摘要:針對T2紫銅與H62黃銅異種材料進行了攪拌摩擦焊工藝研究.通過實驗分析了不同板厚的紫銅和黃銅在各種工藝參數下的焊縫成形、接頭微觀組織及接頭力學性能,并從微觀角度分析了兩種材料在接頭中的分布情況及交界處的物相成分.實驗表明,合適的焊接工藝參數可以獲得組織、性能優(yōu)良的紫銅-黃銅接頭,接頭交界處存在過渡帶,寬度約為1～ 10μm的過渡物質.研究還發(fā)現接頭顯微硬度、平均抗拉強度介于黃銅與紫銅之間.

關鍵詞:攪拌摩擦焊;異種金屬;紫銅;黃銅;焊接參數

中圖分類號: TG453　　文獻標識碼: A

現代工業(yè)中,往往需要將不同性能的材料焊接成復合零部件,以期達到既能滿足各種性能要求,又可節(jié)約貴重材料,降低成本的目的.但由于異種金屬之間性能上的差別比較大,組合多樣,對其接頭的要求又各不相同,所以異種金屬通常要比焊接同種金屬困難得多.

攪拌摩擦焊(friction stir welding,簡稱FSW)是一種利用摩擦熱作為熱源的焊接方法,也稱為固相焊接技術.該方法自問世以來,受到了國內外研究者的廣泛關注,已成功應用于鋁合金的焊接.并逐步向焊接鎂合金、銅合金、鈦合金及不銹鋼等材料方面拓展[1～ 6] .對于攪拌摩擦焊焊接異種金屬的研究,目前報道還較少[7] .本文主要針對T2紫銅與H62黃銅異種金屬進行了FSW工藝試驗,對影響紫銅-黃銅接頭質量的工藝參數及在焊接過程中形成的物相成分作了研究,并對焊縫組織形態(tài)及接頭的力學性能進行了分析.

1.實驗方法

試驗分別選用2 mm厚T2紫銅與H62黃銅和4 mm厚T2紫銅與H62黃銅作為實驗材料.在SW-3LM-015專用攪拌摩擦焊機上,對紫銅-黃銅板進行FSW實驗.實驗時,采用適合焊接銅合金的摩擦頭,攪拌針長度相對所焊板厚度短0.2 mm～0.3 mm,方向相對于工件表面垂線的夾角為2°,并通過改變工藝參數,以獲得***佳的接頭成形和質量.焊接完成后,沿垂直于焊縫方向切割所需試樣.制作好的金相試樣采用氯化高鐵鹽酸酒精溶液腐蝕(10 g的FeCl3、6 ml的HCl、40 ml的H2O、60 ml的C2H5OH),腐蝕時采用先對紫銅側進行腐蝕,再對黃銅側腐蝕的方法.腐蝕后分別采用大型光學顯微鏡MEF3和ADVANCE 8D X射線衍射進行組織、交界區(qū)物相成分分析,并對接頭進行了顯微硬度和力學性能測試.

2.實驗結果及分析

2.1工藝參數對焊縫表面成形的影響

攪拌摩擦焊過程中,由于前進側溫度低于返回側,且紫銅的導熱系數及熔點溫度高于黃銅,故在焊接時大多將黃銅放置在前進側,而將紫銅放置在返回側.實驗所采用的部分焊接工藝參數如表1所示.表1紫銅與黃銅異種材料攪拌摩擦焊焊接工藝參數。

圖1是2 mm厚的T2紫銅與H62黃銅在不同工藝條件下進行攪拌摩擦焊接時焊接表面成形情況.圖上側為前進側-黃銅,下側為返回側-紫銅.從圖1c、d中可看出當工件較薄時,對表面成形影響較大的是摩擦頭的旋轉速度.當旋轉速度為700 r/min時,焊速選擇范圍比較大,這樣焊接速度雖然提高,但焊縫表面成形開始變差,這是因為旋轉速度的提高大大增加了焊縫單位長度上的熱輸入量,使材料流動性能變差.增加熱量的另一個方式是增大摩擦頭的軸肩壓力,由于板較薄,軸肩摩擦產生的熱量起著主要作用.在相同的旋轉速度下,軸肩壓力大小對熱量的貢獻不同,圖1a和圖1b是在旋轉速度保持不變,改變焊接速度時得到的表面成形圖,由于圖1b摩擦頭下壓量大,產熱量大,導致表面成形環(huán)出現大小不均勻現象.

