铜合金与不锈钢搅拌摩擦焊搭接接头组织与性能

0 序 言

铜及铜合金具有良好的导电性、导热性以及抗磁性等优点，钢具有较强的耐蚀性、耐热性以及高强度等特点，在航空航天、冶金和电子等工业制造中常常会利用钢与铜的连接件. 但由于铜和钢在物理和力学性能等方面存在巨大差异，用传统的焊接方法，容易在接头中产生应力集中，导致焊接裂纹，难以得到性能良好的连接.

搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是一种新型固态连接方法，它能对多种熔化焊接性能差的金属进行可靠的连接. 由于焊接过程在低于材料熔点温度下进行，因此可以有效避免熔化焊的一些缺陷. 目前国内外学者对异种材料的搅拌摩擦焊研究，主要集中在铜–铝、镁–铝、钢–铝和镁–钢异种材料的焊接[1-6]，对铜–钢的搅拌摩擦焊研究较少. 邢丽等人[7]采用搅拌摩擦焊焊接了4 mm厚的Q235低碳钢和T2紫铜板，并对接头的显微组织进行了分析；黄春平和刘鸽平等人[8-9]成功进行了10 mm厚的低碳钢板与铜板的焊接，研究了焊接速度、搅拌头转速、焊接方向、搅拌针螺纹旋向和偏移量对焊接接头的影响，并对焊接接头缺陷进行了分析；付万云等人[10]利用搅拌摩擦搭接焊技术对制备铜–钢复合板进行了探索；贺地求等人[11]对4 mm厚的紫铜和1 mm厚的不锈钢板进行了搅拌摩擦焊，分析了搭接接头的显微组织；Imani等人[12]研究了焊接速度和搅拌头转速对铜–钢搅拌摩擦焊接头的影响；Ramirez等人[13]研究了搅拌头偏移量对不锈钢和铜搅拌摩擦焊接接头成形质量的影响.

文中研究Cr-Cu合金与304不锈钢板之间的搅拌摩擦搭接焊，分析搭接焊道的显微组织、物相成分及显微硬度，为Cr-Cu合金表面进一步强化制备过渡层.

1 试验方法

试验材料为40 mm厚的连铸结晶器用Cr-Cu合金，1 mm厚的304不锈钢板，304不锈钢的化学成分如表1所示. 用自制的搅拌头和焊接夹具，在搅拌摩擦焊试验机上进行试验. 搅拌头用高温合金制成，轴肩直径为18 mm，搅拌针为直径6 mm带右旋螺纹的锥形销，针长4.5 mm，其化学成分如表2所示.

表 1 304不锈钢化学成分(质量分数，%)

Table 1 Chemical compositions of 304 stainless steel

C Si Mn Cr Ni Fe≤0.08 ≤1.00 ≤2.00 18 9 余量

表 2 搅拌头化学成分(质量分数，%)

Table 2 Chemical compositions of stir head

Fe Cr Ti Al Mo Nb C Ni 18.4 19.7 1.04 0.64 3.0 5.17 0.33 余量

搅拌焊接速度为750 mm/min，搅拌头转速为1 000 r/min，搅拌头倾角2.5°，下压量0.2 mm. 图1显示了搅拌摩擦搭接焊焊道. 焊后沿垂直于焊接方向截取试样，经金相砂纸打磨和抛光机抛光，用王水溶液腐蚀. 采用Axiovert- 200 MAT型光学显微镜和S4800型场发射扫描电子显微镜及EMAX能谱仪(EDS)观察搭接焊道的显微组织，D/Max-2500/PC型X射线衍射仪(XRD)分析搭接焊道的物相结构，FM-ARS 9000型显微硬度计(载荷为200 gf≈1.961 33 N，加载时间为15 s)测定搭接焊道的显微硬度，在Insekt100 Table型微机控制电子万能试验机上采用位移控制，加载速率1 mm/min，测试样品结合处抗剪力学性能.

例3 (温州中考卷)如图8，已知一个直角三角板的直角顶点与原点重合，另两个顶点A，B的坐标分别为现将该三角板向右平移使点A与点O重合得到△OCB′，则点B的对应点B′的坐标是( ).

