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銅合金與304不銹鋼攪拌摩擦焊搭接接頭組織與性能

來源:至德鋼業 日期:2020-03-05 19:13:04 人氣:1019

  采用攪拌摩擦搭接焊對銅合金與304不銹鋼異種金屬進行焊接,得到外觀良好、無內部缺陷的搭接接頭?利用金相、掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射及硬度計等研究了銅–鋼搭接焊接頭顯微組織,分析了接頭的物相成分,測試了接頭的顯微硬度?結果表明,304不銹鋼與銅在焊合區形成了“洋蔥環”結構,此結構在焊核區的前進側較后退側更為均勻;在接頭的前進側、后退側和底部有明顯的熱力影響區;在條狀結構中形成了新的金屬間化合物NiCu4,這使焊核區不銹鋼–銅界面的硬度值明顯增大;接頭焊核區的硬度值明顯高于基體,且焊核區前進側的硬度值較后退側更高。銅及銅合金具有良好的導電性、導熱性以及抗磁性等優點,鋼具有較強的耐蝕性、耐熱性以及高強度等特點,在航空航天、冶金和電子等工業制造中常常會利用鋼與銅的連接件?但由于銅和鋼在物理和力學性能等方面存在巨大差異,用傳統的焊接方法,容易在接頭中產生應力集中,導致焊接裂紋,難以得到性能良好的連接。


   攪拌摩擦焊是一種新型固態連接方法,它能對多種熔化焊接性能差的金屬進行可靠的連接。由于焊接過程在低于材料熔點溫度下進行,因此可以有效避免熔化焊的一些缺陷?目前國內外學者對異種材料的攪拌摩擦焊研究,主要集中在銅–鋁、鎂–鋁、鋼–鋁和鎂–鋼異種材料的焊接,對銅–鋼的攪拌摩擦焊研究較少邢麗等人采用攪拌摩擦焊焊接了4mm厚的Q235低碳鋼和T2紫銅板,并對接頭的顯微組織進行了分析;黃春平和劉鴿平等人成功進行了10mm厚的低碳鋼板與銅板的焊接,研究了焊接速度、攪拌頭轉速、焊接方向、攪拌針螺紋旋向和偏移量對焊接接頭的影響,并對焊接接頭缺陷進行了分析;浙江至德鋼業有限公司利用攪拌摩擦搭接焊技術對制備銅–鋼復合板進行了探索;賀地求等人對4mm厚的紫銅和1mm厚的不銹鋼板進行了攪拌摩擦焊,分析了搭接接頭的顯微組織;研究了焊接速度和攪拌頭轉速對銅–鋼攪拌摩擦焊接頭的影響;研究了攪拌頭偏移量對不銹鋼和銅攪拌摩擦焊接接頭成形質量的影響。至德鋼業研究Cr-Cu合金與304不銹鋼之間的攪拌摩擦搭接焊,分析搭接焊道的顯微組織、物相成分及顯微硬度,為Cr-Cu合金表面進一步強化制備過渡層。



一、試驗方法


  試驗材料為40mm厚的連鑄結晶器用Cr-Cu合金,1mm厚的304不銹鋼板,304不銹鋼的化學成分如表所示。用自制的攪拌頭和焊接夾具,在攪拌摩擦焊試驗機上進行試驗?攪拌頭用高溫合金制成,軸肩直徑為18mm,攪拌針為直徑6mm帶右旋螺紋的錐形銷,針長4.5mm,其化學成分如表所示。


   攪拌焊接速度為750mm/min,攪拌頭轉速為1000 r/min,攪拌頭傾角2.5°,顯示了攪拌摩擦搭接焊焊道,焊后沿垂直于焊接方向截取試樣,經金相砂紙打磨和拋光機拋光,用王水溶液腐蝕。采用Axiovert-200 MAT型光學顯微鏡和S4800型場發射掃描電子顯微鏡及EMAX能譜儀(EDS)觀察搭接焊道的顯微組織,D/Max-2500/PC型X射線衍射儀(XRD)分析搭接焊道的物相結構,加載時間為15秒測定搭接焊道的顯微硬度,在微機控制電子萬能試驗機上采用位移控制,加載速率1mm/min,測試樣品結合處抗剪力學性能。



二、試驗結果與討論


1.搭接焊道的顯微組織


  圖為304不銹鋼與銅合金攪拌摩擦搭接焊道橫截面組織形貌及不同特征區域的微觀組織,可以看出接頭內部組織良好無缺陷?從搭接焊道橫截面可以看出,置于底部的銅與頂部的不銹鋼在攪拌針的作用下形成了洋蔥環結構。在攪拌頭的旋轉、摩擦及軸肩的擠壓作用下,搭接焊道處的溫度升高,不銹鋼與銅達到了塑性流動的狀態,在攪拌頭的旋轉及擠壓作用下銅向上運動,與置于上部的不銹鋼形成了不銹鋼–銅條狀結構。


