Cu/Al異種材料FSW接頭的組織性能及斷口分析

吳克彥 ，劉 鵬 ，孫思宇 ，洪 昌 ，王克勤

（1.泰安泰山高壓開關(guān)有限公司，山東泰安 271000；2.山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

0 前言

銅和鋁具有較高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和機(jī)械性能，在工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。然而，兩種材料的熔點(diǎn)有顯著差異（接近400℃），可能導(dǎo)致銅鋁接頭組織和性能相差很大。此外，鋁在高溫下容易氧化，并且在釬焊或熔焊銅的接頭中容易出現(xiàn)一些焊接裂紋[1]。因此，通過傳統(tǒng)的焊接方法難以獲得高質(zhì)量的Cu/Al焊接接頭。在熔焊或壓焊（釬焊、擴(kuò)散連接等）過程中，出現(xiàn)導(dǎo)致接頭力學(xué)性能下降的Cu-Al金屬間化合物在Cu/Al異種材料焊接中難以避免[2－3]。

在攪拌摩擦焊（FSW）焊接過程中，焊接金屬會(huì)經(jīng)歷高溫、大塑性變形和應(yīng)力－應(yīng)變，但是焊縫金屬不會(huì)熔化，有助于避免焊縫金屬氧化以及熱裂紋和氣孔的產(chǎn)生。到目前為止，鋁和鋁合金的攪拌摩擦焊已得到了廣泛的研究[4－6]。然而，關(guān)于Cu/Al異種材料攪拌摩擦焊的研究報(bào)道較少[7－9]。在此重點(diǎn)研究T2紫銅與5A06鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織、力學(xué)性能和斷裂特征，為進(jìn)一步研究Cu/Al異種材料的FSW提供重要的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為紫銅（T2）和鋁合金（5A06）。材料尺寸均為150 mm×60 mm×3 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1～表3所示。焊接前，先去除工件表面的氧化膜和油污，然后將2塊3mm厚的薄板對(duì)接焊接。試驗(yàn)參數(shù)為：攪拌頭轉(zhuǎn)速950～1 180 r/min，行進(jìn)速度150～235 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)行進(jìn)速度為150 mm/min時(shí)，可以獲得無明顯缺陷的Cu/Al焊接接頭。

表1 T2化學(xué)成分%

表2 5A06化學(xué)成分%

表3 T2/5A06的力學(xué)性能

切取Cu/Al焊接接頭切取并制成金相試樣和拉伸試樣。金相樣品的銅側(cè)使用混合溶液FeCl2（6 g）+鹽酸（10 ml）+H2O（90 mL）進(jìn)行腐蝕，鋁側(cè)使用混合溶液HF（1 mL）+HCl（1.5 mL）+HNO3（2.5 mL）進(jìn)行腐蝕。利用NEOPHOT32金相顯微鏡觀察分析Cu/Al接頭的顯微組織，采用CSS－1100拉伸試驗(yàn)機(jī)測量接頭的拉伸強(qiáng)度，使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)Cu/Al焊接接頭進(jìn)行斷口分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 FSW接頭的形狀與抗拉強(qiáng)度

采用不同的工藝參數(shù)對(duì)T2/5A06異種材料進(jìn)行攪拌摩擦焊。不同工藝參數(shù)條件下Cu/Al對(duì)接接頭的宏觀形貌如圖1所示。結(jié)果表明，攪拌工具轉(zhuǎn)速和沿焊接方向的行走速度對(duì)Cu/Al攪拌摩擦焊接頭的形成有很大影響。

圖1 不同F(xiàn)SW參數(shù)下Cu/Al接頭形貌

當(dāng)攪拌工具的轉(zhuǎn)速ω=950 r/min、行進(jìn)速度v=150 mm/min時(shí)，焊縫優(yōu)良且沒有明顯缺陷（見圖1b）。當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定、行進(jìn)速度增加時(shí)，焊縫的質(zhì)量變差（見圖1a），并且沿焊接方向存在明顯凹槽；當(dāng)轉(zhuǎn)速和行進(jìn)速度同時(shí)提高時(shí)，焊縫成形不良，外觀雖然沒有凹槽等表面缺陷，但焊縫形狀致密度小于圖1b。