图 1 不锈钢-铜搅拌摩擦搭接焊焊道形貌

Fig. 1 Appearance of friction stir lap welding seam of Cu-SS

2 试验结果与讨论

2.1 搭接焊道的显微组织

图2为304不锈钢与铜合金搅拌摩擦搭接焊道横截面组织形貌及不同特征区域的微观组织，可以看出接头内部组织良好无缺陷. 从搭接焊道横截面可以看出，置于底部的铜与顶部的不锈钢在搅拌针的作用下形成了洋葱环结构. 在搅拌头的旋转、摩擦及轴肩的挤压作用下，搭接焊道处的温度升高，不锈钢与铜达到了塑性流动的状态，在搅拌头的旋转及挤压作用下铜向上运动，与置于上部的不锈钢形成了不锈钢–铜条状结构.

阿诺德的思想与文化理念必将为我国的文化发展带来美好与光明。他的思想在当时受到各界批评和质疑。“文化传教士”“文化预言者”等这些带有讽刺性口吻的称号始终陪伴着他。但令很多批评者大跌眼镜的是，他的很多预言随后居然能够成为现实，人们记住的是他所代表的文化理念，而当年那些“对手”却随着历史的流逝变得悄无声息，这正好从侧面印证了他思想的价值所在。在经历了100多年时间的洗礼后，他的思想更是在新世纪焕发了新的容颜。正如他在《文化》中第1章使用的标题那样，给世界留下的是实实在在的“美好与光明”。阿诺德的文化理念为一代又一代人提供美好与光明。

图 2 304不锈钢-铜焊道的显微组织

Fig. 2 Microstructures of Cu-SS welding seam

从搅拌头后退侧、前进侧和焊道底部(热力影响区)的显微组织可以看出，与后退侧相比，前进侧、热力影响区与焊核区之间的分界更为明显；在焊核区边缘热力影响区的晶粒沿着塑性流动方向被拉长[14]. 通常认为在焊核区边缘的晶粒不会发生再结晶，但其经历了高温和塑性变形的共同作用，组织发生了剧烈变形，有高密度的亚晶界出现. 在焊核区，置于上部的不锈钢搅入铜基体中，形成了典型的洋葱环结构，如后退侧、焊核区底部、带状组织显微形貌所示. 在焊核区的条状结构中，白色主要为铜，黑色主要为不锈钢，这种充分混合的结构对搭接焊道的性能具有重要的影响.

从搭接焊道横截面中还可以观察到明显的轴肩影响区. 文中采用的右旋螺纹搅拌针附近的金属材料受到两种作用力：流动金属与螺纹表面之间的摩擦力T；搅拌头旋转并向前运动时产生的垂直于螺纹表面的压力P. 在摩擦搅拌过程中，在摩擦力T和压力P的共同作用下，搅拌针附近的金属随轴肩旋转向上作螺旋形运动，当与轴肩接触时，在轴肩的挤压作用下向外流动[15-16].

图3和表3为搭接焊道局部条状结构的高倍SEM形貌及EDS分析结果.图3a为条状结构的高倍SEM形貌，图3b, c, d分别为图3a中位置1 ～ 3的EDS分析结果. 结果表明，在焊核区的条状结构中，白色组织为铜基体，黑色组织是铜与不锈钢混合组织. 在位置1处，几乎全部为铜元素. 位置2处为厚度约6 μm的黑色带状组织，附近还有少量极窄的白色带状组织，其Cu：Ni原子比约为4:1，推测其为NiCu4.

图 3 条状结构SEM及EDS分析

Fig. 3 SEM and EDS analysis of layered structure

表 3 图3中各位置的EDS结果

Table 3 EDS analysis results of spots pointed in Fig. 3a

位置化学成分(原子分数，%)CrK FeK NiK CuK 1 0 0 0 100 2 0.25 3.96 22.4 73.39 3 0.21 1.17 4.82 93.8

2.2 物相分析

图 4 304不锈钢与铜合金搭接接头的XRD图谱

Fig. 4 XRD diffraction pattern of Cu-SS lap joint

图4为不锈钢–铜合金摩擦搅拌搭接焊道的XRD分析结果. 由图4可见，搭接焊道中主要由α-Cu、奥氏体γ-Fe-Cr-Ni及铜镍金属间化合物NiCu4组成. 搅拌摩擦焊是一种固相连接，在焊接过程中搅拌区热输入量较大，如采用较低的焊接速度，搅拌区温度较高，在搅拌区将形成新的金属间化合物. Sahin等人[17]在304不锈钢与铜的摩擦焊接头的研究中发现有金属间化合物FeCu4生成，在其它文献中也显示出铜与其它金属搅拌摩擦焊接头也均有金属间化合物生成[1, 4].

