大厚度紫铜搅拌摩擦焊接

D0I:10.13374/j.issnl(00103x.2010.10.011 第32卷第10期 北京科技大学学报 Vo132N910 2010年10月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng 0ct2010 大厚度紫铜搅拌摩擦焊接 贺地求邬红光罗维 中南大学现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室，长沙410083 摘要采用搅拌摩擦焊接方法对厚度为30m和50m的T2紫铜板分别进行单面和双面焊接实验.并对焊缝的微观组织 与力学性能进行了分析.结果表明：在一定的参数范围内，可获得表面成形美观、内部无缺陷且变形小的对接接头.30mmT2 紫铜板单道焊焊后平均抗拉强度为1772MP?达到母材的81.%，断后平均伸长率为254%：焊缝横切面显微硬度分布波动 较大，最低值位于前进侧热影响区底部，说明了此处位置是焊缝薄弱环节. 关键词铜：厚板：搅拌摩擦焊，微观组织：力学性能 分类号TG453.2 Fricton stir weld ing of copper w ith large thickness HE Diqiu WU Hong guang IOWei Key Laboraory of Design prModem Conplex Equim ent and ExtremeManufec turng (Mnistry ofEducation ofChna Central South Universipy Chang 9410083Chna ABSTRACT Snge side and double sied weldng ests ofT2 copperwith hicknesses of30 mm and 50mm were done by fricton stir weling whil the m icrostrucure and mechanical properties ofwelswere anayaed The results show hat butt pintswith good superf cal shap ng quality amost no depm ation and no intenal defects can be ach eved w ithin ceran ranges of process parameters The average tensile strengh of he T2 copper sngle side weld w ith a thickness of30mm i 177.2MPa reaching 81.of he strength of he base metal while the average e pngation after fractre is25.Them icrohardness d istrbution of the wel transverse secton flucuates dviousy wih the mnium locating at the botton of the heat affecting zone alang he advancing sie where it is welding weakness KEY WORDS copper thick plate friction stirwelding m icrostucue mechan ical properties 紫铜具有极好的导电性、导热性、良好的常温和头性能良好、焊接变形小、高效，低耗和无合金污染 低温塑性，以及对大气、海水和某些化学药品的耐腐 等特点.铜的搅拌摩擦焊最早是在1997年由英国 蚀性，因而被广泛地应用于电气、电子、能源、化工、 焊接研究所(WD和瑞典核燃料及废料管理公司 机械及国防等众多领域.目前对紫铜的焊接主要是 (SK联合发起的1，目的是焊接能放置10万年的 采用熔化焊和钎焊，由于紫铜具有独特的物理性能 核燃料容器，早期对铜的搅拌摩擦焊研究均围绕此 以及杂质元素的影响，焊接质量都不太理想，主要问 项工作展开，据文献[4-6报道已实现50mm铜的 题是难以形成稳定溶池，易产生焊接裂纹、气孔、氧 FSW焊接.目前国内外对于铜及铜合金的搅拌摩擦 化和变形等缺陷，大厚度焊接更困难而且接头强 焊研究较少，国内正处于研究阶段据文献[8-9] 度、导电导热性和耐腐蚀性下降1 报道，实验室单道焊接厚度仅为2~6四双面焊接 搅拌摩擦焊(friction stir welding F)作为一 最大厚度仅为12m.紫铜因耐腐蚀是制造核废 种新型的固态塑性连接技术，与常规焊接方法相比， 料储罐的理想材料，因其导电性能优良，大中型电机 在有色金属的连接方面有着极大的优越性，具有接 转子端环与导条均由紫铜厚板制造，但这类工程问 收稿日期：2009-12-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(NQ50675228) 作者简介：贺地求(1964，男.教授.硕土，Em列hd9z@163c0m

