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(xué)航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

0 前言

銅和鋁是電力行業(yè)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(yīng)用于電力傳輸領(lǐng)域。由于銅/鋁異種金屬很難形成電學(xué)穩(wěn)定的接頭，因此在過去幾十年時(shí)間內(nèi)研究者們?cè)阢~/鋁連接方面做了大量的工作[1]。銅和鋁由于在物理、化學(xué)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(yōu)質(zhì)的銅/鋁接頭。因此研究者們更加關(guān)注利用固態(tài)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(shù)。與熔焊相比，攪拌摩擦焊在焊接過程中不發(fā)生熔化，可以避免氣孔等缺陷，焊后的殘余應(yīng)力小、變形小，是焊接異種材料較為理想的方法。但是現(xiàn)階段國內(nèi)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(bào)道板厚大于4 mm的銅/鋁焊接，這可能是因?yàn)殡S著板厚增加，厚度方向上的溫度梯度更大，合適的工藝參數(shù)范圍變得很窄[9]，因此更難獲得理想的接頭。而工程應(yīng)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(jìn)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(cè)試接頭的電學(xué)性能和力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為厚度10mm的T2紫銅板和1060A純鋁板，其物理和力學(xué)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(shù)控?cái)嚢枘Σ梁冈O(shè)備進(jìn)行焊接試驗(yàn)。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(xué)性能[10-11]

厚板銅/鋁攪拌摩擦焊對(duì)接示意如圖1所示，焊接時(shí)銅置于前進(jìn)邊（AS）、鋁置于返回邊（RS），攪拌針中心線偏向鋁側(cè)。攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度n=950r/min，焊接速度v=60 mm/min，采用雙面焊工藝進(jìn)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(cè)，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(cè)。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(jì)，測(cè)量焊縫橫截面的顯微硬度分布；在WDS-100電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行接頭的拉伸試驗(yàn)；采用上海雙特電工儀器有限公司生產(chǎn)的QJ36s-2低電阻測(cè)量儀測(cè)量銅/鋁接頭的電阻。

圖1 銅和鋁攪拌摩擦焊示意

2 試驗(yàn)結(jié)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(fā)現(xiàn)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(shù)下可以獲得無缺陷的厚板銅/鋁金屬對(duì)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(jié)合較為緊密，銅和鋁之間以幾種不同的方式形成結(jié)合。圖3b為圖3a中A處的放大圖，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，在對(duì)接界面處銅發(fā)生了較大程度的變形，部分銅以“鉤子”形態(tài)鑲?cè)氲胶负藚^(qū)的鋁中，這樣的形貌有可能提供了銅和鋁之間的機(jī)械結(jié)合性能，使接頭的強(qiáng)度提高，產(chǎn)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(jìn)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(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了一種灰色物質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗腐蝕性，可能是產(chǎn)生的金屬間化合物。由于攪拌摩擦焊為固相焊接，焊接時(shí)界面溫度接近純鋁的熔點(diǎn)，結(jié)合圖4的銅-鋁二元相圖可發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的金屬間化合物可能是θ(Al2Cu)或η2(Al4Cu9)，銅和鋁已發(fā)生了某種化學(xué)反應(yīng)，形成了金屬間化合物。

圖3d為焊核區(qū)域C處的放大圖，由圖可見該處的焊核區(qū)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(zhuǎn)作用將部分呈“鉤子”狀的銅破碎后與鋁焊核一起進(jìn)行塑性變形后留下的。在該區(qū)域中也發(fā)現(xiàn)了許多塑性金屬的流線，這說明該區(qū)域的金屬發(fā)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(qū)域中鋁晶粒比鋁母材的晶粒細(xì)小，這是因?yàn)殇X在焊核區(qū)域內(nèi)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)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(qiáng)度及電學(xué)性能

