铜合金与304不锈钢搅拌摩擦焊搭接接头组织与性能

  采用搅拌摩擦搭接焊对铜合金与304不锈钢异种金属进行焊接，得到外观良好、无内部缺陷的搭接接头ܿ利用金相、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射及硬度计等研究了铜–钢搭接焊接头显微组织，分析了接头的物相成分，测试了接头的显微硬度ऎ结果表明，304不锈钢与铜在焊合区形成了“洋葱环”结构，此结构在焊核区的前进侧较后退侧更为均匀；在接头的前进侧、后退侧和底部有明显的热力影响区；在条状结构中形成了新的金属间化合物NiCu4，这使焊核区不锈钢–铜界面的硬度值明显增大；接头焊核区的硬度值明显高于基体，且焊核区前进侧的硬度值较后退侧更高。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ᬝ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，对铜–钢的搅拌摩擦焊研究较少邢丽等人采用搅拌摩擦焊焊接了4mm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成功进行了10mm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；浙江至德钢业有限公司利用搅拌摩擦搭接焊技术对制备铜–钢复合板进行了探索；贺地求等人对4mm厚的紫铜和1mm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；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；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。至德钢业研究Cr-Cu合金与304不锈钢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。

一、试验方法

  试验材料为40mm厚的连铸结晶器用Cr-Cu合金，1mm厚的304不锈钢板，304不锈钢的化学成分如表所示。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ᰍ搅拌头用高温合金制成，轴肩直径为18mm，搅拌针为直径6mm带右旋螺纹的锥形销，针长4.5mm，其化学成分如表所示。

   搅拌焊接速度为750mm/min，搅拌头转速为1000 r/min，搅拌头倾角2.5°，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，加载时间为15秒测定搭接焊道的显微硬度，在微机控制电子万能试验机上采用位移控制，加载速率1mm/min，测试样品结合处抗剪力学性能。

二、试验结果与讨论

1.搭接焊道的显微组织

  图为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ᬝ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。

  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。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ဗ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；搅拌头旋转并向前运动时产生的垂直于螺纹表面的压力在摩擦搅拌过程中，在摩擦力和压力的共同作用下，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。图和表为搭接焊道局部条状结构的高倍SEM形貌及EDS分析结果，图为条状结构的高倍SEM形貌，分析结果表明，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。几乎全部为铜元素位置，2处为厚度约6μm的黑色带状组织，附近还有少量极窄的白色带状组织。

2. 物相分析

  图为不锈钢–铜合金摩擦搅拌搭接焊道的XRD分析结果，由图可见，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，浙江至德钢业有限公司在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。

3. 硬度分析

  图为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245.15HV，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114.02HV，高于后退侧平均硬度107.97HV9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。

4. 搭接接头抗剪性能分析

  图为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[制作剪切试件，尺寸如图所示，结果从焊核区完全断裂，其宏观断裂形貌如图所示，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ڌ经分析试验结果得到接头最大断裂载荷为4.45kN，计算得Cr-Cu合金与304不锈钢FSW搭接接头最大抗剪强度为178MPa，为母材强度的66%。

三、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275.1HV9。

 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114.02HV高于后退侧的平均硬度值107.97HV9。

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