厚板銅/鋁攪拌摩擦焊接頭的組織分析

邢 麗，萬於輝，楊成剛，黃春平，柯黎明

（南昌航空大學航空制造工程學院，江西 南昌 330063）

0 前言

銅和鋁是電力行業中較為常見的兩種金屬，利用銅合金和鋁合金加工的銅/鋁接頭被廣泛應用于電力傳輸領域。由于銅/鋁異種金屬很難形成電學穩定的接頭，因此在過去幾十年時間內研究者們在銅/鋁連接方面做了大量的工作[1]。銅和鋁由于在物理、化學和加工性能方面相差較大，因而采用熔焊方法不容易得到優質的銅/鋁接頭。因此研究者們更加關注利用固態焊接的方法來獲得理想的接頭[2-4]。

攪拌摩擦焊是一種新型的固相連接技術。與熔焊相比，攪拌摩擦焊在焊接過程中不發生熔化，可以避免氣孔等缺陷，焊后的殘余應力小、變形小，是焊接異種材料較為理想的方法。但是現階段國內外研究銅/鋁攪拌摩擦焊的接頭厚度一般小于4 mm[5-8]，鮮有報道板厚大于4 mm的銅/鋁焊接，這可能是因為隨著板厚增加，厚度方向上的溫度梯度更大，合適的工藝參數范圍變得很窄[9]，因此更難獲得理想的接頭。而工程應用中，銅/鋁連接板的厚度往往大于4 mm。本研究用攪拌摩擦焊的方法進行了10 mm板厚的銅與鋁的焊接，分析了接頭的顯微組織，并測試接頭的電學性能和力學性能。

1 試驗方法

實驗材料為厚度10mm的T2紫銅板和1060A純鋁板，其物理和力學性能如表1所示。焊前采用丙酮清洗工件表面，采用自制的龍門式數控攪拌摩擦焊設備進行焊接試驗。攪拌頭軸肩直徑15 mm，攪拌針為左旋螺紋，攪拌針直徑5 mm、針長度4.9 mm。

表1 純鋁和T2紫銅的物理及力學性能[10-11]

厚板銅/鋁攪拌摩擦焊對接示意如圖1所示，焊接時銅置于前進邊（AS）、鋁置于返回邊（RS），攪拌針中心線偏向鋁側。攪拌頭旋轉速度n=950r/min，焊接速度v=60 mm/min，采用雙面焊工藝進行焊接。焊后沿垂直于焊縫方向截取試樣，先用2ml氫氟酸+5ml硝酸+3ml鹽酸+90ml水溶液腐蝕鋁側，再用4ml飽和氯化鈉+2 g重硌酸鉀+100 ml水+8 ml硫酸容易腐蝕銅側。用Leica圖像分析儀觀察接頭的顯微組織；用HVS-1000型顯微硬度計，測量焊縫橫截面的顯微硬度分布；在WDS-100電子萬能試驗機上進行接頭的拉伸試驗；采用上海雙特電工儀器有限公司生產的QJ36s-2低電阻測量儀測量銅/鋁接頭的電阻。

圖1 銅和鋁攪拌摩擦焊示意

2 試驗結果和分析

2.1 銅/鋁攪拌摩擦焊的焊縫成形

銅/鋁攪拌摩擦焊接頭成形情況如圖2所示，圖2a是焊縫表面成形，通過觀察可以發現焊縫表面的弧形紋較為致密，焊縫表面沒有觀察到裂紋、溝槽等缺陷。圖2b是銅/鋁焊接接頭的橫截面宏觀形貌，由圖可見，焊接接頭完好，無孔洞、裂紋等缺陷，因此采用攪拌摩擦焊在合適的工藝參數下可以獲得無缺陷的厚板銅/鋁金屬對接接頭。

圖2 銅/鋁攪拌摩擦焊焊縫形貌

2.2 焊接接頭的顯微組織

圖3a為銅/鋁接頭橫截面上焊縫界面的形貌，由圖可見銅和鋁接頭界面結合較為緊密，銅和鋁之間以幾種不同的方式形成結合。圖3b為圖3a中A處的放大圖，通過觀察可以發現，在對接界面處銅發生了較大程度的變形，部分銅以“鉤子”形態鑲入到焊核區的鋁中，這樣的形貌有可能提供了銅和鋁之間的機械結合性能，使接頭的強度提高，產生“鉤子”形貌的原因可能是界面處的銅受熱影響軟化后，在攪拌針的攪拌作用和攪拌針螺紋的摩擦作用下，使部分軟化的銅以條狀的形貌遷移到鋁焊核中，另外由于攪拌針上的螺紋使其沿厚度方向進行遷移，最終形成了銅先沿橫向焊核遷移一段距離后，然后沿厚度方向遷移的“鉤子”形貌。

