张骁;王敏;张会杰;朱智;于涛;吴振强馈线卡
【摘 要】目的 研究铝铜异种材料的搅拌摩擦焊搭接工艺,揭示搭接接头界面行为演变的基本规律.方法 对1 mm的6061铝合金与1 mm的紫铜薄板进行搅拌摩擦焊搭接焊接,测试焊缝的力学性能,对焊缝组织进行分析.结果焊缝表面成形良好,焊缝内部无缺陷.接头的最高拉伸强度达到1447 N,观察拉伸接头断口形貌,发现断裂均发生在上层铝合金的热影响区.结论 接头连接界面区域生成钩状"自锁紧"结构,这种钩状"自锁紧"结构增加了铝铜之间的有效接触面积,有利于提高焊缝连接强度. 【期刊名称】《精密成形工程》
【年(卷),期】2017(009)005
镁碳砖【总页数】5页(P187-191)
【关键词】小麦草榨汁机搅拌摩擦焊;薄板;铝铜;搭接;自锁紧
【作 者】张骁;王敏;张会杰;朱智;于涛;吴振强
【作者单位】中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳 110016;中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳 110016;中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳 110016;中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳 110016;中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳 110016;中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳 110016
【正文语种】中 文
【中图分类】TG453+.9
铜合金的导电性能优良，在众多金属中仅次于银，这使其在电力行业中得到了广泛的应用[1]；除了优良的导电性，铜合金还具备良好的导热性能，非常适于制造现代化工工业中结构错综复杂、散热管交叉布置的热交换器[2]；同时，铜合金耐磨性好、化学稳定性高、抗腐蚀性好，而且还具备良好的机加工工艺性能，广泛应用于电机转子、定子、联接器等的制造[3]。铜在我国的储量比较有限，每年都要大量进口铜材，铜材价格高昂，这给国内相关工程领域带来了较高的成本支出[4]。铝合金的比强度高，电导率和热导率以及加工成形
性能优越，且耐腐蚀性好，在某些场合铝可以代替铜作为结构件[5—6]；但由于铝合金的导电性比紫铜差很多，在一些特定的工程应用中无法完全取代紫铜，这样，在这些工程应用中需要结合铝合金和紫铜的性能，制成一种特定的铝-铜结合件以满足应用，所以说铝-铜复合接头的应用前景十分广阔[7]。铝铜复合件的应用必然涉及到异种金属的焊接，但是，由于异种材料之间的化学、机械、热性能存在较大的差异，利用传统熔焊的方式连接异种材料存在很大的困难[8]。搅拌摩擦焊(FSW)是由英国焊接协会于 1991年发明的一种焊接技术，与其他焊接工艺相比，该方法的焊接变形较小且连接强度较高，该方法使用一种非消耗性的旋转工具，在焊接区产生摩擦热和变形，从而形成一个焊接区域，在焊接过程中材料仍然处于固相状态。在焊接区域处，材料在摩擦和热的作用下，很容易塑化。最近，一些学者尝试用搅拌摩擦焊焊接异种材料，如不同系列的铝合金、铝-钢、铝-镁及铝-铜等。因其所具有的特殊优势，搅拌摩擦焊在异种金属的焊接研究及应用方面提供了新的思路和方向，成为了研究热点[9]。
为了获得合格的焊前装配精度，先用砂纸打磨被焊板材的四周，去除毛刺，再用丙酮清洗焊板的表面，去除表面污垢。为了出薄板铝铜的最佳焊接工艺，利用响应面法设计出一组试验参数，按照设计的试验参数进行试验。为了研究不同焊速下焊接接头的焊接质量，
进行了200～700 mm/min下不同焊速的焊接试验。
利用 OLYMPUS金相显微镜和体式显微镜对焊缝微观组织进行分析。利用时代MV-TEST1100联动型维式图像显微硬度计对试样截面进行硬度分析。
在前期的焊接试验中发现，如果焊接参数选择不当，铝铜界面会出现孔洞等焊缝缺陷，见图1，焊缝缺陷会使铝铜连接效果减弱。经过分析，造成这种缺陷的原因有两点：一是当焊接压深过大时，上层铝板会形成较大飞边，且铝板会过分减薄，致使搭接面积减小，降低焊缝的抗剪切强度；二是当搅拌头旋转速度过快时，会造成焊缝温度过高，从而影响成形。经过工艺优化和大量的工艺试验，最终得到了合适的焊接参数以及成形较好的焊缝，见图2。
焊接参数优化后的铝铜搭接接头金相组织见图3。在接头焊接过程中，搅拌头的轴肩直接与上层铝板接触，轴肩的“搅拌-挤压”共同作用，使铝板产生塑性变形，焊接接头区域分为焊核区、热机影响区和热影响区，其中，焊核区受到的搅拌作用最为充分[10—11]。在搅拌头摩擦和向下挤压的复合作用下，大量的热量由此产生，这些热量传导到下面的铜板中，使铜板出现受热软化，软化后的铜板材料再被插入的搅拌针搅动。与此同时，上层铝发生