第 32卷 第 10期 2010年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.10 Oct.2010 大厚度紫铜搅拌摩擦焊接 贺地求 邬红光 罗 维 中南大学现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室, 长沙 410083 摘 要 采用搅拌摩擦焊接方法对厚度为 30 mm和 50mm的 T2紫铜板分别进行单面和双面焊接实验, 并对焊缝的微观组织 与力学性能进行了分析.结果表明:在一定的参数范围内, 可获得表面成形美观、内部无缺陷且变形小的对接接头.30mmT2 紫铜板单道焊焊后平均抗拉强度为 177.2 MPa, 达到母材的 81.7%, 断后平均伸长率为 25.4%;焊缝横切面显微硬度分布波动 较大, 最低值位于前进侧热影响区底部, 说明了此处位置是焊缝薄弱环节. 关键词 铜;厚板;搅拌摩擦焊;微观组织;力学性能 分类号 TG453 +.2 Frictionstirweldingofcopperwithlargethickness HEDi-qiu, WUHong-guang, LUOWei KeyLaboratoryofDesignforModernComplexEquipmentandExtremeManufacturing(MinistryofEducationofChina), CentralSouthUniversity, Chang￾sha410083, China ABSTRACT Single-sideanddouble-sidedweldingtestsofT2 copperwiththicknessesof30mmand50mmweredonebyfrictionstir welding, whilethemicrostructureandmechanicalpropertiesofweldswereanalyzed.Theresultsshowthatbuttjointswithgoodsuperfi￾cialshapingquality, almostnodeformation, andnointernaldefectscanbeachievedwithincertainrangesofprocessparameters.The averagetensilestrengthoftheT2 coppersingle-sideweldwithathicknessof30mmis177.2MPa, reaching81.7% ofthestrengthof thebasemetal, whiletheaverageelongationafterfractureis25.4%.Themicrohardnessdistributionoftheweldtransversesection fluctuatesobviously, withtheminimumlocatingatthebottomoftheheataffectingzonealongtheadvancingside, whereitiswelding weakness. KEYWORDS copper;thickplate;frictionstirwelding;microstructure;mechanicalproperties 收稿日期:2009-12-28 基金项目:国家自然科学基金资助项目(NO.50675228) 作者简介:贺地求(1964— ), 男, 教授, 硕士, E-mail:hdqzzp@163.com 紫铜具有极好的导电性 、导热性、良好的常温和 低温塑性 ,以及对大气、海水和某些化学药品的耐腐 蚀性 ,因而被广泛地应用于电气、电子、能源、化工、 机械及国防等众多领域 .目前对紫铜的焊接主要是 采用熔化焊和钎焊 ,由于紫铜具有独特的物理性能 以及杂质元素的影响,焊接质量都不太理想 ,主要问 题是难以形成稳定溶池 ,易产生焊接裂纹、气孔、氧 化和变形等缺陷, 大厚度焊接更困难, 而且接头强 度、导电导热性和耐腐蚀性下降 [ 1--2] . 