鈹銅摩擦攪拌焊接對焊工藝板帶加工適應(yīng)性研究

（西北稀有金屬材料研究院寧夏分公司 稀有金屬特種材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000）

鈹銅又稱鈹青銅，是銅合金中的“彈性之王”，經(jīng)固溶時(shí)效熱處理后，可獲得高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性能的產(chǎn)品。高鈹銅具有高強(qiáng)度、高硬度、高導(dǎo)電性、高彈性、耐磨、耐疲勞、抗腐蝕性及彈性滯后小等特點(diǎn)，主要用于溫度控制器、手機(jī)電池、電腦、汽車零配件、微電機(jī)、電刷針、高級軸承、接觸件、齒輪、沖頭、各類無火花開關(guān)。傳統(tǒng)的熔化焊在焊接銅及銅合金時(shí)通常較為困難．主要是因?yàn)殂~具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，約為普通鋼和鎳基合金的10～100倍。因此相比其他合金．焊接銅及銅合金時(shí)需要更大的熱輸入和更慢的焊接速度．以避免熔化焊時(shí)容易出現(xiàn)母材難于熔合、焊不透和表面成形差等外觀缺陷。故焊接速度過快時(shí)，由于銅及銅合金導(dǎo)熱速度快，容易形成氣孔、熱裂紋等缺陷。另外，填充材料中雜質(zhì)元素的摻人也會使接頭的導(dǎo)電性及耐蝕性下降：銅及銅合金的線性膨脹系數(shù)和收縮率比較大．焊后殘余應(yīng)力會導(dǎo)致工件的嚴(yán)重變形[1-6]。焊接后的板帶材接口強(qiáng)度、韌性無法滿足后續(xù)帶箔材加工需求。

攪拌摩擦焊（friction stir welding,FSW）是一種新型固態(tài)連接方法，它能對多種熔化焊接性能差的金屬進(jìn)行可靠的連接由于焊接過程在低于材料熔點(diǎn)溫度下進(jìn)行，因此可以有效避免熔化焊的一些缺陷。

文中研究了國產(chǎn)QBe2鈹銅板材摩擦攪拌焊接接頭在鈹銅帶材加工過程中組織力性變化，使鈹銅帶材生產(chǎn)節(jié)省能源浪費(fèi)、提升成品率。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文選用國產(chǎn)2.5mm固溶態(tài)QBe2帶材進(jìn)行測試，其化學(xué)成分詳見表1，規(guī)格尺寸見表2。

表1 材料化學(xué)成分wt.%

表2 試驗(yàn)采用的原材料

1.2 試驗(yàn)方法

焊前用砂紙打磨試板焊接表面，并用酒精清洗以去除油污，然后將兩板放在工作臺上，保證焊接面兩板間隙小于0.2mm。之后用夾具固定好，調(diào)整好轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度和工作臺的行走速度，再調(diào)整攪拌頭軸肩的下壓量。使攪拌頭沿著焊接方向以一定的速度向前移動，完成焊接過程焊接示意圖見圖1。焊接工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度700r/min，焊接速度為300 mm/min。

圖1 摩擦攪拌焊接示意圖

焊接后板材按照圖2工藝進(jìn)行熱處理和軋制，板材每經(jīng)過一個(gè)工序?qū)ζ浣M織性能進(jìn)行檢測。本文采用ICP全譜直讀光譜儀分析進(jìn)行化學(xué)成分分析；使用0lympus Gx5 1金相顯微鏡觀察合金的顯微組織；使用INSTRON 5982電子萬能試驗(yàn)機(jī)根據(jù)《ASTM E8金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》測試合金的拉伸性能，標(biāo)距為50 mm；采用HVS10Z數(shù)顯維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測量。

圖2 對焊后鈹銅板材加工流程

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接基材性能

圖3 2.5mmQBe2旋轉(zhuǎn)壓力焊接

2.2 旋轉(zhuǎn)壓力焊后組織性能對比

表3 旋轉(zhuǎn)壓力焊后力學(xué)性能

圖4 2.5mmQBe2拉伸試樣斷裂位置圖

由表3可以看出QBe2（B1）固溶態(tài)板材經(jīng)攪拌壓力焊接后硬度增加、強(qiáng)度下降、延伸下降屬典型的鑄態(tài)性能。QBe2攪拌壓力焊接后拉伸斷裂如圖4所示斷于焊接接口處。