圖5為沿圖2b焊縫截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ測(cè)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(cè)的顯微硬度較鋁母材高，這是因?yàn)楹负藘?nèi)的鋁發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)化，使硬度提高；焊核中鋁側(cè)的顯微硬度不均勻，是因?yàn)楹负藚^(qū)域內(nèi)分布有很多的銅顆粒，這些顆粒的大小、尺寸、分布區(qū)域沒有明顯規(guī)律，導(dǎo)致焊核區(qū)域硬度分布不均勻。在靠近銅鋁界面的區(qū)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(duì)銅/鋁攪拌摩擦焊對(duì)接接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，表2為接頭性能的測(cè)試結(jié)果，接頭的拉伸強(qiáng)度σb=70~75 MPa，達(dá)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(fā)生在鋁側(cè)的熱影響區(qū)，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(jié)合強(qiáng)度。

分別測(cè)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(cè)量結(jié)果，其中測(cè)得的純鋁和T2紫銅的電阻率與表1中的值相近。測(cè)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(cè)的鋁電阻率低，是鋁電阻率的92.6%。目前在電力行業(yè)中，厚板的銅/鋁接頭較多的是使用螺栓進(jìn)行連接，其最大的問題就是此時(shí)銅鋁界面會(huì)存在縫隙，導(dǎo)致電阻增加；當(dāng)通以較大電流時(shí)，由于接頭處較大的電阻使接頭產(chǎn)生較大的熱量導(dǎo)致接頭失效。本實(shí)驗(yàn)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(jié)合，降低了接頭的電阻率，能很好滿足電力行業(yè)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(cè)試結(jié)果

3 結(jié)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(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了一種灰色物質(zhì)，具有有較強(qiáng)的抗腐蝕性。焊核區(qū)的鋁晶粒發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)小。焊核區(qū)內(nèi)有大小、形狀、分布無規(guī)律的銅顆粒。焊核區(qū)域中發(fā)現(xiàn)金屬的塑性流線。

（3）對(duì)接接頭中焊核區(qū)鋁側(cè)的硬度均高于鋁母材的硬度。在靠近銅鋁界面的焊核區(qū)域內(nèi)，硬度值明顯升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于銅、鋁母材的硬度。接頭拉伸試驗(yàn)的強(qiáng)度是鋁母材的125%，斷裂發(fā)生在接頭鋁側(cè)熱影響區(qū)。

（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(yè)中的要求。

[1]Veerkamp W E.Copper-to-aluminum transitions in high direct-current bus systems[C].1995.Recordof Conference PapersIndustryApplication s Society42ndAnnualIEEE，1995：187-195.

[2]Gulenc B.Investigation of interface properties and weldability of aluminum and copper plates by explosive welding method[J].Materials&Design，2008，29（1）：275-278.

[3]Abbasi M，Salehi M T，Taheri A K.An investigation on cold roll welding of copper to aluminum using electrical resistivity[J].ZeitschriftfürMetallkunde，2001，92（5）：423-430.

[4]Lee W B，Bang K S，Jung S B.Effects of intermetallic compound on the electrical and mechanical properties of friction welded Cu/Al bimetallic joints during annealing[J].Journal of Alloys and Compounds，2005，390（1）：212-219.

[5]Chen C M，Kovacevic R.Joining of Al 6061 alloy to AlSi 1018 steel by combined effects of fusion and solid state welding[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2004（44）：1205-1214.

[6]Abdollah-Zadeh A，Saeid T，Sazgari B.Microstructural and mechanical properties of friction stir welded aluminum/copper lap joints[J].Journal of Alloys and Compounds，2008（460）：535-538.

[7]Xu W F，Liu J H，Chen D L.Material flow and core/multishell structures in a friction stir welded aluminum alloy with embedded copper markers.Journal of Alloys and Compounds，2011（59）：8449-8454.

[8]嚴(yán) 鏗，于懷東.5A05/C11000的攪拌摩擦焊接頭組織結(jié)構(gòu)分析[J].焊接技術(shù)，2006，35（1）：18-20.

[9]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)，2004，9（14）：1534-1538.

[10]顏鳴皋.中國航空材料手冊(cè)（第3卷）：鋁合金/鎂合金[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[11]顏鳴皋.中國航空材料手冊(cè)（第4卷）：鈦合金/銅合金[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.