【正文】 入不足，導(dǎo)致材料流動(dòng)不夠充分，層與層的相對(duì)流動(dòng)不是非常明顯。而圖 36（d）中則由于焊接工藝參數(shù)匹配合適使得焊接熱輸入相對(duì)充足，從而材料達(dá)到了相對(duì)較好的塑性狀態(tài)，在攪拌針的作用下，銅/鋁被充分的攪拌并發(fā)生層與層的相對(duì)流動(dòng)，由于其金屬流動(dòng)較充分，其洋蔥環(huán)的各環(huán)直徑也更小，從而顯得更加致密緊湊。在焊接參數(shù)為 n=950r/min,v=75mm/min 時(shí)之所以沒(méi)有出現(xiàn)洋蔥環(huán)組織而是以形如36（a）中的銅/鋁片狀相互交迭狀態(tài)。則應(yīng)該是相比 36（c）的焊接熱輸還要低，攪拌針周圍塑性金屬軟化程度不高，不足以跟隨攪拌針的旋轉(zhuǎn)方向流動(dòng)動(dòng)遠(yuǎn)離軸肩，從而未能最終形成洋蔥環(huán)，或是說(shuō)其也形成了洋蔥環(huán)，只是由于其洋蔥環(huán)的各個(gè)環(huán)的直徑很大，從而在接頭只顯現(xiàn)了洋蔥環(huán)的一部分，該部分的形貌便如 36（a ）中的銅 /鋁片狀相互交迭。綜上所述，銅/鋁攪拌摩擦焊搭接接頭主要由焊核、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)、母材四個(gè)區(qū)組成，其中熱影響區(qū)在熱循環(huán)作用下，其晶粒尺寸最大；由于銅/鋁達(dá)到塑性狀態(tài)的溫度及導(dǎo)熱性等物理性能相差較大，容易在銅/鋁的交界處產(chǎn)生洞孔甚到隧道型缺陷。銅/鋁接頭中會(huì)由于焊接工藝參數(shù)的不同出現(xiàn)洋蔥環(huán)組織或銅/ 鋁的片狀交迭區(qū)，當(dāng)焊接熱輸入較為充足時(shí)會(huì)出現(xiàn)洋蔥環(huán)組織，反之則以銅/鋁片狀交迭區(qū)代替。b 10μm a 10μm c 50μm d 50μm e 100μm 圖 36 焊縫組織中幾個(gè)典型區(qū)域（a）銅/鋁片狀交迭分布 （b）銅顆粒散落分布于鋁中 （c）n=750r/min,v=60mm/min 接頭中洋蔥環(huán) （d）n=950r/min,v=60mm/min 接頭中洋蔥環(huán) （e）接頭中的孔洞缺陷 接頭的力學(xué)性能分析 接頭的顯微硬度圖 37 為典型的銅/鋁搭接接頭顯微硬度分布圖，在圖中可以看出， T2 紫銅與 LD10 鋁合金的硬度值比較接近，其硬度值都在 220HV 左右，銅、鋁母材在靠近焊核時(shí)其硬度值具有小幅波動(dòng)。而在焊核處，顯微硬度波動(dòng)程度非常大。此處是是銅、鋁、銅/鋁三處組織的相互混合區(qū)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。從圖 35 的金相圖中可以看到，在焊核區(qū)，銅/鋁兩種材料有非常強(qiáng)烈的混合并呈洋蔥狀或銅/鋁片狀交迭區(qū)，交迭區(qū)的銅/ 鋁在摩擦熱與塑性變形的共同作用有可能形成金屬間化合物；另在距離攪拌針稍遠(yuǎn)的區(qū)域，銅/鋁又可能形成孔洞缺陷。從而使得焊核處的顯微硬度波動(dòng)非常大，顯微硬度的最大值與最小值都出現(xiàn)在焊核區(qū)。從高硬度點(diǎn)的金相圖中可以看出該高硬度點(diǎn)周圍灰白相間，灰色為鋁合金基體，白色為銅基體，該硬度點(diǎn)本身為白色，但其硬度值遠(yuǎn)高于鋁與銅基體，據(jù)此可以推斷該高硬度點(diǎn)為銅/鋁金屬間化合物。