【文章內(nèi)容簡介】 移的“抽吸擠壓”理論假說，其基本表述如下：在攪拌摩擦焊條件下，由于攪拌針表面螺紋僅具有有限長度，其一端為攪拌頭的軸肩，另一端為剛性的底板，焊接過程中攪拌針端部與底板間的距離保持不變。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)引起塑性金屬沿螺紋表面軸向流動時，必存在一入口端和一出口端。在入口端，有可能形成一瞬時空腔，周圍塑性金屬將被吸向此空腔，形成所謂抽吸效應(yīng)；在出口端，塑性金屬將改變流向并擠壓周邊金屬，形成所謂擠壓效應(yīng)；正是由于空腔對塑性金屬朝焊縫中心的抽吸作用和擠壓區(qū)往外對塑性金屬的擠壓作用，使高溫塑性金屬在攪拌針軸向形成劇烈的遷移運(yùn)動。圖13為帶左螺紋的攪拌針的攪拌頭順時針旋轉(zhuǎn)時“抽吸—擠壓” 理論模型示意圖。攪拌針端部金屬脫離攪拌針朝周圍呈輻射狀擠壓，將原來在攪拌針端部的金屬擠向更遠(yuǎn)的區(qū)域。王曉東 [28]在其對攪拌摩擦焊焊縫塑性金屬在焊縫厚度方向的遷移行為的研究中，結(jié)合相關(guān)的試驗(yàn)對“抽吸—擠壓” 理論進(jìn)行了驗(yàn)證。研究還發(fā)現(xiàn)：增大攪拌頭軸肩下壓量和在一定范圍內(nèi)增大攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度的比值 n/v，都能使單位時內(nèi)塑性金屬的遷移量增加，焊縫厚度方向的“抽吸—擠壓” 效應(yīng)增強(qiáng)。欒國紅 [29]通過對攪拌摩擦焊的焊接行為和焊接接頭的金相圖的觀察和比較，主要是對異種鋁合金 Al6061 和 Al6024 分別進(jìn)行了攪拌摩擦焊開敞式試驗(yàn)、急停試驗(yàn)、搭接試驗(yàn)，并在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上對攪拌摩擦焊的流變特性進(jìn)行了分析和討論后認(rèn)為：在縱向攪拌摩擦焊時，攪拌頭的前方上部區(qū)域塑性金屬向下運(yùn)動，前下部區(qū)域塑性金屬沿?cái)嚢桀^并由其返回邊向前進(jìn)側(cè)移動；在攪拌頭后方區(qū)域觀察到雙層薄層間混結(jié)構(gòu)組織，在薄層結(jié)之間存在無序混合區(qū)等現(xiàn)象。張武 [30]等通過采用鑲嵌紫銅箔作為標(biāo)示材料對 LY12 進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，焊后觀察焊縫橫截面上塑性材料的遷移行為。研究結(jié)果表明:在焊縫橫截面上，探針附近的塑性材料沿帶左旋螺紋的探針表面從焊縫上表面螺旋遷移至焊縫底部，從四周向焊縫表面遷移，在厚度方向上形成一個連續(xù)遷移的循環(huán)路徑。塑性變形的區(qū)域關(guān)于焊縫中心不對稱，塑性材料在焊縫中心形成類似于傾斜“花瓶” 狀的形貌。從焊縫表面至底面，塑性變形區(qū)寬度逐漸減小，前進(jìn)邊塑性材料向焊縫表面遷移的距離小于返回邊，前進(jìn)邊塑性變形區(qū)小于返回邊。圖 13 “抽吸—擠壓”理論模型示意圖 攪拌摩擦焊接頭的界面遷移及力學(xué)性能柯黎明 [27]在對攪拌摩擦焊接頭成形規(guī)律的研究中提出：當(dāng)使用攪拌針表面帶有螺紋的攪拌頭進(jìn)行焊接時，焊核外圍的高溫塑化金屬將視攪拌針表面螺紋的旋向，沿板材上部或下部流動，同時原始搭接界面也將朝焊縫上部或下部移動而進(jìn)入板材內(nèi)部。他還指出，當(dāng)攪拌針表面為左螺紋時，原始界面伸入上板材，而攪拌針表面為右螺紋時，原始界面伸入下板材。同時他還認(rèn)為，采用左螺紋和右螺紋攪拌針焊接的相互平行且距離較近的復(fù)合焊縫可以消除原始界面伸入對接頭強(qiáng)度的影響。[31]在對純鋁和低碳鋼的攪拌摩擦搭接焊的研究中，通過改變焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，之后進(jìn)行剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接頭的剪切強(qiáng)度隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加，隨著焊接速度的增加稍微降低。分析認(rèn)為其原因是焊縫橫截面上焊核中的界面形態(tài)不同造成的，當(dāng)兩板中的界面相互遷移深度越深，焊縫的剪切強(qiáng)度越高。