銅鋼異種材料摩擦堆焊工藝優(yōu)化

劉玉德，王 碩，石文天，吳 剛，張 浩

（北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

銅鋼異種材料摩擦堆焊工藝優(yōu)化

劉玉德，王 碩，石文天，吳 剛，張 浩

（北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

摩擦焊是最近幾年發(fā)展較快的新型摩擦焊接技術(shù)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鐵合金之間的焊接方法研究較為深入，但對(duì)鐵銅異種材料之間焊接的研究尚不多見。通過大量實(shí)驗(yàn)，研究旋轉(zhuǎn)速度為800～1200 r/min、焊接速度為20～50 mm/min時(shí)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的變化。結(jié)果表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min、焊接速度為30min/mm時(shí)，銅鋼異種材料摩擦堆焊的接頭平均抗拉強(qiáng)度是母材強(qiáng)度的89%，并且焊接質(zhì)量最好。

摩擦堆焊；Q235鋼；銅

0 前言

近年來隨著新材料的不斷發(fā)展，材料的連接工藝要求也在不斷提高。特別是異種金屬在采用傳統(tǒng)焊接方法時(shí)焊縫質(zhì)量難以保證，甚至有些組合的異種金屬焊接被稱為“不可焊”。但是摩擦焊技術(shù)卻能將這些難焊金屬焊接到一起，并且焊縫質(zhì)量也比較有保障[1-2]。

銅和鋼作為兩種重要的金屬材料，由于其具有不同的性質(zhì)，在使用傳統(tǒng)熔化焊時(shí)常會(huì)出現(xiàn)熱裂紋、焊縫金屬脆化、接頭未焊透等焊接缺陷[3]。雖然銅和鋼的焊接在使用真空電子束焊、擴(kuò)散焊等方法時(shí)所得焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)異，但是這些焊接方法成本高、效率低、不利于大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)[4-6]。所以摩擦焊作為一種成本低、效率高、低能環(huán)保的焊接工藝正不斷地被人們研究發(fā)展。摩擦焊還可以拓展應(yīng)用到其他行業(yè)，特別是在進(jìn)行摩擦軋制、零件的快速制造、復(fù)合材料制備及材料的再生再利用等方面具有巨大潛力[7-8]。

1 實(shí)驗(yàn)材料設(shè)備和方法

實(shí)驗(yàn)材料選用6 mm厚的T2紫銅板材作為基體材料，鋼材使用Q235鋼，堆焊耗材摩擦鋼棒夾持部分的尺寸為φ35 mm、與銅板接觸部分的尺寸為φ25 mm，長(zhǎng)度30 mm。實(shí)驗(yàn)前用丙酮清洗試板和耗材，除去油污，晾干后將工件裝夾到工作臺(tái)上，再進(jìn)行銅鋼異種材料摩擦堆焊工藝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用設(shè)備型號(hào)為FSW-LM-025-2030的二維定梁龍門式摩擦焊機(jī)，x軸最大行程為1 000 mm，y軸最大行程為600 mm，z軸最大行程為300 mm。旋轉(zhuǎn)速度800～1 200 r/min，焊接速度20～50 mm/min，耗材垂直于板材，下壓量為0.1 mm，摩擦焊接過程示意如圖1所示。

圖1 摩擦焊示意圖

對(duì)外觀成形良好的焊縫，將其切割后分析，切割前需合理規(guī)劃堆焊層拉伸試樣的切割位置和斷面試樣的切割位置。垂直于焊接方向切割試樣，制取斷面試樣，經(jīng)細(xì)磨、拋光后進(jìn)行掃描電鏡和硬度分析。水平于試板方向切割，深度為試板上表面以下2mm，將部分銅板和Q235焊敷層全部切割下來，再將切割下來的部分制成厚度為0.9 mm的Q235拉伸試樣，其尺寸如圖2a所示，拉伸測(cè)試后的實(shí)物圖如圖2b所示。

圖2 拉伸試樣實(shí)物和尺寸

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過單因素實(shí)驗(yàn)，以低旋轉(zhuǎn)速度和低焊接速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不斷調(diào)整參數(shù)。然后確定出成形效果較好的工藝參數(shù)，再進(jìn)行焊接速度微調(diào)實(shí)驗(yàn)。每次確定工藝參數(shù)后進(jìn)行五次實(shí)驗(yàn)，再做抗拉測(cè)試，取平均抗拉強(qiáng)度如表1和表2所示。