圖3c為B處的高倍放大圖，銅/鋁在該處的形成的是一種迭狀交互結構，產生了一種灰色物質，具有較強的抗腐蝕性，可能是產生的金屬間化合物。由于攪拌摩擦焊為固相焊接，焊接時界面溫度接近純鋁的熔點，結合圖4的銅-鋁二元相圖可發現，產生的金屬間化合物可能是θ(Al2Cu)或η2(Al4Cu9)，銅和鋁已發生了某種化學反應，形成了金屬間化合物。

圖3d為焊核區域C處的放大圖，由圖可見該處的焊核區域中分布有大小、形狀不同的銅顆粒，分析可能是由于攪拌針的旋轉作用將部分呈“鉤子”狀的銅破碎后與鋁焊核一起進行塑性變形后留下的。在該區域中也發現了許多塑性金屬的流線，這說明該區域的金屬發生了劇烈的塑性變形。圖3e為圖3d中D處的放大圖，從圖中可以觀察到，焊核區域中鋁晶粒比鋁母材的晶粒細小，這是因為鋁在焊核區域內發生了動態再結晶。

圖3 銅/鋁攪拌摩擦焊接頭的顯微組織

圖4 銅-鋁二元相圖

2.3 接頭強度及電學性能

圖5為沿圖2b焊縫截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ測量的顯微硬度分布。由圖可見，鋁母材的硬度約為30 HV，銅母材的硬度為109～115 HV，焊核中鋁側的顯微硬度較鋁母材高，這是因為焊核內的鋁發生了動態再結晶，晶粒細化，使硬度提高；焊核中鋁側的顯微硬度不均勻，是因為焊核區域內分布有很多的銅顆粒，這些顆粒的大小、尺寸、分布區域沒有明顯規律，導致焊核區域硬度分布不均勻。在靠近銅鋁界面的區域，硬度值有明顯升高，大大高于銅、鋁母材的硬度值，這可能是在銅鋁界面附近的銅-鋁金屬間化合物所致。

對銅/鋁攪拌摩擦焊對接接頭進行了拉伸試驗，表2為接頭性能的測試結果，接頭的拉伸強度σb=70~75 MPa，達到鋁母材的125%。銅/鋁接頭斷裂的截面形貌如圖6所示，可見斷裂都發生在鋁側的熱影響區，而銅/鋁接頭和焊核處沒有受到任何破壞，說明銅/鋁接頭有很好的結合強度。

分別測量銅/鋁接頭、純鋁1 060 A、T2紫銅的電阻率，表2為同一溫度下的測量結果，其中測得的純鋁和T2紫銅的電阻率與表1中的值相近。測得的銅/鋁接頭的電阻率為2.897 1×10-8Ω·m，此值高于紫銅，但比所測的鋁電阻率低，是鋁電阻率的92.6%。目前在電力行業中，厚板的銅/鋁接頭較多的是使用螺栓進行連接，其最大的問題就是此時銅鋁界面會存在縫隙，導致電阻增加；當通以較大電流時，由于接頭處較大的電阻使接頭產生較大的熱量導致接頭失效。本實驗中采用攪拌摩擦焊方法得到的銅/鋁焊接接頭，由于銅和鋁緊密連接且形成了冶金結合，降低了接頭的電阻率，能很好滿足電力行業的需求。

圖5 焊縫橫截面上的顯微硬度分布

圖6 銅/鋁斷裂接頭的形貌

表2 接頭性能測試結果

3 結論

（1）采用雙面攪拌摩擦焊的方法焊接10 mm的厚板銅/鋁接頭，能夠獲得表面成形良好，弧形紋致密，接頭為無缺陷的焊縫。

（2）接頭的銅/鋁界面上形成了“鉤子”形貌且銅/鋁在該處的形成的是一種迭狀交互結構，產生了一種灰色物質，具有有較強的抗腐蝕性。焊核區的鋁晶粒發生了動態再結晶，晶粒細小。焊核區內有大小、形狀、分布無規律的銅顆粒。焊核區域中發現金屬的塑性流線。

（3）對接接頭中焊核區鋁側的硬度均高于鋁母材的硬度。在靠近銅鋁界面的焊核區域內，硬度值明顯升高，遠遠高于銅、鋁母材的硬度。接頭拉伸試驗的強度是鋁母材的125%，斷裂發生在接頭鋁側熱影響區。

（4）用攪拌摩擦焊焊接的銅/鋁接頭，其電阻率是純鋁的電阻率的92.6%，銅/鋁接頭作為功能材料能很好地滿足電力行業中的要求。

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