對(duì)Cu/Al異種材料FSW接頭進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，測試結(jié)果如圖2所示。接頭全部在焊核區(qū)（WNZ）的銅（T2）側(cè)斷裂，測試結(jié)果如圖2b所示。最大拉伸強(qiáng)度為296 MPa，約為100%的T2強(qiáng)度和94%的5A06強(qiáng)度。

2.2 攪拌區(qū)內(nèi)的顯微結(jié)構(gòu)

圖2 Cu/Al異種材料FSW接頭的拉伸試樣和測試結(jié)果

根據(jù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，接頭在焊縫的銅側(cè)斷裂。因此，在銅側(cè)焊縫中，特別是在焊縫熔核區(qū)，微觀組織對(duì)Cu/Al接頭的力學(xué)性能有重要影響。Cu/Al接頭焊縫中攪拌區(qū)的顯微組織如圖3所示。Cu和Al之間有明顯的邊界，并且攪拌區(qū)內(nèi)的金屬有明顯的塑性結(jié)合，可以清楚地觀察到攪拌區(qū)中的洋蔥圈結(jié)構(gòu)（見圖3a中的區(qū)域C）。

進(jìn)一步觀察WNZ可知，焊核中靠近銅側(cè)的金屬Cu（灰色）和Al（黑色）顯示出層狀交替結(jié)構(gòu)特征（見圖3b）。然而，在焊核的鋁側(cè)，金屬Cu（黑色）和Al（灰色）顯示出混合結(jié)構(gòu)特征（見圖3c）。攪拌針的塑性攪拌作用和摩擦熱以及材料流動(dòng)可引起兩側(cè)金屬結(jié)構(gòu)的不同。在該實(shí)驗(yàn)中，WNZ的溫度明顯低于鋁或銅的固相線溫度。此時(shí)，金屬Al經(jīng)歷了連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（CDRX）[10]，該區(qū)域的晶粒明顯細(xì)化。然而熔核區(qū)金屬Cu也經(jīng)歷了攪拌作用和摩擦熱的塑性流動(dòng)，但由于溫度低于500℃，Cu不會(huì)經(jīng)歷CDRX過程（該溫度是Cu的再結(jié)晶溫度下限）[11]。因此，具有層狀交替和混合結(jié)構(gòu)的焊核區(qū)域是通過攪拌針的攪拌作用和摩擦熱所形成的。

圖3 Cu/Al異種材料FSW攪拌區(qū)的顯微組織

WNZ兩側(cè)不同的導(dǎo)熱系數(shù)也可能是導(dǎo)致不同結(jié)構(gòu)的另一個(gè)主要原因。由于T2的導(dǎo)熱率是5A06的2.5倍，銅側(cè)攪拌作用產(chǎn)生的摩擦熱比鋁側(cè)損失得更多。這使得該區(qū)域的溫度降低，導(dǎo)致WNZ不同側(cè)面的結(jié)構(gòu)不同。并且在FSW過程中，Cu和Al之間不會(huì)產(chǎn)生明顯的冶金過程。因此，Cu和Al在鋁側(cè)緊密結(jié)合，呈現(xiàn)混合結(jié)構(gòu)，在銅側(cè)表現(xiàn)出層狀交替結(jié)構(gòu)特征。金屬僅在攪拌摩擦焊接中發(fā)生塑性變形，接頭的斷裂位置位于銅側(cè)的這一區(qū)域。

2.3 拉伸接頭的斷裂分析

Cu/Al異種材料FSW接頭的斷口形貌及分析如圖4所示。利用QUANTA 200F型掃描電子顯微鏡觀察宏觀斷裂表面，獲得裂縫的宏觀背散射圖像如圖4a所示。

圖4 Cu/Al異種材料FSW接頭的斷口形貌及分析

焊縫上部的顯微形態(tài)如圖4b所示。可以看出，焊縫上部存在很多微裂紋，擠壓變形明顯，但在該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性特征。圖中兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的EDS化學(xué)成分如表4所示。EDS結(jié)果表明，該部分的主要成分是Cu和Al。相應(yīng)地，焊縫Cu－Al混合區(qū)上部在高溫下機(jī)械擠壓產(chǎn)生明顯的塑性材料流動(dòng)痕跡。但Cu和Al未形成有效的結(jié)合。含有較少波紋狀的Cu嵌入在含有較多Al的組織中，這一部分可發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋。該區(qū)沒有韌性斷裂的特征。焊縫中部的宏觀形貌為層狀結(jié)構(gòu)。這是由于攪拌工具的旋轉(zhuǎn)和交叉進(jìn)給造成的。在中間層斷裂中有許多凹坑結(jié)構(gòu)，如圖4c所示，說明該部分具有良好的塑性，屬于塑性斷裂特征。底部焊縫的背散射圖像如圖4d所示。銅側(cè)斷口無明顯的韌窩結(jié)構(gòu)，也沒有Cu－Al系化合物出現(xiàn)。