表1 旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度與焊縫成形關(guān)系

表2 焊接速度和焊縫成形關(guān)系

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)焊縫成形的影響

耗材與試板摩擦產(chǎn)熱是材料達(dá)到熱塑化狀態(tài)的主要熱源。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較低時(shí)，耗材與試板接觸端產(chǎn)熱不足，沒有到達(dá)熱塑化溫度，此時(shí)在耗材的不斷旋轉(zhuǎn)下，焊材金屬流動(dòng)性不好，耗材很難焊敷母材表面；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度過大，耗材端面與試板摩擦產(chǎn)熱過多，造成接觸面熱影響區(qū)組織過熱、晶粒組織長(zhǎng)大，同時(shí)伴有低熔點(diǎn)共晶生成，造成試板局部出現(xiàn)熔化，焊接接頭強(qiáng)度下降[9-10]。本實(shí)驗(yàn)材料為Q235鋼耗材和T2紫銅板，根據(jù)鐵銅二元相圖可知，在850℃時(shí)出現(xiàn)鐵銅共晶產(chǎn)物，所以溫度控制在850℃以下[11-12]。

銅鋼異種材料摩擦堆焊中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為最低800 r/min時(shí)，熱量輸入過低，材料無(wú)法達(dá)到熱塑狀態(tài)，造成耗材端面的鐵元素很難焊敷到紫銅板表面，其連接性較弱、強(qiáng)度較低，造成焊敷層表面粗糙。隨著耗材旋轉(zhuǎn)速度的提高，耗材端面與銅板摩擦產(chǎn)熱提高，摩擦端面達(dá)到熱塑狀態(tài)，材料的流動(dòng)性提高，更容易生成焊敷層。當(dāng)耗材旋轉(zhuǎn)速度為1 100 r/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，達(dá)母材抗拉強(qiáng)度的93%，后面銅板表面出現(xiàn)凹陷，主要原因是累計(jì)的熱量使得銅板溫度升高，超過熱塑溫度，造成銅板局部熔化并向外擴(kuò)散，所以使得焊縫金屬材料缺少。當(dāng)耗材旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整為1 200 r/min時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度過高，摩擦產(chǎn)熱過大，飛邊較為嚴(yán)重，同時(shí)生成部分低熔點(diǎn)共晶。經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)分析得，當(dāng)耗材旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min時(shí)，焊縫成形較好，經(jīng)過掃描電鏡分析，焊核區(qū)兩種材料界面處幾乎沒有相互稀釋的現(xiàn)象，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材抗拉強(qiáng)度的89%。并且從圖3和圖4中可知，堆焊層兩邊元素?cái)U(kuò)散的很少，所以這是一種幾乎沒有稀釋的焊接方法[13-14]。

圖3 實(shí)驗(yàn)材料銅元素的分布情況

圖4 實(shí)驗(yàn)材料鐵元素的分布情況

2.2.2 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

焊接速度對(duì)焊縫成形的影響如表2所示。當(dāng)焊接速度為50 mm/min時(shí)，母材表面幾乎沒有焊敷上鐵元素，說明耗材端面與母材摩擦產(chǎn)生熱量少，金屬熱沒有達(dá)到塑性溫度。隨著焊接速度的降低，焊縫表面成形變好，當(dāng)焊接速度降到30 mm/min時(shí)，母材表面焊敷完整，且表面光潔，切開焊接接頭，并打磨、拋光后觀察，沒有發(fā)現(xiàn)有氣孔裂紋存在，焊敷層的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到345.9 MPa。當(dāng)進(jìn)一步降低焊接速度到20 mm/min時(shí)，焊接速度太慢不利于熱量散發(fā)，散熱過慢使得兩金屬端面溫度過高，接觸面溫度已經(jīng)超過了鋼的最佳熱塑狀態(tài)，鋼的硬度開始下降，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，使得銅板過軟被焊透，銅板上幾乎沒有堆焊上Q235鋼，幾乎沒有堆焊層，出現(xiàn)了熱量過大焊透銅板的現(xiàn)象。