圖 典型銅/鋁搭接接頭顯微硬度分布鋁側(cè) 焊核 銅側(cè)鋁母材材金屬間化合物 銅母材64202462030405060708090顯微硬度/HV 距銅/鋁原始搭接面距離/mm 圖 38 為銅/ 鋁搭接接頭橫截面顯微硬度測(cè)試位置圖。圖中 aa，bb，cc 線分別為接頭的前進(jìn)側(cè)、焊核中心區(qū)、返回側(cè)部位顯微硬度的測(cè)試部位。圖 39則是分別沿 aa，bb ，cc 線從鋁側(cè)向銅側(cè)測(cè)試的顯微硬度分布圖。由圖可知，三個(gè)位置的硬度分布變化趨勢(shì)一致。但是各條曲線中的最高硬度點(diǎn)的到來(lái)時(shí)間卻有先后之分，依次為返回邊、前進(jìn)邊、焊縫中心區(qū)。分析認(rèn)為由于金屬是從前進(jìn)邊在攪拌針作用下向返回邊流動(dòng)，致使返加邊金屬充足，不易出現(xiàn)孔洞，并且由于此處銅較多，向上遷移距離也最大，銅/鋁更易在形成金屬間化合物，其金屬間化物同樣離界面線也更遠(yuǎn)；而焊核中心區(qū)的銅向鋁的遷移的量較少，而且容易由于金屬流動(dòng)不足出現(xiàn)孔洞。綜上所述，在銅/鋁接頭中容易產(chǎn)生硬脆的金屬間化合物，硬脆的金屬間化合物與缺陷的存在使得銅/鋁搭接接頭在焊核處的顯微硬度波動(dòng)程度非常大。圖 38 銅/鋁搭接接頭橫截面顯微硬度測(cè)試位置圖2mm 鋁銅 接頭的拉剪性能攪拌摩擦焊搭接接頭在做拉剪試驗(yàn)時(shí)，接頭同時(shí)受到拉伸力與剪切力。從拉剪試樣的斷裂結(jié)果可知銅/搭接接頭的斷裂形式有兩種：剪切斷裂、拉伸斷裂。圖 39 是所做試驗(yàn)的幾個(gè)接頭斷裂圖，圖 39 (a)與圖 c 的斷裂是由于受到拉伸作用力而斷裂在鋁母材上的銅/鋁交界面處的熱力影響區(qū)上；圖 39 (b)由是由于受到剪切作用力而斷裂焊核底部。表 31 為拉剪試驗(yàn)結(jié)果，從表中可以看出金屬軸向遷移量大小直接影響接頭強(qiáng)度；從金屬軸向遷移量與最大拉力的數(shù)值大小變化趨勢(shì)來(lái)看，焊縫金屬軸向遷移量越大，焊接接頭的抗拉剪強(qiáng)度越好，其力學(xué)性能越優(yōu)越。搭接接頭力學(xué)性能上的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了前面提出的由焊縫中金屬縱向遷移量來(lái)評(píng)定焊縫優(yōu)劣的假設(shè)的正確。試樣編號(hào) 焊接工藝參數(shù)轉(zhuǎn)速 r/min 焊速mm/min斷裂位置 最大遷移位置及遷移量 mm最大拉力KNa 750 60 鋁板返回邊 As/ b 950 60 穿核斷裂 As/ 表 31 拉剪試驗(yàn)結(jié)果圖 39 焊縫顯微硬度分布圖距銅/ 鋁原始搭接面距離/mm6 4 2 0 2 4 6150202503035040450 顯微硬度/HV 三個(gè)試樣的斷裂裂紋都是首先發(fā)源于銅/鋁的交界處，裂紋的發(fā)展方向則是非常流暢地沿著銅/鋁的交界線，且斷口面非常平整。分析認(rèn)為斷裂裂紋均發(fā)源于銅/ 鋁交界處的是因?yàn)樵撎幍慕M織成份復(fù)雜，一方面是銅 /鋁的相互交迭使得該處組織粗糙，另一方面則是銅/鋁的金屬間合物生成，致使接頭強(qiáng)度下降；而裂紋的發(fā)展方向均是沿著銅/鋁的界面線，是因?yàn)楹穸容^大銅 /鋁的搭接接頭是一種弱連接。由于銅/鋁的物理性能相差很大，尤其是銅的塑性溫度很高，并且銅作為下層材料遠(yuǎn)離軸肩，所能得到的熱輸入量較小。