一。为了解决这些问题，固相 连接的搅拌摩擦焊技术被应用于铜合金的焊接。 抗拉 350
船用铜合金搅拌摩擦焊研究
高福洋，郁炎，蒋鹏，刘志颖
(中国船舶重工集团公司第七二五研究所，洛阳 471000 ) 摘 要：针对典型的船用铜合金开展了搅拌摩擦焊试验研究，通过金相显微镜、投射电子显微镜和能谱分析观察研究了 焊缝的组织形貌，通过显微硬度、拉伸性能试验测试了接头的力学性能。结果表明，采用搅拌摩擦焊可以得到性能良好 的船用铜合金焊缝。 接头焊核区由均匀细小的等轴晶粒组成， 顶锻区、 热机影响区等轴晶由于摩擦热作用晶粒有所增大， 热影响区晶粒受热长大。焊核晶粒发生动态再结晶，得到细晶强化，同时强化相细小分布均匀，实现了弥散强化。焊缝 厚度方向硬度比较均匀，没有明显的软化区，水平方向硬度从焊核到母材逐渐降低。接头拉伸强度与母材相当，屈服强 度高于母材。 关键词：船用铜合金；搅拌摩擦焊；显微组织；力学性能 中图分类号：TG146.1.1; TG401 文献标识码：A 文章编号：0253 360X(2010)00 0000 00
Fig.2 Surface morphology of the FSW B10 joints 去除飞边后焊缝正面如图2所示，焊缝正面宽 12mm，未看到未填充等表面缺陷，焊缝表面光滑细 腻。焊缝背面焊合平整，未出现未熔合等缺陷。对 焊接接头进行射线探伤，探伤结果显示，焊缝内部 不存在沟槽和孔洞等焊接缺陷， 焊缝内部质量良好。 结果表明搅拌摩擦焊焊接对于铜合金 B10 的焊 接具有良好的焊接工艺适应性，可以得到表面成形 和内部质量良好的焊缝。 TMAZ BM HAZ UZ NZ TMAZ HAZ BM
收稿日期： 2016-1-13 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1404502)
研究较少，而且主要集中纯铜上［4-7］ ，大多数的 研究集中在铝铜异种材料连接上［8-10］ 。对于铜合 金搅拌摩擦焊的微观组织与力学性能研究较少。本 文主要对典型船用铜合金 B10 进行了搅拌摩擦焊研 究。通过对铜合金 B10 的搅拌摩擦焊接头组织、力 学性能进行分析研究，从微观结构方面分析了接头 的机械性能和焊缝组织间的关系，揭示了搅拌摩擦 焊的强化机理。
表 4 接头拉伸性能 Table 4 Tensile property of joints
Rp0.2(MPa) 221 220
焊缝
Rm(MPa) 349 348
Fault location 25.0 24.0
[2] [3] [4] [5]
Dawes C., Thomas W. Friction stir welding[C].TWI Bulletin 6, November/December 1995, 124. Mishra R.S., Ma Z.Y. Friction stir welding and processing [J]. Materials Science and Engineering R 2005, 50: 1–78. Lee W.B, Jung S.B. The joint properties of copper by friction stir welding [J], Materials Letters 2004, 58: 1041–1046. Hwang Y.M., Fan P.L., Lin C.H. Experimental study on Friction Stir Welding of copper metals [J], Journal of Materials Processing Technology, 2010, 12: 1667–1672.