发布时间：2021-05-17点击：3986
摘要:针对T2紫铜与H62黄铜异种材料进行了搅拌摩擦焊工艺研究.通过实验分析了不同板厚的紫铜和黄铜在各种工艺参数下的焊缝成形、接头微观组织及接头力学性能,并从微观角度分析了两种材料在接头中的分布情况及交界处的物相成分.实验表明,合适的焊接工艺参数可以获得组织、性能优良的紫铜-黄铜接头,接头交界处存在过渡带,宽度约为1～ 10μm的过渡物质.研究还发现接头显微硬度、平均抗拉强度介于黄铜与紫铜之间.
关键词:搅拌摩擦焊;异种金属;紫铜;黄铜;焊接参数
中图分类号: TG453 文献标识码: A
现代工业中,往往需要将不同性能的材料焊接成复合零部件,以期达到既能满足各种性能要求,又可节约贵重材料,降低成本的目的.但由于异种金属之间性能上的差别比较大,组合多样,对其接头的要求又各不相同,所以异种金属通常要比焊接同种金属困难得多.
搅拌摩擦焊(friction stir welding,简称FSW)是一种利用摩擦热作为热源的焊接方法,也称为固相焊接技术.该方法自问世以来,受到了国内外研究者的广泛关注,已成功应用于铝合金的焊接.并逐步向焊接镁合金、铜合金、钛合金及不锈钢等材料方面拓展[1～ 6] .对于搅拌摩擦焊焊接异种金属的研究,目前报道还较少[7] .本文主要针对T2紫铜与H62黄铜异种金属进行了FSW工艺试验,对影响紫铜-黄铜接头质量的工艺参数及在焊接过程中形成的物相成分作了研究,并对焊缝组织形态及接头的力学性能进行了分析.
1.实验方法
试验分别选用2 mm厚T2紫铜与H62黄铜和4 mm厚T2紫铜与H62黄铜作为实验材料.在SW-3LM-015专用搅拌摩擦焊机上,对紫铜-黄铜板进行FSW实验.实验时,采用适合焊接铜合金的摩擦头,搅拌针长度相对所焊板厚度短0.2 mm～0.3 mm,方向相对于工件表面垂线的夹角为2°,并通过改变工艺参数,以获得***佳的接头成形和质量.焊接完成后,沿垂直于焊缝方向切割所需试样.制作好的金相试样采用氯化高铁盐酸酒精溶液腐蚀(10 g的FeCl3、6 ml的HCl、40 ml的H2O、60 ml的C2H5OH),腐蚀时采用先对紫铜侧进行腐蚀,再对黄铜侧腐蚀的方法.腐蚀后分别采用大型光学显微镜MEF3和ADVANCE 8D X射线衍射进行组织、交界区物相成分分析,并对接头进行了显微硬度和力学性能测试.
2.实验结果及分析
2.1工艺参数对焊缝表面成形的影响
搅拌摩擦焊过程中,由于前进侧温度低于返回侧,且紫铜的导热系数及熔点温度高于黄铜,故在焊接时大多将黄铜放置在前进侧,而将紫铜放置在返回侧.实验所采用的部分焊接工艺参数如表1所示.表1紫铜与黄铜异种材料搅拌摩擦焊焊接工艺参数。。。。。
图1是2 mm厚的T2紫铜与H62黄铜在不同工艺条件下进行搅拌摩擦焊接时焊接表面成形情况.图上侧为前进侧-黄铜,下侧为返回侧-紫铜.从图1c、d中可看出当工件较薄时,对表面成形影响较大的是摩擦头的旋转速度.当旋转速度为700 r/min时,焊速选择范围比较大,这样焊接速度虽然提高,但焊缝表面成形开始变差,这是因为旋转速度的提高大大增加了焊缝单位长度上的热输入量,使材料流动性能变差.增加热量的另一个方式是增大摩擦头的轴肩压力,由于板较薄,轴肩摩擦产生的热量起着主要作用.在相同的旋转速度下,轴肩压力大小对热量的贡献不同,图1a和图1b是在旋转速度保持不变,改变焊接速度时得到的表面成形图,由于图1b摩擦头下压量大,产热量大,导致表面成形环出现大小不均匀现象.