銅/ 鋁搭接接頭的強(qiáng)度主要取決于向鋁中遷移的銅形成的“鉗子” ， “鉗子”的兩端分別在前進(jìn)側(cè)與返回側(cè)。從圖 311(a)與圖 311(c)斷裂位置均是發(fā)生在返回邊的銅/鋁交界處可也可證實(shí)搭接接頭的強(qiáng)度主要是由“ 鉗子 ”承受。圖 311 為銅/鋁搭接接頭斷裂后的典型斷面宏觀形貌圖，從中可以看出，銅板的前進(jìn)側(cè)的銅有被攪拌頭向下攪動(dòng)后流下的痕跡，而銅板的返回邊則有被攪拌頭向上攪動(dòng)后流下的痕跡，這也證實(shí)了上文關(guān)于接頭中金屬軸向流動(dòng)分析的正確性；同時(shí)在銅板的焊縫中心可以看到，該處非常的光滑，這是攪拌針行走的位置，總的來(lái)說(shuō)銅板的焊縫都是相對(duì)光滑的，銅/ 鋁在此沒(méi)有很好地融合在一起，它們之間有一條非常清晰的分界線，這也再次說(shuō)明了銅/鋁的搭接接頭連接比較弱。c 950 75 鋁板返回邊 As/ a鋁銅 斷裂位置b鋁銅 斷裂位置c鋁銅 斷裂位置圖 310 不同工藝參數(shù)拉剪試樣斷裂位置示意圖（a）n=750r/min,v=60mm/min （b）n=950r/min,v=60mm/min （c）n=950r/min,v=75mm/min圖 312 是兩張分別為拉伸斷裂與剪切斷裂的負(fù)荷—應(yīng)變曲線圖，從變形量來(lái)看，銅/鋁搭接接頭的斷裂伸長(zhǎng)量非常小，這與銅、鋁板材自身的延展性好、塑性好，斷裂形式為塑性斷裂相比，有較大差距。接頭的拉伸斷裂曲線形為脆性斷裂曲線，接頭在達(dá)到最高承受力時(shí)即完全斷裂如圖 312（a）；而圖 312（b）的剪切斷裂曲線剛形似“塑性” 斷裂曲線，曲線分成明顯的兩段，但又與塑性斷裂曲線又有所不同，塑性斷裂曲線的強(qiáng)度極限要比屈服極限更高，即后一段曲線要比前一段曲線更高，但圖 312（b）中顯然是相反的，分析認(rèn)為拉伸斷的曲線會(huì)出現(xiàn)兩段曲線是由于銅向鋁中軸向遷移的金屬形成的一形似“鉗子”的兩頭分別斷裂進(jìn)而形成的兩段曲線，并且由于承載力較大的“鉗子” 端總先于承載力較小的“ 鉗子” 端斷裂，所以其曲線分成分顯的兩部分，且總是曲線的后段要比前段更低。對(duì)于一個(gè)搭接接頭，在拉剪時(shí)到底是發(fā)生剪切斷裂還是拉伸斷裂這與很多鋁ASAS銅RSRS圖 311 典型斷口的宏觀形貌圖因素有關(guān)，例如搭接量、工藝參數(shù)、上下兩面種材料的強(qiáng)度以及金屬間化合物在接頭中的分布情況。在本次試驗(yàn)的三個(gè)試驗(yàn)參數(shù)試樣中只有n=950r/min,v=60mm/min 發(fā)生了拉伸斷裂，而其它兩個(gè)參數(shù)n=750r/min,v=60mm/min 及 n=950r/min,v=75mm/min 發(fā)生了剪切斷裂，分析認(rèn)為：在焊接參數(shù) n=950r/min,v=60mm/min 時(shí)其接頭組織是最好的，金屬的軸向遷移量也是最大的，也正因此使得銅向鋁中軸向遷移的金屬形成的“鉗子” 顯得細(xì)長(zhǎng)，而其它兩個(gè)焊接參數(shù)因?yàn)榻饘倭鲃?dòng)不是足，其“鉗子” 兩端顯得“粗長(zhǎng)“。在拉剪試驗(yàn)時(shí)“ 鉗子” 兩端細(xì)長(zhǎng)的接頭便容易因在 “鉗子”根部受力集中進(jìn)而發(fā)生斷裂。而“鉗子 ”兩端粗短的因其承載力大，而上端鋁強(qiáng)度比銅強(qiáng)度本來(lái)就弱，再加上在熱影響作用下，便容易在鋁板返加邊的銅/鋁界面處發(fā)生斷裂。