搅拌摩擦焊 (frictionstirwelding, FSW)作为一 种新型的固态塑性连接技术 ,与常规焊接方法相比, 在有色金属的连接方面有着极大的优越性, 具有接 头性能良好 、焊接变形小、高效 、低耗和无合金污染 等特点 .铜的搅拌摩擦焊最早是在 1997年由英国 焊接研究所 (TWI)和瑞典核燃料及废料管理公司 (SBK)联合发起的 [ 3] ,目的是焊接能放置 10万年的 核燃料容器 ,早期对铜的搅拌摩擦焊研究均围绕此 项工作展开 , 据文献 [ 4--6] 报道已实现 50 mm铜的 FSW焊接 .目前国内外对于铜及铜合金的搅拌摩擦 焊研究较少 [ 7] ,国内正处于研究阶段, 据文献 [ 8--9] 报道,实验室单道焊接厚度仅为 2 ～ 6 mm,双面焊接 最大厚度仅为 12 mm [ 10] .紫铜因耐腐蚀是制造核废 料储罐的理想材料,因其导电性能优良,大中型电机 转子端环与导条均由紫铜厚板制造, 但这类工程问 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.10.011

第10期 贺地求等：大厚度紫铜搅拌摩擦焊接 。1303° 题因构件热容大、散热快，用熔化焊难以焊接.本文 缝表面成形平整，两侧飞边较少，表面颜色清晰，氧 在25mm紫铜厚板SW单道焊研究的基础上，对 化不严重，沿焊缝横截面切开后，断面上未见明显焊 30m紫铜厚板进行了FSW单道焊工艺实验，分析 接缺陷，说明在此工艺参数下可得到成形良好的焊 了其焊缝成形、焊缝组织形态及焊接接头的力学性 接接头 能，并成功实现了50m紫铜厚板双面FSWV焊接实 (a) 验，均获得良好的对接接头 1实验材料及方法 实验用材料是厚为30.50mm的TD紫铜板，抗 拉强度为217MP?30mmTD紫铜板尺寸规格为 250mX100四主要化学成分和力学性能如表1 图150m紫铜厚板F9W双面焊.（两宏观形态：(b)断面 所示 Fg 1 Double_sided FSV of50 mm hick copper plates a)Pra 表1亚紫铜主要化学成分（质量分数）和力学性能 file (b)secticn Table 1 Main chem ical cmposition mass percent)and mechanical Propeny ofT copper 2.230mm紫铜厚板焊缝微观组织分析 Wol wal Wit/ Winl 在搅拌头旋转速度为1250▣mm,焊接速度 G 伸长 % ÷ ÷ ÷ MPa率% 为80mmmm'的焊接工艺参数下，得到30mm紫 ≥99.9≤0002≤0005≤0005217 35 铜厚板焊接接头，按图2所示的不同位置拍摄焊缝 横截面微观组织. 紫铜搅拌摩擦焊实验在自行研制的大厚度搅拌 摩擦焊机上进行，焊前对工件表面进行去污处理，将 前进侧流变边界 返回侧流变边界 待焊紫铜板夹紧在工作台上，以防止焊接件在焊接 过程中对接面因受挤压力过大而分开.焊接时，搅 拌头先高速旋转钻入待焊件接缝处，当搅拌头轴肩 压紧紫铜板上表面时，停留预热一小段时间，然后搅 拌头沿焊缝前进完成焊接过程. 搅拌工具采用内凹式轴肩和螺旋形搅拌头，经 (c) d a 过大量实验优化，30m厚紫铜板焊接方式为单道 图2金相照片对应焊缝位置.()母材区；(b)前进侧热影响 对接焊，实验所用轴肩直径为45？搅拌头直径为 区：(9焊核区：（山返回侧热影响区 16m四长为30mm50m厚紫铜板焊接方式为双 Fg 2 Microgmph corresponding weld positions (a)basemaeral zone (b)heat affected aone on the advanc ing sie c)nugget zone 面双道焊，实验所用轴肩直径为40四搅拌头直径 d)heat a ffec ted ane on the retreating sile 为15m四长为25mm 30紫铜板单道焊后，在焊件上沿垂直于焊 图3()~(d分别是图2中对应位置的金相微 缝方向分别制取金相试样和拉伸试样.制作好的金 观组织.图3()为母材区组织呈轧制块状粗晶. 相试样用腐蚀液(FC为10多HCl为6mL 图3（为焊核区组织，位于焊缝中间分，此区域 GHOH为20mLHO为80mL)腐蚀后，在光学显 金属受到强烈的塑性剪切变形及摩擦热的作用下组 微镜上观察显微组织，在CSS44100电子拉伸机上 织发生动态再结晶，由母材块状粗晶转变成细小的 进行拉伸实验，在HVA-10型维氏硬度计上进行维 等轴晶组织.图3(b)和图3(d分别对应于焊核区 氏硬度测试 下部前进侧(advancing side简称AS与返回侧 (retreatng side简称RS)热影响区(heat affected 2实验结果及分析 One简称HAZ微观组织，由于受到焊接热循环的 2.150mm紫铜厚板FSW焊接 作用，组织发生不完全动态再结晶，晶粒比母材细 在搅拌头旋转速为1000mr',焊接速度为 小，但比焊核区晶粒要大.两侧的热影响区与母材 80mmr'的焊接工艺参数下采用FSW双面焊 区之间有比较明显的过渡区，呈不对称分布. 图3(b冲前进侧热影响区与母材区有明显的分界 焊接的50m厚紫铜板如图1所示.由图可见焊