ChangYong Lee 等 [32]對 5052 和 6061 鋁合金的攪拌摩擦焊搭接接頭性能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：焊縫橫截面的遷移界面具有前進(jìn)、返回邊同時垂直向上遷移或同時垂直向下遷移兩種形態(tài)，且隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加和焊接速度的降低，接頭的斷裂載荷都有所降低。分析認(rèn)為旋轉(zhuǎn)速度的增加和焊接速度的降低使得單位時間內(nèi)焊縫中發(fā)生遷移的金屬量增加，遷移界面的遷移量越大，且形狀更尖銳，使得界面尖端應(yīng)力集中更嚴(yán)重，從而降低了接頭的斷裂載荷。邢麗等 [33]在防銹鋁 LF6 的固態(tài)塑性連接工藝的研究中認(rèn)為：用固態(tài)塑性連接方法焊接防銹鋁 LF6(M)，其接頭強(qiáng)度可以達(dá)到母材的強(qiáng)度，其背彎和正彎角度可達(dá)到 1800；焊接規(guī)范對接頭的力學(xué)性能有影響，不同厚度的板材，存在一個最佳力學(xué)性能規(guī)范區(qū)，攪拌摩擦?xí)r單邊溝槽缺陷的形成和位置與焊接規(guī)范和攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，它們是金屬塑性流動的結(jié)果。王訓(xùn)宏等 [34]對鋁鎂異種材料攪拌摩擦焊接頭特點(diǎn)與脆性本征的研究認(rèn)為：鋁合金與鎂合金的晶粒以河流狀匯合的方式充分地交織在一起，晶粒的分布具有明顯的梯度特征。當(dāng)這種混合的交織狀態(tài)過渡到熱力影響區(qū)時可以發(fā)現(xiàn)，隨著速度梯度的變化，混合的均勻程度明顯減弱，呈現(xiàn)層狀的結(jié)合狀態(tài)。從焊接接頭斷口的掃描電鏡形貌可以看出：單側(cè)啟裂的拉伸斷口沒有觀察到明顯的纖維區(qū)和剪切唇這一特征，而是在一側(cè)出現(xiàn)少量的韌窩帶和大量的變形帶特征，中部區(qū)域以解理為主，小部分為準(zhǔn)解理特征，表明焊接接頭金屬的脆性較大。 邢麗等 [35] [36]在用攪拌摩擦焊接焊接低碳鋼與紫銅及鋁合金與鋼后分析其顯微組織后得出如下結(jié)論：（1）低碳鋼/紫銅接頭的顯微組織與其所受到的熱和力作用大小有關(guān)。在接頭鋼側(cè)軸肩擠壓區(qū)有較大的變形，組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶后形成了細(xì)小的等軸晶鐵素體；在探針附近的熱影響區(qū)，經(jīng)歷的應(yīng)變較小，組織則由變形的先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體組成；在接頭銅側(cè)熱影響區(qū)的晶粒受熱長大，而熱力影響區(qū)的銅由于發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)??；在焊核區(qū)，上部主要由鋼、銅薄層交疊組成；焊核中下部為鋼、銅及鋼與銅形成的化合物交疊組成的漩渦狀條帶，其中銅條帶的組織為細(xì)小的等軸晶，鋼條帶的組織為細(xì)小的等軸晶或先共析鐵素體+側(cè)板條鐵素體組織。（2）當(dāng)焊接工藝參數(shù)合適時，可以獲得表面成形良好、無變形的鋁合金與鋼的對接接頭和搭接接頭。對于對接接頭，金相分析表明，在焊縫橫截面，低碳鋼與鋁合金呈較好的混合狀態(tài)，在平行焊縫表面的平面內(nèi)，兩種材料呈交疊分布。力學(xué)性能試驗(yàn)表明：焊核內(nèi)局部區(qū)域具有較高的顯微硬度，可能是形成了鋼與鋁的金屬間化合物，拉伸試樣斷裂在焊核區(qū)邊緣偏低碳鋼一側(cè)。對于搭接接頭，接合面處的鋼呈形似“鉗子”或彎鉤狀的分布，鋼鉚進(jìn)了鋁合金焊縫中，兩種材料能有效地達(dá)到塑性結(jié)合，接頭的抗剪切性能較好綜 上 所 述 ， 銅 /鋁 由 于 它 們 的 物 理 性 能 及 化 學(xué) 性 能 存 在 較 大 的 差 異 ， 特 別 是熔 點(diǎn) 相 差 424℃ ， 線 膨 脹 系 數(shù) 相 差 40%以 上 ， 熱 導(dǎo) 率 也 相 差 70%以 上 ， 且 鋁 容 易氧 化 形 成 致 密 的 Al2O3， 采 用 一 般 的 熔 焊 焊 接 方 法 獲 得 良 好 的 焊 接 效 果 比 較 困 難 。