Al/Cu异种合金搅拌摩擦焊接接头组织与性能研究

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Al和Cu金属均具有良好的导电、导热、耐蚀及加工成型性,Al/Cu复合接头可以减轻结构件的重量,节约成本。目前Al/Cu复合接头已广泛应用各行各业。搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)是一种固相连接技术,相比传统的焊接具有节能、高效、环保等优点。本文采用FSW技术对3 mm厚的6061Al合金与T2紫Cu进行对接,对比分析了母材的放置位置、不同偏移量、不同的旋转速度和焊接速度等工艺参数对焊缝成形性的影响。并研究了不同旋转速度和焊接速度对接头微观组织、物相组成、金属间化合物层和力学性能的影响。得到如下结论:异种金属进行FSW时,卷涡状的轴肩及带有螺纹的搅拌针容易造成粘头现象。搅拌头轴肩形状为平台形,无螺纹搅拌针是获得良好质量焊缝的最佳选择。当Al置于前进侧,且搅拌针偏向Al侧0.21.0 mm范围内易获得成形性良好的焊接接头。Al/Cu焊接接头的最佳焊接参数范围为7501180 r/min和3047.5 mm/min。当焊接速度一定时,随着旋转速度的增大,焊核区(Nugget zone,NZ)的晶粒尺寸先减小后增大。旋转速度为1180 r/min时,NZ的晶粒随着焊速的增大而变小。NZ形成了Al2Cu、Al Cu和Al4Cu9金属间化合物(Intermetallic compounds,IMCs),当焊速一定时,随着转速的增大接头的热输入相应增加,金属间化合物的含量也随之增加;而转速一定时,金属间化合物的含量随着焊接速度的增加逐渐减少。铝铜在FSW过程中发生了一定的冶金结合,在界面形成了IMCs层,IMCs的厚度范围为1.54.05μm。铝铜界面扩散层的生长机理:Cu侧界面处生成Cu9Al4相,Al侧界面处生成CuAl2相。塑性变形导致的晶粒细化和较高的位错密度使NZ的平均硬度高于母材,而金属间化合物的形成是硬度值突高的主要原因,最高硬度值(403 HV)出现在NZ顶部。母材区残余应力一般为压应力,焊缝区Al侧和Cu侧分别为拉应力和压应力,且最大应力值出现在轴肩附近的区域。Al/Cu异种接头的强度都低于母材,最大强度为203 MPa,而接头的延伸率普遍较低,最大为4.9%。Al/Cu异种接头断裂位置有四种类型,当参数搭配合适时,接头断裂位于Al侧热影响区或NZ与热机影响区的边界。断裂发生在界面处时,裂纹主要沿着IMC层传播,界面结合强度较低。断裂方式主要为韧-脆性混合断裂。
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