2.2接头微观组织及交界处物相分析
图2是4 mm厚的紫铜与H62黄铜FSW接头横剖面形貌图,图右侧为前进侧-黄铜,左侧为返回侧-紫铜.从图中可看出,紫铜与黄铜的混合主要发生在焊核区,两者互相流动到彼此区域.在焊核区中有一洋葱环状结构如图中A表示[8],此区域内主要成分是黄铜,紫铜只是少量掺杂在其间.混合区内大
部分区域两者都是大面积块状突出连接在一起.右侧黄铜(前进侧)在搅拌过程中发生转移的材料主要是在轴肩直径范围内和搅拌针中部,在轴肩的带动下前进侧的塑性金属覆盖在返回侧金属表面,而左侧紫铜(返回侧)在轴肩及搅拌针的旋转带动下越过焊核中心而移动到前进侧,靠近轴肩的材料能够到达前进侧热机械影响区.焊核区的金属由于发生强烈的塑性剪切变形和流动,相互搅拌、混合[9,10],金属在这个区域内的流动实际上是围绕搅拌针按一定规律转移移动的,***终形成图中A处的洋葱环结构.从图中紫铜流动情况分析可知,前进侧材料的流动分三种情况:一是靠近搅拌针端部金属从下向上向前流动;二是搅拌针中部出现洋葱环流动,但在前进侧,这种流动与端部流动方向一致;三是洋葱环流动形态上出现塑性涡流现象.出现在前进侧处的紫铜B是从搅拌针端部向上向前流动的,而不是从紫铜相同高度绕搅拌针后侧移动过来的.类似的情况也出现在薄板T2/H62接头中,由于厚度小,两种材料成斜面连接在一起,且在焊核区出现部分紫铜完全混合在黄铜中.
图3是相对于图2不同部位的显微组织图.由图可知接头中各个区域内晶粒大小及形状不同,并且由于存在混合区,使接头中的情况更为复杂.图3a为紫铜母材区,与同种紫铜焊接时不同的是靠近黄铜区的紫铜晶粒明显增大,如图3b、3d.这是因为摩擦头两侧的热传导系数不同,由于紫铜温度高,导热系数好,大量的热从紫铜一侧传递出去,而靠近黄铜侧的紫铜由于处在焊核区,两侧导热慢,导致这个区域高温停留时间长,从而使这个区域的紫铜晶粒长大.而黄铜侧也因为输入热量太高,晶粒长大为粗大的等轴晶.在焊核区,由于两种材料不是均匀混合,紫铜混合稍均匀的区域晶粒形状明显增大,而在单一区域内紫铜晶粒明显大于黄铜,黄铜晶粒呈细小均匀分布,如图3c.图3f为前进侧黄铜热机械影响区的微观组织,相对返回侧,此区域分界明显,分界线两侧由大小差别明显的晶粒组成.对宏观图进行分析,发现焊核区两侧的分界线基本关于焊核区对称,这是由黄铜的熔点温度低所致.在紫铜与黄铜呈块状连接交界处发生了互相渗透,但渗透区极窄.T2/H62接头中,紫铜侧晶粒虽然在焊接过程中发生了动态再结晶与动态回复,但与黄铜侧相比,其晶粒大小变化并不明显.另一方面,在异种金属焊接接头中,两种材料交界处的连接情况对接头力学性能起着重要作用.根据接头宏观图可知两种材料连接形式大部分是由具有明显分界线的区域组成,只有极少数的混合区.从图4中的接头可以看出交界处存在不同于两种材料的物相,宽度约在10μm左右,沿交界线呈带状分布.图3a中交界处出现黑色相渗入白色相的现象,这表明两种材料主要还是通过金属键连接在一起.采用ADVANCE 8D X射线衍射对其交界处进行物相分析,如图5所示.通过分析发现接头中除了母材紫铜、黄铜外,还出现一种金属化合物Cu5Zn8.