攪 拌 摩 擦 焊 是 一 種 新 型 的 固 相 塑 性 連 接 技 術(shù) ， 由 于 其 焊 接 過 程 中 被 焊 材 料 沒 有 熔化 ， 故 能 避 免 熔 焊 時 產(chǎn) 生 的 一 些 缺 點(diǎn) 。 目 前 攪 拌 摩 擦 焊 方 的 研 究 已 經(jīng) 從 最 初 鋁 及異 種 鋁 合 金 方 面 的 研 究 方 向 轉(zhuǎn) 向 對 其 他 異 種 金 屬 的 攪 拌 摩 擦 ， 現(xiàn) 在 攪 拌 摩 擦 焊 成功 焊 接 鋁 合 金 /鎂 合 金 、 銅 /銅 合 金 、 鋁 合 金 /鈦 合 金 、 不 銹 鋼 /低 碳 鋼 及 其 他 異 種 材 料也 相 繼 見 諸 報 道 。 但 在 銅 /鋁 異 種 金 屬 的 攪 拌 摩 擦 焊 方 面 見 諸 報 道 的 研 究 還 非 常 少 ，尤 其 是 56mm 厚 的 材 料 。 同 時 攪 拌 摩 擦 焊 也 由 最 初 的 工 藝 研 究 轉(zhuǎn) 向 攪 拌 摩 擦 焊 過程 中 攪 拌 頭 周 圍 塑 性 材 料 的 流 動 行 為 。 在 攪 拌 摩 擦 焊 中 焊 縫 塑 性 材 料 的 流 動 直 接關(guān) 系 到 焊 縫 組 織 的 形 成 ， 對 焊 縫 性 能 具 有 重 要 的 影 響 。 理 解 焊 縫 金 屬 的 塑 性 流 動機(jī) 理 ， 對 揭 示 接 頭 組 織 形 成 的 機(jī) 理 、 攪 拌 頭 設(shè) 計(jì) 形 狀 有 著 重 要 的 意 義 。 研究內(nèi)容 銅/鋁兩者物理性能相差太大故熔化焊比較困難，目前國內(nèi)外對銅 /鋁板的焊接也只做了 34mm，本課題主要對 6mm 厚的銅/鋁板從以下幾個方面進(jìn)行工藝探索：（1）對厚度為 6mm 的 T2 紫銅板與 LD10 鋁合金的攪拌摩擦焊搭接焊的工藝進(jìn)行可行性探索；（2）對不同焊接參數(shù)所得焊縫外觀進(jìn)行觀察并分析不同焊接工藝參數(shù)對焊縫表面成形的影響；（3）對接頭進(jìn)行取樣制作金相，并對金相的表面宏形貌及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微觀察，觀察界面線的遷移、金屬的流動情況及其內(nèi)部組織的晶粒形態(tài)的變化，并分析晶粒形態(tài)變化與焊接工藝參數(shù)的相關(guān)性；（4）對接頭進(jìn)行顯微硬度的測試及拉剪試驗(yàn)，通度硬度曲線分析組織內(nèi)部的變化；通過接頭的拉剪試驗(yàn)，觀察接頭的斷裂位置及斷口形貌，分析其接頭的主受力位置，對比不同焊接工藝參數(shù)試樣的斷裂方式及斷裂峰值并分析其原因；（5）通過綜合對比不同焊接工藝參數(shù)所得接頭的外觀形貌，內(nèi)部組織及力學(xué)性能，確定一最佳工藝參數(shù)。2 試驗(yàn)條件及方法 試驗(yàn)條件 試驗(yàn)材料試驗(yàn)所選材料是厚度為 6mm 的 T2 紫銅與 LD10 鋁合金， T2 是陰極重熔銅，含微量氧和雜質(zhì)，具有高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、良好的耐腐蝕性和加工性能。T2 紫銅的熔點(diǎn)為 1065～℃ ，常溫下熱導(dǎo)率為 390W（mK） 線膨脹系數(shù)為。LD10 系 AlMmSiCu 系鍛鋁，該材料的合金元素含量高,通常在人工時效狀態(tài)下使用,主要強(qiáng)化相 Mg2Si、CuAl 2 等,強(qiáng)度高、熱塑性好。LD10鋁合金的熔點(diǎn)為 680℃,常溫下熱導(dǎo)率為 159W（mK ） 線膨脹系數(shù)為。T2 紫銅和 LD10 鋁合金的化學(xué)成份見 表 21 及表 22。焊接時采用搭接一道焊，焊前用丙酮清洗工件表面油污。表 21 T2 紫銅的化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù) %） 試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)采用由 X53K 型立式銑床改裝的攪拌摩擦焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接速度可在 ，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度可在 內(nèi)調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r針方向。