第 10期 贺地求等:大厚度紫铜搅拌摩擦焊接 题因构件热容大、散热快 ,用熔化焊难以焊接.本文 在 25 mm紫铜厚板 FSW单道焊研究的基础上 , 对 30 mm紫铜厚板进行了 FSW单道焊工艺实验 ,分析 了其焊缝成形 、焊缝组织形态及焊接接头的力学性 能, 并成功实现了 50 mm紫铜厚板双面 FSW焊接实 验, 均获得良好的对接接头. 1 实验材料及方法 实验用材料是厚为 30、50 mm的 T2紫铜板, 抗 拉强度为 217 MPa, 30 mm T2 紫铜板尺寸规格为 250 mm×100 mm,主要化学成分和力学性能如表 1 所示 . 表 1 T2紫铜主要化学成分(质量分数)和力学性能 Table1 Mainchemicalcomposition(masspercent)andmechanical propertyofT2 copper wCu/ % wSn/ % wPb/ % wZn/ % σb/ MPa 伸长 率/% ≥99.9 ≤0.002 ≤0.005 ≤0.005 217 35 紫铜搅拌摩擦焊实验在自行研制的大厚度搅拌 摩擦焊机上进行,焊前对工件表面进行去污处理 ,将 待焊紫铜板夹紧在工作台上, 以防止焊接件在焊接 过程中对接面因受挤压力过大而分开.焊接时, 搅 拌头先高速旋转钻入待焊件接缝处 , 当搅拌头轴肩 压紧紫铜板上表面时,停留预热一小段时间 ,然后搅 拌头沿焊缝前进完成焊接过程. 搅拌工具采用内凹式轴肩和螺旋形搅拌头, 经 过大量实验优化 , 30 mm厚紫铜板焊接方式为单道 对接焊,实验所用轴肩直径为 45 mm;搅拌头直径为 16 mm,长为 30 mm.50 mm厚紫铜板焊接方式为双 面双道焊 ,实验所用轴肩直径为 40 mm;搅拌头直径 为 15 mm,长为 25 mm. 30 mm紫铜板单道焊后 , 在焊件上沿垂直于焊 缝方向分别制取金相试样和拉伸试样.制作好的金 相试样用 腐蚀 液 (FeCl3 为 10 g, HCl为 6 mL, C2H5 OH为 20 mL, H2 O为 80 mL)腐蚀后, 在光学显 微镜上观察显微组织,在 CSS--44100 电子拉伸机上 进行拉伸实验 ,在 HVA--10型维氏硬度计上进行维 氏硬度测试. 2 实验结果及分析 2.1 50 mm紫铜厚板 FSW焊接 在搅拌头旋转速为 1 000 r·mim -1 ,焊接速度为 80 mm·mim -1的焊接工艺参数下采用 FSW双面焊 焊接的 50 mm厚紫铜板如图 1所示.由图可见, 焊 缝表面成形平整 ,两侧飞边较少, 表面颜色清晰 ,氧 化不严重,沿焊缝横截面切开后 ,断面上未见明显焊 接缺陷 ,说明在此工艺参数下可得到成形良好的焊 接接头 . 图 1 50mm紫铜厚板 FSW双面焊.(a)宏观形态;(b)断面 Fig.1 Double-sidedFSW of50mmthickcopperplates:(a)pro￾file;(b)section 2.2 30 mm紫铜厚板焊缝微观组织分析 在搅拌头旋转速度为 1 250 r·mim -1 , 焊接速度 为 80mm·mim -1的焊接工艺参数下 ,得到 30 mm紫 铜厚板焊接接头 ,按图 2 所示的不同位置拍摄焊缝 横截面微观组织 . 图 2 金相照片对应焊缝位置.(a)母材区;(b)前进侧热影响 区;(c)焊核区;(d)返回侧热影响区 Fig.2 Micrographcorrespondingweldpositions:(a)base-material zone;(b)heataffectedzoneontheadvancingside;(c)nuggetzone; (d)heataffectedzoneontheretreatingside 图 3(a)～ (d)分别是图 2中对应位置的金相微 观组织 .图 3(a)为母材区组织, 呈轧制块状粗晶 . 图 3(c)为焊核区组织 ,位于焊缝中间部分 ,此区域 金属受到强烈的塑性剪切变形及摩擦热的作用下组 织发生动态再结晶, 由母材块状粗晶转变成细小的 等轴晶组织 .图 3(b)和图 3(d)分别对应于焊核区 下部前进侧 (advancingside, 简称 AS)与返回侧 (retreatingside, 简称 RS)热影响区 (heataffected zone,简称 HAZ)微观组织 , 由于受到焊接热循环的 作用,组织发生不完全动态再结晶, 晶粒比母材细 小 ,但比焊核区晶粒要大.两侧的热影响区与母材 区之间 有比较 明显的 过渡区 , 呈 不对称 分布 . 图 3(b)中前进侧热影响区与母材区有明显的分界 · 1303·