强烈的塑性变形，在内凹轴肩摩擦力与压力共同作用下，铝板上层前进侧的材料向下侧和后退侧运动[12]。在搅拌针的搅拌作用下，下层铜迁移进入铝基体，被搅拌针搅动的铜慢慢填充了铝迁移留下的的“瞬时空腔”，形成一种独特的“钩状自锁紧”结构[13]。从图3还可以看出，这种“钩状自锁紧”结构使铝和铜之间形成良好的结合，当铝基体中迁移入了铜材料后，铝铜之间的有效接触面积得到增加，铝铜界面的机械结合得到增强。迁移的铜材料被这种钩状的条带结构锁入铝基体之中，使铝和铜之间结合得更加牢固，而且钩状条带结构还具有自锁紧作用，从而大大提高了铝铜结合面的连接力。
搅拌摩擦焊是一种非稳态、非对称的物理作用过程，在搅拌摩擦焊具与被焊材料直接作用产生热量的同时[14]，被焊材料自身的塑性变形也能产生大量变形热，这 2种热量的共同作用使铝-铜结合面的材料达到了塑性状态，当材料的屈服切应力小于摩擦切应力时，被焊材料会产生剧烈的塑性变形，与此同时，铝-铜之间的结合面还会发生互相扩散，在上述这些作用共同影响下，形成了良好的铝铜接头。
线圈缠绕机铝铜搭接接头拉伸示意见图4，铝铜搭接接头的抗剪切强度由钩状自锁紧结构的高度和上层铝板的抗剪切厚度共同决定。钩状结构的高度太低，会降低铝板和铜板的连接面积；钩状
结构的高度太高，又会降低铝板的有效抗剪切厚度，所以需要调整焊接参数，从而在两者之间到平衡点，实现焊缝性能的最优化。
在2000 r/min的转速下，变换不同焊速得到的焊缝截面金相组织形貌见图5，可以发现，随着焊速的增加，铜板上的钩状自锁紧结构有增大的趋势。
在 CRIMS-DDL300万能试验机上对试样进行拉伸测试，拉伸速度为2 mm/min，断裂敏感度为20%，拉伸结果见表1。可以发现，铝铜焊缝抗拉强度最高的2组为14#和15#。这2组的转速均为1750 r/min，焊接速度均为450 mm/min，预热温度均为125 ℃，这也是通过BBD方式优化出的最优参数。
铝铜焊缝拉伸试样拉断后的宏观形貌见图6，从断后试样可以看出，断口均表现为上层铝板断裂，且断口都出现在上层铝板返回侧的热影响区，断口有少许的颈缩，且宏观形貌呈纤维状，这证明焊缝在断裂前产生了塑性变形。由此可以判断，铝和铜之间结合得非常牢固，界面之间的连接力大于铝板断裂的横向切应力，在拉伸试验中，随着拉伸力逐渐施加，铝板上横向切应力持续升高，在热影响区发生应力扩展，最后，在拉伸力的不断加载下，接头断裂在热影响区。
在搅拌摩擦焊焊接过程中，焊具与铝板不断摩擦生热，材料在机械作用下发生塑性变形产热，这些热量保证焊缝区的温度一直较高，这样，在焊缝区很容易形成铜铝金属间化合物[15]。Al-Cu二元相图见图7，可以看出，在不同的成分配比及相应的温度下，铝和铜之间可以生成一系列不同的金属间化合物。
对焊缝组织进行的能谱分析见图8，发现某些部位Cu和Al的原子比例为1︰2，可以推断，组织中有金属间化合物CuAl2存在。需要指出的是，铝-铜界面区域大范围的金属间化合物会减弱接头的力学性能[16—17]，因此需要避免金属间化合物的大范围出现。
对试样进行硬度分析，测试点的分布见图9。在铝铜界面的上端和下端0.1 mm处进行硬度测试，每隔0.3 mm打一个点，测试结果见图10。上层铝合金显微硬度分布见图10a，可以看出，硬度值较高的点主要分布在焊核区，原因是在搅拌摩擦过程中，铝合金发生了动态再结晶，该过程使铝合金组织的晶粒发生了细化[18—19]。在焊核区内，有些硬度值达到了紫铜的硬度，这是因为在搅拌摩擦焊具强烈的搅拌-挤压共同作用下，在上层铝合金焊核区的“洋葱环”内，迁移入了下层小颗粒或者小片状的铜材料[20]，而硬度测试时，测头刚好打在了铜上，从而使硬度值异常升高。
搭接焊缝下层紫铜的显微硬度曲线见图10b，与母材、热机影响区和热影响区相比，焊缝焊核区的硬度要高出很多，但是焊核区的宽度不是很宽；焊核区以外，热机影响区和热影响区的显微硬度变化不大。
焊接钢板
铝铜焊缝截面垂直方向上，从上层铜到下层铝的显微硬度分布见图10c，在铝板侧的硬度值较低，在铜板侧的硬度值较高，且在界面处存在一些硬度值极高的点，结合 EDS能谱分析可知，在铝铜结合面上生成了脆性的金属间化合物CuAl2，这些硬度值极高的点就是这些金属间化合物。
1) 在铝铜搭接搅拌摩擦焊焊缝的界面处存在钩状结构，在200～700 mm/min的焊速范围内，随着焊速的增加，钩状结构有增大的趋势。
2) 钩状结构的高度和材料的抗剪切厚度共同决定了焊缝的强度。
3) 焊缝组织中存在金属间化合物，这些金属间化合物的存在会降低焊缝的连接强度。
二阶低通滤波电路
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