H80黄铜与T1紫铜异种金属间的搅拌摩擦焊工艺实验

H80黄铜与 T1紫铜异种金属间的搅拌摩擦焊工艺实验

罗杰元

四川红华实业有限公司，四川 峨眉山 614200

摘要：本文主要针对H80黄铜与T1紫铜两种异种金属的搅拌摩擦焊开展工艺实验。通过实验分析了不同板厚的黄铜和紫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金属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、性能优良的黄铜-紫铜接头，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；黄铜；紫铜；工艺实验

现代工业中，为了达到既满足使用性能要求，又能降低成本、节约贵重材料的目的，往往需要将不同性能的金属通过焊接形成复合零部件。但往往异种金属间性能上的差别较大，成分组合多样化，导致异种金属间的焊接通常要比同种金属困难得多。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[1~2]。对于搅拌摩擦焊焊接异种金属的研究，目前公开的报道还较少。本文主要开展H80黄铜与T1紫铜异种金属的FSW工艺试验，研究影响黄铜-紫铜接头质量的工艺参数及在焊接过程中形成的物相成分，并分析焊缝组织形态及接头的力学性能。

1 实验方法

试验分别选用3mm厚H80黄铜与T1紫铜和6mm厚H80黄铜与T1紫铜作为实验材料。在FSW-LM-BS08搅拌摩擦焊机上，对黄铜-紫铜组合焊板进行FSW实验。实验时，采用适合焊接铜合金的摩擦头，搅拌针长度相对焊板厚度短0.1mm~0.2mm，方向相对于工件表面的夹角为1°，通过改变工艺参数，以得到更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，腐蚀时采用先黄铜侧、后紫铜铜侧腐蚀的顺序进行。腐蚀后分别采用光学显微镜LJ-JX2030和X射线衍射仪XD6分析组织、交界区的物相成分，并测试接头的显微硬度和力学性能。

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，由于返回侧温度高于前进侧，且黄铜的导热系数及熔点温度低于紫铜，故在焊接时大多将紫铜放置在返回侧，而将黄铜放置在前进侧。当板材厚度为3mm时，对H80黄铜与T1紫铜在不同工艺条件下的搅拌摩擦焊焊接表面成形情况开展实验。实验时黄铜位于前进侧，紫铜位于返回侧。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750r/min时，焊速选择范围较宽，虽然提高了焊接速度，但焊缝表面成形逐渐变差。由于旋转速度的提高，更大程度上提升了单位长度焊缝的热输入量，导致材料流动性能变差。同时，摩擦头的轴肩压力增大也增加了热量输入。由于板材较薄，轴肩摩擦产生的热量起着主要作用。在相同的旋转速度下，不同轴肩压力对热量的贡献不同。摩擦头下压量增大，产热量变大，更易导致表面出现大小不均匀的成形环。

2.2 接头微观组织及交界处物相分析

当板材厚度为6mm时，分析搅拌摩擦焊后H80黄铜与T1紫铜的接头横剖面形貌。实验时黄铜位于前进侧，紫铜位于返回侧。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。在焊核区中的环形结构内只有少量紫铜掺杂在其间，主要成分是黄铜。混合区内大部分区域黄铜和紫铜两者都是大面积块状突出连接在一起。黄铜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，而紫铜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，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，最终形成洋葱样的结构。出现在前进侧处的紫铜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T1/H80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。

2.3 接头力学性能分析

当板材厚度为6mm，旋转速度为600r/min时，在H80黄铜、T1紫铜接头横剖面上，检测沿紫铜向黄铜方向每隔一定距离的显微硬度值分布。实验中黄铜母材的平均硬度值为160Hv，紫铜母材的平均硬度值为95Hv。整个显微硬度值分布呈现为在较低范围内波动升高的趋势。由于黄铜母材的硬度比紫铜的高，在从紫铜向黄铜过渡带显微硬度明显上升。整个接头呈现软化现象。紫铜硬度下降了10~20Hv；而黄铜硬度值下降幅度更大，下降了40~60Hv。焊接工艺对接头显微硬度值有一定的影响。当旋转速度为450r/min、焊接速度为80mm/min时，接头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为明显，而在紫铜侧显微硬度值差别不大。这与两者的熔点和导热系数有关。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H80黄铜、T1紫铜交界线很窄，在图中基本没有测出金属化合物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，接头在断裂前出现了明显的颈缩，属于韧性断裂。在板厚为3mm的接头拉伸实验中，断裂大多发生在紫铜侧，而不是其交界处。

当板材厚度为3mm时，检测黄铜与紫铜在不同工艺参数下焊接的焊缝延伸率及抗拉强度。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600r/min，焊速为55mm/min时，接头延伸率最大，抗拉强度在不同旋转速度与焊接速度的搭配下也能达到最大值。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750r/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，能实现黄铜-紫铜异种金属的搅拌摩擦焊连接，且接头的组织、性能优良。

2）由于黄铜与紫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。接头内黄铜与紫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，紫铜侧软化幅度要小于黄铜侧。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。

参考文献

[1]刘小文，薛朝改，张小剑。铜板搅拌摩擦焊工艺优化[J]。焊接，2003,366（12）：9-12

[2]刑丽，柯黎明，孙德超，等。镁合金薄板的搅拌摩擦焊工艺[J]，焊接学报，2001,22（6:）：18-22.