。1304 北京科技大学学报 第32卷 线，而图3(d)中返回侧热影响区组织向母材区过渡 金属塑性流动方向与母材金属塑性流动方向相反， 不规则，分析认为这与焊核两侧金属材料塑性流动 晶粒沿界面方向被拉长：在返回侧，金属随搅拌头的 方向和搅拌头侧面旋转方向有关.在前进侧金属 外表面旋转方向顺时针地流向搅拌头后方，焊缝金 沿搅拌头外表面逆时针地挤压至搅拌头后方，焊缝 属塑性流动方向与母材塑性流动方向一致川. (a 200m 200m 200um 200m 图330m紫铜厚板焊缝接头微观组织.()母材区：(b)前进侧热影响区：(9焊核区：(d山返回侧热影响区 Fg 3 Micostmucures of 30mm thick oopper pla te points a)basematerial ne b)heat affected aone on the advancing side (c) nu愿etng(d小heat a ffec ted zne on the reteating side 23焊缝的力学性能 相对较小，其韧性较上层高.断后平均伸长率达到 在搅拌头旋转速度为1250mm,焊接速度 了25.4%，说明紫铜搅拌摩擦焊后焊缝仍具有较好 为80mmr'的焊接工艺参数下得到30mm厚紫 的塑性. 铜板FSW对接接头，垂直焊缝方向制取拉伸试样. 拉伸试样力学性能如表2所示，在没有经过任何焊 后热处理时焊缝的平均抗拉强度已达到了 177.2MP达到了母材的8167%. 表22紫铜焊接接头的力学性能 Tabe 2 Mechanical Properties ofT2 copperweds 抗拉强度， 屈服强度 断后伸长率 试样编号 ab/MPa 0.2/MPa % 图4拉伸试样断口形态 1 175.9 53.5 23.3 Fig4 Fmacure mophology of tensil决ec扣ems 2 164.8 5L.3 242 2.4焊缝的显微硬度分析 3 167.8 507 26.0 30mm紫铜厚板焊接接头沿横截面以焊缝为中 4 186.8 549 25.6 心向两边截取尺寸为80mX30m的试样，用砂纸 5 190.7 57.7 280 由粗到细依次打磨，抛光机上用绒布抛光到镜面水 平均值 177.2 53.6 25.4 平后，在HVA-10A型维氏硬度计上进行硬度测试， 拉伸试样断口形态如图4所示.由图可见断裂 加载为1.96加载时间为20，s测得显微硬度分布 位置均在焊缝区，可见焊缝是强度最薄弱环节，从断 如图5所示，图中0m点位为焊缝中心位置，焊缝 口厚度方向看，韧性呈上低下高特征，靠近轴肩的金 断面上、中、下三层上取测试点，分别距焊件表面 属因剧烈流变，有明显变形硬化现象，中下部因变形 5m四15mnm和25m四从图中可以看出，沿焊缝横

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 线, 而图 3(d)中返回侧热影响区组织向母材区过渡 不规则,分析认为这与焊核两侧金属材料塑性流动 方向和搅拌头侧面旋转方向有关.在前进侧, 金属 沿搅拌头外表面逆时针地挤压至搅拌头后方, 焊缝 金属塑性流动方向与母材金属塑性流动方向相反 , 晶粒沿界面方向被拉长;在返回侧,金属随搅拌头的 外表面旋转方向顺时针地流向搅拌头后方 , 焊缝金 属塑性流动方向与母材塑性流动方向一致 [ 11] . 图 3 30mm紫铜厚板焊缝接头微观组织.(a)母材区;(b)前进侧热影响区;(c)焊核区;(d)返回侧热影响区 Fig.3 Microstructuresof30mmthickcopperplatejoints:(a)base-materialzone;(b)heataffectedzoneontheadvancingside;(c) nuggetzone;(d)heataffectedzoneontheretreatingside 2.3 焊缝的力学性能 在搅拌头旋转速度为 1 250 r·mim -1 ,焊接速度 为 80 mm·mim -1的焊接工艺参数下得到 30 mm厚紫 铜板 FSW对接接头, 垂直焊缝方向制取拉伸试样. 拉伸试样力学性能如表 2 所示, 在没有经过任何焊 后热 处 理 时 焊 缝 的 平 均 抗 拉 强 度 已 达 到 了 177.2 MPa,达到了母材的 81.67%. 