在許多韌窩結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步觀察中間層焊縫可發(fā)現(xiàn)微粒化合物（見圖 4e），尺寸為 1～10 μ。圖4e中顆粒和基體（編號(hào)1＃，2＃）的EDS分析結(jié)果如表5所示。

表4 焊縫上部的EDS分析結(jié)果

表5 顆粒物和基體在韌窩中的能譜分析結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，韌窩中基體的主要成分是Al-Mg系合金化合物，不同大小的晶粒分布在韌窩中。由斷裂結(jié)構(gòu)和EDS結(jié)果可知，這些顆粒很可能是焊接過程中形成的Al3MgCu化合物，是典型的脆性組織。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)攪拌工具轉(zhuǎn)速為950 r/min、行進(jìn)速度為150 mm/min時(shí)，可獲得外觀美觀、無明顯缺陷的焊縫；當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定并且行進(jìn)速度增加時(shí)，會(huì)形成外觀較差的焊縫。拉伸強(qiáng)度的最大值為296 MPa，約為T2強(qiáng)度的100%和5A06強(qiáng)度的94%。Cu/Al攪拌摩擦焊接頭具有較高的使用性能。

（2）顯微組織分析表明，焊核區(qū)（WNZ）中靠近銅側(cè)的金屬Cu和Al具有層狀交替結(jié)構(gòu)特征，焊核區(qū)（WNZ）的鋁側(cè)存在Cu和Al的混合結(jié)構(gòu)特征。在攪拌針的攪拌作用下，Cu和Al的摩擦熱和熱導(dǎo)率的不同都會(huì)導(dǎo)致焊核區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)。焊縫的宏觀斷裂表面明顯分層。焊縫上部有許多微裂紋，是Cu-Al混合區(qū)。在焊縫中間層可觀察到許多韌窩結(jié)構(gòu)，屬于塑性斷裂區(qū)。脆性Al-Cu-Mg金屬間化合物存在于韌窩中，焊縫底層無韌窩結(jié)構(gòu)和Cu-Al混合。

[1]ASM.Metals Handbook，9th Ed[M].Ohio：ASM International，1979.

[2]李亞江，吳會(huì)強(qiáng)，陳茂愛，等.Cu/Al真空擴(kuò)散焊接頭顯微組織分析[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2001，11（3）：424-427.

[3]陳學(xué)定，宋強(qiáng)，余偉元，等.鋁基釬料真空釬焊接頭的腐蝕性[J].焊接學(xué)報(bào)，2003，24（1）：40-43.

[4]Peng Liu，Guoliang Liu，Yan Deng，et al.Microstructure and precipitated phase in the thermo-mechanically affected zone of friction stir welded joint for 2024 aluminium alloy[J].Kovove Materialy-Metallic Materials，2016，54（5）：363-367.

[5]Mahoney M W，Rhodes C G，F(xiàn)lintoff J G，et al.Properties of friction stir welded 7075-T651 aluminum[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1998，28（7）：1955-1964.

[6]Sato Y S，Kokawa H，Enomoto M.Microstructural evolution of 6063 aluminum during friction stir welding[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1999，30（9）：2429-2437.

[7]Elrefaey A，Takahashi M，Ikeuchi K.Preliminary investigation of friction stir welding aluminium/copper lap joints[J].Welding in the world，2005，49（3-4）：93-101.

[8]柯黎明，劉鴿平，邢麗，等.鋁合金LF6與工業(yè)純銅T1的攪拌摩擦焊工藝[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2004，14（9）：1534-1538.

[9]Pietras A.Friction stir welding aluminium to copper[J].Welding in the world，2005，49（9）：122-133.

[10]Fratini L，Buffa G，Palmeri D，et al.Material flow in FSW of AA7075-T6 butt joints：Continuous dynamic recrystallization phenomena[J].Journal of Engineering Materials and Tecnology，2006，128（3）：428-435.

[11]Defalco J.Friction stir welding vs.fusion welding[J].Welding Journal，2006，85（3）：42-44.