2.3接头力学性能分析
图6是T2/H62接头横剖面上沿紫铜向黄铜方向每隔一定距离测得的显微硬度值分布图,图6a是板厚为4 mm,旋转速度为600 r/min时得到的接头硬度值分布.实验中紫铜母材的平均硬度值为95HV,黄铜母材的平均硬度值为160HV,整个曲线分布呈现为低(紫铜)—在较低范围内波动升高(黄铜)降低升高的趋势.由于黄铜母材的硬度比紫铜的高,因此在从紫铜向黄铜过渡带显微硬度明显上升.整个接头出现软化现象,与紫铜相比,黄铜硬度值下降幅度更大,下降了40～ 60HV,而紫铜硬度只下降了10～ 20HV.图6b是焊接工艺对接头显微硬度值的影响,从图中可以看出,旋转速度为450 r/min、焊接速度为80 mm/min时的接头显微硬度值要高于旋转速度更高、焊接速度更大时的接头,这种现象在黄铜侧表现尤其明显,而在紫铜侧显微硬度差别不大.这与两者的熔点及导热系数有关,由于黄铜熔点低,在较高温度下要比紫铜更容易软化,所以黄铜硬度下降幅度比紫铜的大.由于被焊板材比较薄,摩擦头旋转速度对焊缝热量的贡献比较大,因此旋转速度高产生的热量多,对接头影响大,软化现象严重.而在焊核区硬度值上升,这与此区域内大量均匀细小的晶粒有关.由于T2/H62交界线很窄,在图中基本没有测出这个区域内金属化合物Cu5Zn8的硬度峰值.虽然在物相分析中发现了金属化合物,但由于其含量较少,对接头的力学性能影响较小.从试样断口可以看出断裂并不是纯粹从两种材料交界处断裂,而是在焊核区偏向紫铜侧断裂,断口内出现了黄铜与紫铜混合夹层,接头在断裂前现了明显的颈缩,属于韧性断裂.在板厚为2 mm的接头拉伸实验中,断裂大都发生在紫铜侧,而不是其交界处.
图7为板厚2 mm的紫铜与黄铜在不同工艺参数下焊接获得的焊缝在延伸率及抗拉强度方面的对比,从图中可以看出接头平均抗拉强度基本与紫铜接头的平均抗拉强度相等.当摩擦头转速为600 r/min,焊速为55 mm/min时,接头延伸率***大,抗拉强度在不同旋转速度与焊接速度的搭配下也能达到***大值.但从整体上看,旋转速度保持在450～ 600r/min之间能得到合格的接头,所得到的接头延伸率和抗拉强度值都较为理想.旋转速度增加到700r/min时,由于旋转速度的增加提高了接头热输入量,造成焊接速度选择范围变窄,当焊接速度选择不当时,其接头延伸率、抗拉强度大幅下降,从而增大了控制焊接质量的困难程度.
3.结论
1)选用恰当的焊接工艺参数,能实现紫铜-黄铜异种金属的搅拌摩擦焊连接,且接头的组织、性能优良.
2)由于紫铜与黄铜物理性能上的不同,焊接后紫铜-黄铜接头内紫铜与黄铜晶粒大小差异较大,焊核区内黄铜晶粒细化,紫铜晶粒则出现一定程度的长大.接头内紫铜与黄铜两者之间存在过渡物质,X射线衍射分析为Cu5Zn8,过渡带宽度约为1～ 10μm.
3)焊接后接头显微硬度出现了不同程度的软化,黄铜侧软化幅度要大于紫铜侧.接头断裂在偏向紫铜侧发生,接头的平均抗拉强度介于黄铜与紫铜抗拉强度之间.
来源：中国知网 作者：王希靖