表 2 T2紫铜焊接接头的力学性能 Table2 MechanicalpropertiesofT2 copperwelds 试样编号 抗拉强度, σb/MPa 屈服强度, σ0.2 /MPa 断后伸长率, δ/% 1 175.9 53.5 23.3 2 164.8 51.3 24.2 3 167.8 50.7 26.0 4 186.8 54.9 25.6 5 190.7 57.7 28.0 平均值 177.2 53.6 25.4 拉伸试样断口形态如图 4所示.由图可见断裂 位置均在焊缝区,可见焊缝是强度最薄弱环节,从断 口厚度方向看 ,韧性呈上低下高特征,靠近轴肩的金 属因剧烈流变 ,有明显变形硬化现象,中下部因变形 相对较小,其韧性较上层高.断后平均伸长率达到 了 25.4 %, 说明紫铜搅拌摩擦焊后焊缝仍具有较好 的塑性 . 图 4 拉伸试样断口形态 Fig.4 Fracturemorphologyoftensilespecimens 2.4 焊缝的显微硬度分析 30 mm紫铜厚板焊接接头沿横截面以焊缝为中 心向两边截取尺寸为 80mm×30mm的试样,用砂纸 由粗到细依次打磨, 抛光机上用绒布抛光到镜面水 平后,在 HVA--10A型维氏硬度计上进行硬度测试 , 加载为 1.96 N,加载时间为 20 s, 测得显微硬度分布 如图 5所示 ,图中 0 mm点位为焊缝中心位置 , 焊缝 断面上、中、下三层上取测试点, 分别距焊件表面 5 mm、15mm和 25 mm.从图中可以看出, 沿焊缝横 · 1304·

第10期 贺地求等：大厚度紫铜搅拌摩擦焊接 。1305 截面硬度的分布波动较大，上、中、下三层变化趋势 学性能优良，并对50的2紫铜厚板双面焊进行 基本一致.焊后维氏硬度的峰值高于母材，其原因 了初步研究. 是母材受搅拌摩擦焊热输入的影响，消除了加工硬 (2焊缝横截面硬度的分布波动较大，上、中、 化，母材软化.致使接头附近区域部分地方硬度值比 下三层变化趋势基本一致，硬度最低值处位于前进 母材高.焊缝横截面中间部分上、中、下三层硬度分 侧热机影响区，说明此位置是焊缝的薄弱环节， 布差异较大，返回侧的硬度大于前进侧，焊核处上、 参 中、下三层硬度接近母材，但在热机影响区随厚度的 考文献 增加，硬度逐渐降低，硬度最低值处位于前进侧热机 Weling Branch of ChineseMechanical Eng neering Soc ety Wel ing Handlods Vokme 2 Beijing Machnery ndustry Press 影响区，约为72HV由于搅拌摩擦焊焊缝中合金成 2008 分没有改变其拉伸强度特性和断裂的位置只与微 (中国机械工程学会焊接分会.焊接手册.第2卷。北京：机械 观硬度有关因此焊缝前进侧热机影响区与焊核区 工业出版社，2008) 的过渡位置是焊缝薄弱环节 LiY J Wang J Lu Q Non femous Mena lWelding and Applica tin Beijing Machnery Industry Press 2008 李亚江，王娟，刘强.有色金属焊接及应用.北京：机械工业出 版社.2008) I3 AndersonCG Devekpment of Fabricatin Technolagy rCopper Canisters with Cast hserts Swedish Nuclear Fuel andW aste Man agementC9 2002 Fonda R W Bingert J E Collgan K J Devebpment of gmn 上部 一中部 stucture during friction stirwe Hing Scripta Mater 2004 51(3). ·下部 243 前进侧 返回侧 [5 Lee W B Jung S B The pint Properties of copper by friction stir 72 we Hing Mater Lett 2004 58(6)1041 40 -20 0 20 40 距焊缝中心距离，L/mm I6 Elefaeya B TakahashiM keuchiK Prelm nary investgation of frictin stir weling alum inum/oopper lap pint//Proceed ing of 图530mm单面焊接头处的显微硬度分布曲线 PreAsemb lyMeetng a FSW Nay?2004 275 Fig 5 Microhardness at single side we Hed pints of30 mm 【7LuH】Kuang LY Shen J J et al Prgress n fr你tmst thick T2 oopper pltes we Hing of copper WeHing 2009(1):11 浏会杰，匡玲艺，沈俊军，等.