由圖5可以看出自基體向焊接中心其組織由40um漸變?yōu)?um。

圖5 2.5mmQBe2旋轉(zhuǎn)壓力焊組織形貌200×

圖6 2.5mm→1.2mm軋制前后照片

2.3 焊接后軋制

表4 焊后軋至1.2mm力學(xué)性能

圖7 1.2mmY態(tài)拉伸試樣斷裂位置

圖8 1.2mmY基體組織100×

圖9 1.2mmY焊縫組織200×

圖10 1.2mmQBe2固溶態(tài)焊接和基體金相組織100×

板材經(jīng)52%冷軋后基體和焊接組織呈圖8和圖9所示的纖維加工態(tài)形貌，硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率趨于一致。焊接件拉伸斷裂于非焊接處，由此可見焊接結(jié)合度與基體一致可以滿足后續(xù)加工。

2.4 軋制態(tài)板材熱處理后組織性能

固溶工藝：隨爐升溫溫到計(jì)時(shí)，790℃×2h，快速出爐水冷至室溫。固溶后力性如表5所示，如圖10所示焊接處和基體晶粒尺寸在35um～40um趨于一致。

表5 1.2mmQBe2固溶態(tài)基體力學(xué)性能

2.5 0.8mmCY態(tài)QBe2成品組織性能

由圖11可以看出2.5mm板材經(jīng)旋轉(zhuǎn)壓力焊合后焊縫變?yōu)橐粭l有視覺差異的線，經(jīng)20×放大后焊縫處較基體形貌光滑無夾渣起皮等缺陷。

表6 0.8mmCY態(tài)QBe2力學(xué)性能

1.2mm固溶態(tài)帶材經(jīng)33%加工率軋至0.8mm后性能如表6所示滿足YS/T323—2002鈹青銅板材和帶材CY態(tài)標(biāo)準(zhǔn)要求。含焊縫和基體的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)到無差異，且含焊縫拉伸試驗(yàn)斷后伸長率較基體高出28%。由圖12、13可以看出經(jīng)33%加工率冷軋后焊接處和基體的晶內(nèi)出現(xiàn)大量滑移帶、晶粒被拉長，且焊接處的滑移帶較基體組織滑移帶多。

3 試驗(yàn)結(jié)論

（1）2.5mm固溶態(tài)QBe2鈹青銅經(jīng)旋轉(zhuǎn)壓力焊后焊接處組織變?yōu)榧?xì)小晶粒硬度上升，強(qiáng)度下降，延伸率下降50%。

（2）板材經(jīng)52%冷軋后基體和焊接組織呈圖10和圖11所示的纖維加工態(tài)形貌，硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率趨于一致。焊接件拉伸斷裂于非焊接處，由此可見焊接結(jié)合度與基體一致可以滿足后續(xù)加工。

（3）經(jīng)790℃×2h固溶后焊接處和基體晶粒尺寸在35um～40um趨于一致。

圖11 0.8mm成品焊縫宏觀形貌

圖12 0.8mm成品焊縫與基體形貌20×

圖13 0.8mmCY態(tài)QBe2焊接和基體金相組織200×

（4）1.2mm固溶態(tài)帶材經(jīng)33%加工率軋至0.8mm后性能如表6所示滿足YS/T323—2002鈹青銅板材和帶材CY態(tài)標(biāo)準(zhǔn)要求。含焊縫和基體的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)到無差異，且含焊縫拉伸試驗(yàn)斷后伸長率較基體高出28%。由圖10、13可以看出經(jīng)33%加工率冷軋后焊接處和基體的晶內(nèi)出現(xiàn)大量滑移帶、晶粒被拉長，且焊接處的滑移帶較基體組織滑移帶多。

（5）綜上所述，QBe2板材經(jīng)摩擦攪拌焊后經(jīng)50%加工率冷軋后性能趨于一致，再經(jīng)一次固溶熱處理后其組織也趨于一致。此時(shí)再進(jìn)行后續(xù)（冷軋/熱處理）加工直至成品除焊縫處存在明顯色差外再無其他區(qū)別。