2.2接頭微觀組織及交界處物相分析

圖2是4 mm厚的紫銅與H62黃銅FSW接頭橫剖面形貌圖,圖右側為前進側-黃銅,左側為返回側-紫銅.從圖中可看出,紫銅與黃銅的混合主要發(fā)生在焊核區(qū),兩者互相流動到彼此區(qū)域.在焊核區(qū)中有一洋蔥環(huán)狀結構如圖中A表示[8],此區(qū)域內主要成分是黃銅,紫銅只是少量摻雜在其間.混合區(qū)內大

部分區(qū)域兩者都是大面積塊狀突出連接在一起.右側黃銅(前進側)在攪拌過程中發(fā)生轉移的材料主要是在軸肩直徑范圍內和攪拌針中部,在軸肩的帶動下前進側的塑性金屬覆蓋在返回側金屬表面,而左側紫銅(返回側)在軸肩及攪拌針的旋轉帶動下越過焊核中心而移動到前進側,靠近軸肩的材料能夠到達前進側熱機械影響區(qū).焊核區(qū)的金屬由于發(fā)生強烈的塑性剪切變形和流動,相互攪拌、混合[9,10],金屬在這個區(qū)域內的流動實際上是圍繞攪拌針按一定規(guī)律轉移移動的,***終形成圖中A處的洋蔥環(huán)結構.從圖中紫銅流動情況分析可知,前進側材料的流動分三種情況:一是靠近攪拌針端部金屬從下向上向前流動;二是攪拌針中部出現洋蔥環(huán)流動,但在前進側,這種流動與端部流動方向一致;三是洋蔥環(huán)流動形態(tài)上出現塑性渦流現象.出現在前進側處的紫銅B是從攪拌針端部向上向前流動的,而不是從紫銅相同高度繞攪拌針后側移動過來的.類似的情況也出現在薄板T2/H62接頭中,由于厚度小,兩種材料成斜面連接在一起,且在焊核區(qū)出現部分紫銅完全混合在黃銅中.

圖3是相對于圖2不同部位的顯微組織圖.由圖可知接頭中各個區(qū)域內晶粒大小及形狀不同,并且由于存在混合區(qū),使接頭中的情況更為復雜.圖3a為紫銅母材區(qū),與同種紫銅焊接時不同的是靠近黃銅區(qū)的紫銅晶粒明顯增大,如圖3b、3d.這是因為摩擦頭兩側的熱傳導系數不同,由于紫銅溫度高,導熱系數好,大量的熱從紫銅一側傳遞出去,而靠近黃銅側的紫銅由于處在焊核區(qū),兩側導熱慢,導致這個區(qū)域高溫停留時間長,從而使這個區(qū)域的紫銅晶粒長大.而黃銅側也因為輸入熱量太高,晶粒長大為粗大的等軸晶.在焊核區(qū),由于兩種材料不是均勻混合,紫銅混合稍均勻的區(qū)域晶粒形狀明顯增大,而在單一區(qū)域內紫銅晶粒明顯大于黃銅,黃銅晶粒呈細小均勻分布,如圖3c.圖3f為前進側黃銅熱機械影響區(qū)的微觀組織,相對返回側,此區(qū)域分界明顯,分界線兩側由大小差別明顯的晶粒組成.對宏觀圖進行分析,發(fā)現焊核區(qū)兩側的分界線基本關于焊核區(qū)對稱,這是由黃銅的熔點溫度低所致.在紫銅與黃銅呈塊狀連接交界處發(fā)生了互相滲透,但滲透區(qū)極窄.T2/H62接頭中,紫銅側晶粒雖然在焊接過程中發(fā)生了動態(tài)再結晶與動態(tài)回復,但與黃銅側相比,其晶粒大小變化并不明顯.另一方面,在異種金屬焊接接頭中,兩種材料交界處的連接情況對接頭力學性能起著重要作用.根據接頭宏觀圖可知兩種材料連接形式大部分是由具有明顯分界線的區(qū)域組成,只有極少數的混合區(qū).從圖4中的接頭可以看出交界處存在不同于兩種材料的物相,寬度約在10μm左右,沿交界線呈帶狀分布.圖3a中交界處出現黑色相滲入白色相的現象,這表明兩種材料主要還是通過金屬鍵連接在一起.采用ADVANCE 8D X射線衍射對其交界處進行物相分析,如圖5所示.通過分析發(fā)現接頭中除了母材紫銅、黃銅外,還出現一種金屬化合物Cu5Zn8.