铜的搅拌摩擦焊研究.焊接 25焊缝缺陷分析 2009(1片11) 厚板搅拌摩擦焊实验时发现在前进侧容易出现 [8 Xio B Lu DH KeLM Research of frictin stir welng of6 缺陷，统计发现出现缺陷的焊缝其焊接时电流偏低， nm.thick copper plates HotWotk Techngl 2006 35(33):17 分析认为在焊接过程中搅拌区两侧焊缝金属沿搅拌 (肖兵刘德辉柯黎明.6m厚紫铜的搅拌摩擦焊研究.热 头外表面以不同方向流向搅拌头后方，前进侧的金 加工工艺200635(23：17) 19 WangX J Da CB LiJ et al Processing of frictin stirweHing 属受搅拌头强烈挤压力逆时针向后流动，返回侧金 of copper and ana pysis of its pntproperties J LanzhouUnivTech 属绕搅拌头顺时针向后流动，这两部分金属在前进 m12D0632(4为25 侧汇合，当焊接参数选择不合理或轴肩压入深度不 (任希靖，达朝炳。李品。等。紫铜的搅拌摩擦焊工艺与接头性 够时焊接电流偏低导致焊缝底部金属获得热量不 能分析.兰州理工大学学报，200632(4)，：25) 101 XingL SunDC KeLM etal Sudyof the copper friction stir 足，较上层金属不能达到良好的热塑性状态，金属流 we Hing pooess and aa psis of its wel micostuc ue Mech Sci 动不充分，造成在前进侧区域焊接成形困难，导致出 Tehn01200322(6:986 现缺陷.因此，选择合理的焊接工艺参数是获得优 邢丽。孙德超。柯黎明.等.紫铜搅拌摩擦焊接工艺研究及接 良厚板搅拌摩擦焊接头的关键 头组织分析.机械科学与技术200322(6).986) L Zhang Y E Ke LM Sun DC eta]The distrbution of temper 3结论 a tre and material flow of friction stirwe Hing J Nanchang hst AeronautTechnol Nat Sci 2003 17(3):12 (1)采用搅拌摩擦焊接方法单道焊接了30mm G张彦富，柯黎明，孙德超，等.搅拌摩擦焊焊缝区温度分布及 的D紫铜厚板，在搅拌头旋转速度为1250 对材料流动的影响.南昌航空工业学院学报：自然科学版 mr,焊接速度为80mmm前'时，焊缝的平均抗 200317(3)片12) 拉强度达到177.2MP伸长率达到25.4%，接头力

第 10期 贺地求等:大厚度紫铜搅拌摩擦焊接 截面硬度的分布波动较大 ,上 、中、下三层变化趋势 基本一致 .焊后维氏硬度的峰值高于母材, 其原因 是母材受搅拌摩擦焊热输入的影响 , 消除了加工硬 化, 母材软化, 致使接头附近区域部分地方硬度值比 母材高.焊缝横截面中间部分上、中、下三层硬度分 布差异较大,返回侧的硬度大于前进侧, 焊核处上、 中、下三层硬度接近母材 ,但在热机影响区随厚度的 增加 ,硬度逐渐降低 ,硬度最低值处位于前进侧热机 影响区,约为 72HV.由于搅拌摩擦焊焊缝中合金成 分没有改变,其拉伸强度特性和断裂的位置只与微 观硬度有关,因此焊缝前进侧热机影响区与焊核区 的过渡位置是焊缝薄弱环节 . 图 5 30mm单面焊接头处的显微硬度分布曲线 Fig.5 Micro-hardnessatsingle-sideweldedjointsof30mm thickT2 copperplates 2.5 焊缝缺陷分析 厚板搅拌摩擦焊实验时发现在前进侧容易出现 缺陷 ,统计发现出现缺陷的焊缝其焊接时电流偏低, 分析认为在焊接过程中搅拌区两侧焊缝金属沿搅拌 头外表面以不同方向流向搅拌头后方 ,前进侧的金 属受搅拌头强烈挤压力逆时针向后流动 ,返回侧金 属绕搅拌头顺时针向后流动, 这两部分金属在前进 侧汇合,当焊接参数选择不合理或轴肩压入深度不 够时焊接电流偏低导致焊缝底部金属获得热量不 足, 较上层金属不能达到良好的热塑性状态 ,金属流 动不充分 ,造成在前进侧区域焊接成形困难 ,导致出 现缺陷.因此 ,选择合理的焊接工艺参数是获得优 良厚板搅拌摩擦焊接头的关键. 