鋁-銅異種金屬攪拌摩擦焊接頭組織及性能研究.pdf

1、鋁、銅兩種有色金屬均具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕及加工成型性，鋁與銅形成的連接件可以降低結(jié)構(gòu)成本，同時(shí)減輕構(gòu)件重量。目前，鋁/銅復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用幾乎遍及國民經(jīng)濟(jì)的各行業(yè)，而其連接的技術(shù)、質(zhì)量和性能成為該結(jié)構(gòu)應(yīng)用的問題之一。傳統(tǒng)的鋁/銅異種金屬連接方法主要有熔化焊、壓力焊、釬焊、機(jī)械連接等，但都存在不可避免的缺點(diǎn)，導(dǎo)致接頭成形質(zhì)量差。因此尋求更好的鋁/銅異種材料連接技術(shù)是焊接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
　　本文采用攪拌摩擦焊技術(shù)，對3mm厚的

2、1060工業(yè)純鋁與T2紫銅進(jìn)行連接，以此來解決傳統(tǒng)焊接方法中存在的焊接性問題。首先，對鋁/銅異種金屬攪拌摩擦焊焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上對接頭宏觀及微觀組織、相組成、界面及力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并從界面腐蝕角度分析了界面結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。同時(shí)，對鋁/銅異種接頭內(nèi)部塑性金屬的流動行為及缺陷的產(chǎn)生做了較深入研究。
　　研究結(jié)果表明，攪拌頭軸肩凹槽及攪拌針表面的螺紋容易產(chǎn)生攪拌針粘針問題。軸肩設(shè)計(jì)成內(nèi)凹型且攪拌針表面不帶

3、螺紋的攪拌頭是進(jìn)行鋁/銅異種金屬攪拌摩擦焊的最佳選擇。攪拌針的偏移和母材的相對放置位置對接頭成形及性能的影響較為明顯，在合適的焊接工藝參數(shù)下，當(dāng)T2紫銅位于前進(jìn)側(cè)，同時(shí)攪拌針向鋁側(cè)偏移0.8～1mm，得到的鋁/銅異種焊接接頭表面成型良好、內(nèi)部無缺陷。焊核區(qū)的鋁、銅晶粒在動態(tài)再結(jié)晶的作用下明顯細(xì)化，其晶粒平均尺寸分別約為9.6um和7.8um。銅/焊核區(qū)界面過渡區(qū)域形成的交替式片層結(jié)構(gòu)促進(jìn)了兩種材料間的冶金結(jié)合，并且界面處形成薄的、均一、

4、連續(xù)的金屬間化合物層，進(jìn)一步提高了接頭的綜合性能。然而，界面腐蝕實(shí)驗(yàn)揭示了接頭內(nèi)部的弱連接本質(zhì)，這也是導(dǎo)致拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，鋁/銅異種接頭裂紋容易在此區(qū)域萌生和擴(kuò)展的主要原因。鋁/銅接頭的力學(xué)性一般較低，不超過純銅母材的強(qiáng)度，斷裂方式主要為脆性和韌-脆混合型斷裂兩種。鋁/銅異種材料攪拌摩擦焊過程中強(qiáng)烈塑性變形引起的晶粒細(xì)化和產(chǎn)生的大量位錯(cuò)使焊核區(qū)的平均硬度要高于母材，硬度最大值高達(dá)487HV，且焊核區(qū)靠近軸肩的上部區(qū)域的硬度大于中部和底部的硬

5、度，而Al4Cu9和Al2Cu金屬間化合物的形成會導(dǎo)致焊核區(qū)硬度的波動。
　　攪拌摩擦焊過程中，軟化金屬在水平和沿材料厚度方向同時(shí)發(fā)生塑性流動，焊核區(qū)與銅側(cè)形成了明顯的分界。當(dāng)接頭形成銅、鋁混合層狀組織時(shí)，鋁、銅兩種元素含量比值接近1∶1，達(dá)到了良好的混合狀態(tài)。焊接熱輸入因子低于20，或攪拌頭旋速高于1250rpm，焊速大于60mm/min時(shí)，均不利于接頭成形及力學(xué)性能。此外，當(dāng)T2紫銅位于后退側(cè)時(shí)，接頭底部容易出現(xiàn)隧道孔缺陷，連