焊接速度過快，摩擦產(chǎn)熱不足，并且材料在熱塑狀態(tài)下停留的時(shí)間較短，造成耗材端面鐵元素流動(dòng)性不足，使得堆焊不容易進(jìn)行[15-17]。隨著焊接速度的降低，摩擦產(chǎn)熱輸入累計(jì)增加，并且材料在熱塑狀態(tài)下保持時(shí)間也相應(yīng)增加，在耗材的不斷旋轉(zhuǎn)下，耗材金屬擴(kuò)散流動(dòng)性提高，焊縫成形質(zhì)量逐漸提高。當(dāng)焊接速度過低時(shí)，由于摩擦累積的熱量過多，母材表面熔化，冷卻后容易產(chǎn)生氣孔裂紋等缺陷，焊接時(shí)間延長(zhǎng)造成熱影響區(qū)母材組織粗大，力學(xué)性能降低。

圖5 銅-鋼焊接接頭宏觀形貌（旋轉(zhuǎn)速度1 000 r／min、焊接速度30 mm／min）

在進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，焊接速度為30mm/min時(shí)，焊縫質(zhì)量較好，宏觀形貌如圖5所示。測(cè)試界面維氏硬度，發(fā)現(xiàn)界面處兩邊硬度跨度非常大，如圖6所示，說明兩側(cè)金屬緊密度良好，并且互相擴(kuò)散很少。

2.2.3 其他焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響

摩擦堆焊開始階段，耗材與試板接觸并旋轉(zhuǎn)，由于耗材與板材的溫度都比較低，這時(shí)焊接會(huì)產(chǎn)生裂紋、變形等缺陷[18]，適當(dāng)停留一段時(shí)間有助于試板達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。兩種材料熱物理性能如表3所示。

圖6 試樣的硬度測(cè)試折線表

表3 銅和鋼的物理性質(zhì)

焊接起始停留時(shí)間選擇為6～8 s，有助于兩種材料的充分加熱。進(jìn)行摩擦堆焊需要給予耗材一個(gè)下壓力，當(dāng)施加的下壓量不夠時(shí)，耗材摩擦產(chǎn)熱不足，金屬材料無(wú)法達(dá)到最佳熱塑狀態(tài)，耗材移動(dòng)時(shí)阻力會(huì)比較大，機(jī)器抖動(dòng)厲害，焊縫質(zhì)量較差；隨著下壓量的增大，下壓大約0.1 mm，熱量累積增多，焊縫成形得到改善；當(dāng)下壓量繼續(xù)增大，會(huì)造成焊縫熱塑狀態(tài)的金屬?gòu)膬蛇呉绯?，使得耗材端面處金屬減少，焊縫無(wú)法填平，出現(xiàn)焊縫表面下凹過大的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)焊接速度30mm/min、旋轉(zhuǎn)速度1000r/min時(shí)，堆焊層的宏觀外貌最好，幾乎沒有出現(xiàn)氣孔、裂紋和咬邊等焊接缺陷，焊接接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材抗拉強(qiáng)度的89%。

（2）通過掃描電鏡測(cè)試發(fā)現(xiàn)，銅板表面焊敷上了一層鐵，表明摩擦堆焊工藝還可以對(duì)金屬表面進(jìn)行改性和表面金屬修復(fù)。摩擦堆焊的幾乎無(wú)稀釋作用在堆焊后不會(huì)破壞母材，而且還能起到耐磨抗腐蝕性能的作用。焊接時(shí)幾乎沒有飛濺，也不需要保護(hù)氣體，是一種生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、低能環(huán)保的便于大型機(jī)械化工業(yè)生產(chǎn)的焊接方法。

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Optimization of friction welding process for dissimilar metals of steel to copper

LIU Yude， WANG Shuo，SHI Wentian，WU Gang，ZHANG Hao
（School of Material Science and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

Friction welding is a newly developing technology in recent years.Researches on friction welding of Al alloy has become the focus at home and abroad，but the research on the dissimilar materials Cu-Fe welding is rare.Through a large number of experiments，the study of the tensile strength of the welded joints was carried out with the rotating speed of 800～1 200 r/min and welding speed of 20～50 mm/min.The results show that when the rotating speed is 1 000 r/min and the welding speed is up to 30 min/ mm，the average tensile strength of the friction welded copper-steel joints is about 89%of that of the base metal，and the welding quality is the best.

friction surfacing；Q235 steel；copper

TG456.7

A

1001-2303（2017）04-00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（01）：1-6.

2016-09-19；

：2016-12-12

劉玉德（1963—），男，北京人，教授，博士，主要從事增材制造的研究工作。