綜上所述，銅/鋁攪拌摩擦焊搭接接頭的斷裂形式有拉伸斷裂與剪切斷裂兩種斷裂形式，其接頭的斷裂裂紋一般起始于銅/鋁交界處；接頭的受力部位主要是銅向鋁的中因金屬的軸向流動(dòng)而形成一個(gè)類似“ 鉗子” 的兩端，在一定的范圍內(nèi)，金屬的軸向遷移量與接頭的強(qiáng)度密切相關(guān)，金屬的軸向遷移量越大，其接頭強(qiáng)度也就越高。在三個(gè)焊接工藝參數(shù)中，在 n=950r/min,v=75mm/min 時(shí)雖其接頭內(nèi)部出現(xiàn)了較大的隧道型缺陷，但其接頭的強(qiáng)度卻并沒(méi)有受到較大的影響響也正是因?yàn)榻宇^強(qiáng)度主要由“鉗子” 的兩端的兩端承受。在n=950r/min,v=60mm/min 時(shí)雖其金屬軸向遷移量較大，然其接頭強(qiáng)度相對(duì)另外兩個(gè)卻沒(méi)有出現(xiàn)較大的增幅則是由于其“鉗子” 兩端雖較長(zhǎng)但卻不夠粗，故其相對(duì)其它兩個(gè)參數(shù)的接頭并沒(méi)有出現(xiàn)較大的增幅。但在三個(gè)不同的焊接參數(shù)中，焊接參數(shù)為 n=950r/min,v=60mm/min 仍然是最佳的工藝參數(shù)。(a) 拉伸斷裂曲線圖（橫坐標(biāo) :變形量，縱坐標(biāo):負(fù)荷量）(b) 剪切斷裂曲線圖（橫坐標(biāo) :變形量，縱坐標(biāo) :負(fù)荷量）圖 312 銅/鋁搭接接頭不同斷裂形式的負(fù)荷—應(yīng)變曲線圖4 結(jié)論（1）由于銅/鋁的物理，化學(xué)性能相差很大，導(dǎo)致銅 /鋁攪拌摩擦焊搭接的參數(shù)范圍很窄，但通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)，還是能實(shí)現(xiàn)銅/鋁異種金屬的攪拌摩擦焊搭接焊，其最佳工藝參數(shù)為 n=950r/min,v=60mm/min。（2）焊接參數(shù)的 n/v 在 左右時(shí)焊縫表面成形較為平整光滑，但接頭橫截面此時(shí)容易出現(xiàn)孔洞甚到隧道型缺陷；當(dāng)焊接參數(shù) n/v 達(dá)到 左右時(shí)其焊縫表面的魚(yú)磷紋非常明顯，氧化程度比較嚴(yán)重，但接頭橫截面成形比較好。（3）銅/鋁攪拌摩擦焊接頭中會(huì)有洋蔥環(huán)狀組織或銅 /鋁片狀交迭區(qū)的出現(xiàn)，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的提高或焊接速度的減小洋蔥環(huán)會(huì)趨于致密緊湊的，反之則趨于細(xì)疏松散甚到以銅/鋁片狀的相互交迭狀代替。（4）接頭焊核區(qū)顯微硬度的很大波動(dòng)，且個(gè)別點(diǎn)的硬度極大表明有銅/鋁金屬間化合物的生成。（5）銅/鋁的攪拌摩擦焊搭接的受力部位主要在銅向鋁軸向遷移形成的 “鉗子”兩端；接頭的斷裂形式主要有剪切斷裂與拉伸斷裂，接頭的斷裂位置主要發(fā)生在銅/鋁交界處。參考文獻(xiàn)[1] 里亞博夫 [M] . 北京 :宇航出版社,1990.[2] [J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào) ,2022,14S1(5):122127.[3] 王生希,[J]. 電氣制造 ,2022(6):4345.[4] transtions in high direct current bus systems. 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