攪拌頭的傾角可以任意調(diào)節(jié)，本課題試驗(yàn)過程中攪拌頭的傾角固定為 20。試驗(yàn)所用攪拌頭為錐形右螺紋，攪拌頭形狀如圖21 所示，攪拌頭基本尺寸參數(shù)如表 23 所示。Be Sb As Fe Ni Pb Sn S Zn 余量 CuCu Mg Si Mn Fe Zn Ni Ti 余量 ≤ ≤ ≤ ≤ Al攪拌頭類形 螺紋類形 軸肩直徑(mm)軸肩直徑(mm)攪拌針頂部直徑(mm)攪拌針長度(mm)錐形攪拌頭 右螺紋 圖 21 試驗(yàn)用攪拌頭 表 23 試驗(yàn)用攪拌頭尺寸參數(shù)圖 22 攪拌摩擦焊焊接實(shí)際工裝夾具圖 表 22 LD10 鋁合金的化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%） 試驗(yàn)方法 工藝試驗(yàn) 攪拌摩擦摩擦焊的主要焊接工藝參數(shù)有焊接速度、攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度和攪拌頭對工件的壓力，對于異種材料的焊接還與材料的放置位置有關(guān)。試驗(yàn)中，攪拌頭邊旋轉(zhuǎn)邊沿焊縫方向移動，其兩側(cè)金屬與攪拌頭相對運(yùn)動狀態(tài)不同，受到攪拌頭擠壓后，溫度和變形量有差異。通常將焊接方向與攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向一致的側(cè)稱為前進(jìn)邊（advancing side of weld,簡稱 AS） ，而將另一側(cè)稱為返回邊(returning side of weld,簡稱 RS)。本試驗(yàn)在前期進(jìn)行了多個工藝參數(shù)的試焊，最后先取了三個使接頭成形較好的工藝參數(shù)作為進(jìn)一步研究。為了研究攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度對焊縫成形成顯微組織等的影響，試驗(yàn)參數(shù)采取控制變量法。接頭方式選為搭接接頭，將鋁作為上板材，銅作為下板材，如圖 23 所示，試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)如表 24 所示。編號 旋轉(zhuǎn)速度(r/min) 焊接速度(mm/min) 下壓量(mm)a 750 60 b 950 60 c 950 75 表 24 焊接工藝參數(shù)圖 23 試驗(yàn)搭接示意圖銅 鋁 金相試樣的制取對焊縫的橫截面截取一小段用于觀察焊縫形貌，用 XQ1 型金相試樣鑲嵌機(jī)鑲嵌試樣，試樣鑲嵌后分別用從粗到細(xì)的水砂紙對試樣表面進(jìn)行打磨，之后在 PG2C 型雙速金相試樣磨拋機(jī)上進(jìn)行拋光，拋光完之后用 Keller 試劑腐蝕鋁側(cè)，用自制試劑腐蝕銅側(cè)。Keller 試劑及自制試劑化學(xué)成分如表 25 及表 26 所示。試劑名稱 H2O FeCl3 飽和 HCL C2H5OH含量(ml) 100 5g 4 100試劑名稱 H2O HNO3 HCL HF含量(ml) 150 3 6 6 接頭的顯微硬度測試采用 401MVD 數(shù)字顯微硬度計(jì)測量銅/鋁搭接接頭垂直原始界面線方向的顯微硬度分布。為了能更加全面的反映接頭的顯微硬度分布，在接頭前進(jìn)側(cè)，焊核中心區(qū)，返回側(cè)各選取一條線進(jìn)行硬度測試，硬度測試時從鋁側(cè)測試到銅側(cè)。測量點(diǎn)間距為 ，加載載荷為 200g，壓力保持時間為 15s。 接頭的拉剪性能測試對 不 同 參 數(shù) 試 驗(yàn) 得 到 的 搭 接 接 頭 試 樣 進(jìn) 行 拉 剪 強(qiáng) 度 測 試 ， 研 究 工 藝 焊 接 參數(shù) 對 接 頭 強(qiáng) 度 的 影 響 。 按 GB265189 規(guī) 定 制 作 剪 切 試 樣 進(jìn) 行 剪 切 試 驗(yàn) ， 拉剪試驗(yàn)在 WDS100 微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)上以 1mm/s 恒定的拉伸速度進(jìn)行。拉剪試樣標(biāo) 準(zhǔn) 件 如 圖 24 所 示 。 由于搭接接頭試樣兩端和焊縫中心的不等厚，在做 表 25 腐蝕鋁側(cè) Keller 試劑的成分表 26 腐蝕銅側(cè)自制試劑的成分剪切試驗(yàn)時會產(chǎn)生彎曲，對試驗(yàn)效果會產(chǎn)生嚴(yán)重影響