3 结论 (1)采用搅拌摩擦焊接方法单道焊接了 30 mm 的 T2 紫铜厚板, 在搅拌头旋转速度为 1 250 r· mim -1 ,焊接速度为 80 mm·mim -1时 , 焊缝的平均抗 拉强度达到 177.2 MPa,伸长率达到 25.4%,接头力 学性能优良 ,并对 50 mm的 T2紫铜厚板双面焊进行 了初步研究 . (2)焊缝横截面硬度的分布波动较大 , 上、中 、 下三层变化趋势基本一致 , 硬度最低值处位于前进 侧热机影响区,说明此位置是焊缝的薄弱环节 . 参 考 文 献 [ 1] WeldingBranchofChineseMechanicalEngineeringSociety.Weld￾ingHandbook.Volume2.Beijing:MachineryIndustryPress, 2008 (中国机械工程学会焊接分会.焊接手册.第 2卷.北京:机械 工业出版社, 2008) [ 2] LiYJ, WangJ, LiuQ.NonferrousMetalWeldingandApplica￾tion.Beijing:MachineryIndustryPress, 2008 (李亚江, 王娟, 刘强.有色金属焊接及应用.北京:机械工业出 版社, 2008) [ 3] AnderssonCG.DevelopmentofFabricationTechnologyforCopper CanisterswithCastInserts.SwedishNuclearFuelandWasteMan￾agementCo, 2002 [ 4] FondaR W, BingertJF, ColliganKJ.Developmentofgrain structureduringfrictionstirwelding.ScriptaMater, 2004, 51(3): 243 [ 5] LeeWB, JungSB.Thejointpropertiesofcopperbyfrictionstir welding.MaterLett, 2004, 58(6):1041 [ 6] ElrefaeyaR, TakahashiM, IkeuchiK.Preliminaryinvestigationof frictionstirweldingaluminum/copperlapjoint∥Proceedingof Pre-AssemblyMeetingonFSW.Nagoya, 2004:275 [ 7] LiuHJ, KuangLY, ShenJJ, etal.Progressinfrictionstir weldingofcopper.Welding, 2009(1):11 (刘会杰, 匡玲艺, 沈俊军, 等.铜的搅拌摩擦焊研究.焊接, 2009(1):11) [ 8] XiaoB, LiuDH, KeLM.Researchoffrictionstirweldingof6 mm-thickcopperplates.HotWorkTechnol, 2006, 35(23):17 (肖兵, 刘德辉, 柯黎明.6mm厚紫铜的搅拌摩擦焊研究.热 加工工艺, 2006, 35(23):17) [ 9] WangXJ, DaCB, LiJ, etal.Processingoffrictionstirwelding ofcopperandanalysisofitsjointproperties.JLanzhouUnivTech￾nol, 2006, 32(4):25 (王希靖, 达朝炳, 李晶, 等.紫铜的搅拌摩擦焊工艺与接头性 能分析.兰州理工大学学报, 2006, 32(4):25) [ 10] XingL, SunDC, KeLM, etal.Studyofthecopperfrictionstir weldingprocessandanalysisofitsweldmicrostructure.MechSci Technol, 2003, 22(6):986 (邢丽, 孙德超, 柯黎明, 等.紫铜搅拌摩擦焊接工艺研究及接 头组织分析.机械科学与技术, 2003, 22(6):986) [ 11] ZhangYF, KeLM, SunDC, etal.Thedistributionoftemper￾atureandmaterialflowoffrictionstirwelding.JNanchangInst AeronautTechnolNatSci, 2003, 17(3):12 (张彦富, 柯黎明, 孙德超, 等.搅拌摩擦焊焊缝区温度分布及 对材料流动的影响.南昌航空工业学院学报:自然科学版, 2003, 17(3):12) · 1305·