2.3接頭力學性能分析

圖6是T2/H62接頭橫剖面上沿紫銅向黃銅方向每隔一定距離測得的顯微硬度值分布圖,圖6a是板厚為4 mm,旋轉速度為600 r/min時得到的接頭硬度值分布.實驗中紫銅母材的平均硬度值為95HV,黃銅母材的平均硬度值為160HV,整個曲線分布呈現為低(紫銅)—在較低范圍內波動升高(黃銅)降低升高的趨勢.由于黃銅母材的硬度比紫銅的高,因此在從紫銅向黃銅過渡帶顯微硬度明顯上升.整個接頭出現軟化現象,與紫銅相比,黃銅硬度值下降幅度更大,下降了40～ 60HV,而紫銅硬度只下降了10～ 20HV.圖6b是焊接工藝對接頭顯微硬度值的影響,從圖中可以看出,旋轉速度為450 r/min、焊接速度為80 mm/min時的接頭顯微硬度值要高于旋轉速度更高、焊接速度更大時的接頭,這種現象在黃銅側表現尤其明顯,而在紫銅側顯微硬度差別不大.這與兩者的熔點及導熱系數有關,由于黃銅熔點低,在較高溫度下要比紫銅更容易軟化,所以黃銅硬度下降幅度比紫銅的大.由于被焊板材比較薄,摩擦頭旋轉速度對焊縫熱量的貢獻比較大,因此旋轉速度高產生的熱量多,對接頭影響大,軟化現象嚴重.而在焊核區(qū)硬度值上升,這與此區(qū)域內大量均勻細小的晶粒有關.由于T2/H62交界線很窄,在圖中基本沒有測出這個區(qū)域內金屬化合物Cu5Zn8的硬度峰值.雖然在物相分析中發(fā)現了金屬化合物,但由于其含量較少,對接頭的力學性能影響較小.從試樣斷口可以看出斷裂并不是純粹從兩種材料交界處斷裂,而是在焊核區(qū)偏向紫銅側斷裂,斷口內出現了黃銅與紫銅混合夾層,接頭在斷裂前現了明顯的頸縮,屬于韌性斷裂.在板厚為2 mm的接頭拉伸實驗中,斷裂大都發(fā)生在紫銅側,而不是其交界處.

圖7為板厚2 mm的紫銅與黃銅在不同工藝參數下焊接獲得的焊縫在延伸率及抗拉強度方面的對比,從圖中可以看出接頭平均抗拉強度基本與紫銅接頭的平均抗拉強度相等.當摩擦頭轉速為600 r/min,焊速為55 mm/min時,接頭延伸率***大,抗拉強度在不同旋轉速度與焊接速度的搭配下也能達到***大值.但從整體上看,旋轉速度保持在450～ 600r/min之間能得到合格的接頭,所得到的接頭延伸率和抗拉強度值都較為理想.旋轉速度增加到700r/min時,由于旋轉速度的增加提高了接頭熱輸入量,造成焊接速度選擇范圍變窄,當焊接速度選擇不當時,其接頭延伸率、抗拉強度大幅下降,從而增大了控制焊接質量的困難程度.

3.結論

1)選用恰當的焊接工藝參數,能實現紫銅-黃銅異種金屬的攪拌摩擦焊連接,且接頭的組織、性能優(yōu)良.

2)由于紫銅與黃銅物理性能上的不同,焊接后紫銅-黃銅接頭內紫銅與黃銅晶粒大小差異較大,焊核區(qū)內黃銅晶粒細化,紫銅晶粒則出現一定程度的長大.接頭內紫銅與黃銅兩者之間存在過渡物質,X射線衍射分析為Cu5Zn8,過渡帶寬度約為1～ 10μm.

3)焊接后接頭顯微硬度出現了不同程度的軟化,黃銅側軟化幅度要大于紫銅側.接頭斷裂在偏向紫銅側發(fā)生,接頭的平均抗拉強度介于黃銅與紫銅抗拉強度之間.

來源：中國知網   作者：王希靖