  從攪拌頭后退側、前進側和焊道底部(熱力影響區)的顯微組織可以看出,與后退側相比,前進側、熱力影響區與焊核區之間的分界更為明顯;在焊核區邊緣熱力影響區的晶粒沿著塑性流動方向被拉長。通常認為在焊核區邊緣的晶粒不會發生再結晶,但其經歷了高溫和塑性變形的共同作用,組織發生了劇烈變形,有高密度的亞晶界出現?在焊核區,置于上部的不銹鋼攪入銅基體中,形成了典型的洋蔥環結構,如后退側、焊核區底部、帶狀組織顯微形貌所在焊核區的條狀結構中,白色主要為銅,黑色主要為不銹鋼,這種充分混合的結構對搭接焊道的性能具有重要的影響。


  從搭接焊道橫截面中還可以觀察到明顯的軸肩影響區,文中采用的右旋螺紋攪拌針附近的金屬材料受到兩種作用力:流動金屬與螺紋表面之間的摩擦力;攪拌頭旋轉并向前運動時產生的垂直于螺紋表面的壓力在摩擦攪拌過程中,在摩擦力和壓力的共同作用下,攪拌針附近的金屬隨軸肩旋轉向上作螺旋形運動,當與軸肩接觸時,在軸肩的擠壓作用下向外流動。圖和表為搭接焊道局部條狀結構的高倍SEM形貌及EDS分析結果,圖為條狀結構的高倍SEM形貌,分析結果表明,在焊核區的條狀結構中,白色組織為銅基體,黑色組織是銅與不銹鋼混合組織。幾乎全部為銅元素位置,2處為厚度約6μm的黑色帶狀組織,附近還有少量極窄的白色帶狀組織。



2. 物相分析


  圖為不銹鋼–銅合金摩擦攪拌搭接焊道的XRD分析結果,由圖可見,搭接焊道中主要由α-Cu、奧氏體γ-Fe-Cr-Ni及銅鎳金屬間化合物NiCu4組成。攪拌摩擦焊是一種固相連接,在焊接過程中攪拌區熱輸入量較大,如采用較低的焊接速度,攪拌區溫度較高,在攪拌區將形成新的金屬間化合物,浙江至德鋼業有限公司在304不銹鋼與銅的摩擦焊接頭的研究中發現有金屬間化合物FeCu4生成,在其它文獻中也顯示出銅與其它金屬攪拌摩擦焊接頭也均有金屬間化合物生成。


3. 硬度分析


  圖為304不銹鋼與銅合金摩擦攪拌搭接焊道的硬度分布曲線。可以看出,焊核區硬度明顯高于基體硬度;同時還發現在焊核區的中部和底部,出現了硬度值突增的現象,最高值分別為275.1和245.15HV,這遠遠高于銅和不銹鋼基體的硬度。這種遠高于基體硬度值是由金屬間化合物NiCu4的出現造成的典型的攪拌摩擦焊道為勺形,即上部焊核區寬,底部焊核區窄,在硬度曲線中發現上部高硬度值區域較寬,而底部最窄,觀察焊核區到基體間的區域,可發現前進側的硬度曲線變化更為平緩,其平均硬度114.02HV,高于后退側平均硬度107.97HV9這是由于前進側的組織較后退側組織更為均勻,如圖2中搭接焊道橫截面所示,攪拌區的硬度變化主要受晶粒尺寸變化的影響,在攪拌焊接過程中,焊核區發生再結晶,晶粒得到細化,使硬度值升高。


4. 搭接接頭抗剪性能分析


  圖為304不銹鋼與銅合金FSW搭接接頭抗剪性能測試試件,參考文獻[制作剪切試件,尺寸如圖所示,結果從焊核區完全斷裂,其宏觀斷裂形貌如圖所示,接頭斷裂處塑性變形較大,斷面的內部有毛刺,外邊緣呈環形的山脊狀,且高低不平?由于焊核區內的銅合金與不銹鋼在攪拌針的攪拌和行走過程中受到充分的機械混合,形成條帶狀形貌機械混合區域;此外焊接過程中,焊核區發生動態再結晶,微觀組織晶粒細化,導致焊核區產生細晶強化,致使二者粘結牢固?經分析試驗結果得到接頭最大斷裂載荷為4.45kN,計算得Cr-Cu合金與304不銹鋼FSW搭接接頭最大抗剪強度為178MPa,為母材強度的66%。



三、結論


 1. 采用攪拌摩擦搭接焊方法實現了304不銹鋼與Cr-Cu銅合金的焊接,搭接焊道表面成形良好、無內部缺陷;在焊核區形成了不銹鋼–銅的洋蔥環結構,在焊核區前進側不銹鋼–銅的條狀結構更加均勻。


 2. 在薄的條狀結構中形成了金屬間化合物NiCu4,這導致在焊核區304不銹鋼–銅界面上硬度值明顯上升,最高值為275.1HV9。


 3. 搭接焊道焊核區的硬度值明顯高于銅基體,且焊核區前進側的平均硬度值114.02HV高于后退側的平均硬度值107.97HV9。


 4. 接頭最大斷裂載荷為4.45kN,計算得Cr-Cu合金與304不銹鋼FSW搭接接頭最大抗剪強度為178MPa,為母材強度的66%。


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本文標簽:304不銹鋼 

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