4.2 水分：播前底水必须用开水，而且要足，播种后覆土，马上盖地膜，以保持较高土温。苗床用水应事先予热或对热水，使水温达到25℃左右后使用，而且浇水也应选在晴天的早晨，苗床浇水切忌大水漫灌，浇水后更要加强通风，使苗床空气湿度控制在70%以下，保证幼苗的叶片早晨不结露。在灌水后遇阴雨天，可在露水下去后向苗床撒些草木灰或细干土吸湿，同时也防止土壤排湿。

2.3 硬度分析

图5为304不锈钢与铜合金摩擦搅拌搭接焊道的硬度分布曲线. 可以看出，焊核区硬度明显高于基体硬度；同时还发现在焊核区的中部和底部，出现了硬度值突增的现象，最高值分别为275.1和245.15 HV，这远远高于铜和不锈钢基体的硬度. 这种远高于基体硬度值是由金属间化合物NiCu4的出现造成的. 典型的搅拌摩擦焊道为勺形，即上部焊核区宽，底部焊核区窄. 在硬度曲线中发现上部高硬度值区域较宽，而底部最窄. 观察焊核区到基体间的区域，可发现前进侧的硬度曲线变化更为平缓，其平均硬度114.02 HV，高于后退侧平均硬度107.97 HV. 这是由于前进侧的组织较后退侧组织更为均匀，如图2中搭接焊道横截面所示. 搅拌区的硬度变化主要受晶粒尺寸变化的影响，在搅拌焊接过程中，焊核区发生再结晶，晶粒得到细化，使硬度值升高[18-20].

图 5 304不锈钢与铜合金焊接接头的硬度分布

Fig. 5 Hardness distribution of Cu-SS lap joint

2.4 搭接接头抗剪性能分析

图6为304不锈钢与铜合金FSW搭接接头抗剪性能测试试件，参考文献[15]制作剪切试件，尺寸如图6a所示，结果从焊核区完全断裂，其宏观断裂形貌如图6b所示，接头断裂处塑性变形较大，断面的内部有毛刺，外边缘呈环形的山脊状，且高低不平. 由于焊核区内的铜合金与不锈钢在搅拌针的搅拌和行走过程中受到充分的机械混合，形成条带状形貌机械混合区域；此外焊接过程中，焊核区发生动态再结晶，微观组织晶粒细化，导致焊核区产生细晶强化，致使二者粘结牢固. 经分析试验结果得到接头最大断裂载荷为4.45 kN，计算得Cr-Cu合金与304不锈钢FSW搭接接头最大抗剪强度为178 MPa，为母材强度的66%.

图 6 抗剪性能测试试件

Fig. 6 Specimen for shear tensile test

3 结 论

(1) 采用搅拌摩擦搭接焊方法实现了304不锈钢与Cr-Cu铜合金的焊接，搭接焊道表面成形良好、无内部缺陷；在焊核区形成了不锈钢–铜的洋葱环结构，在焊核区前进侧不锈钢–铜的条状结构更加均匀.

(2) 在薄的条状结构中形成了金属间化合物NiCu4，这导致在焊核区304不锈钢–铜界面上硬度值明显上升，最高值为275.1 HV.

(3) 搭接焊道焊核区的硬度值明显高于铜基体，且焊核区前进侧的平均硬度值114.02 HV高于后退侧的平均硬度值107.97 HV.

(4) 接头最大断裂载荷为4.45 kN，计算得Cr-Cu合金与304不锈钢FSW搭接接头最大抗剪强度为178 MPa，为母材强度的66%.

听到巡库员在喊叫：“快快，上北坝，库面见水了。”迟恒心一惊，转身也往北坝跑，追上七、八台装得满满、“突突”吼着跑在坝面水泥路上的拖拉机，车灯映过的库面，已是一片汪洋，再涨三十来公分就平了坝顶。

加强领退料的管理，控制材料的用量.一是要严格按照施工图纸编制材料使用计划；二是要严格按照工程进度实行限额领料制度；三是要加强工程现场管理，做到合理堆放，减少搬运，充分利用废旧材料，并防止材料被盗情况发生，确保工完场清，减少材料损失；四是完工后及时做好工程决算，认真核对甲供材料使用量，及时回收周转材料，对决算退料灵活处理，防止出现材料一经退回即成废品积压在仓库的现象.

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