Cu/Al异种材料FSW接头的组织性能及断口分析

吴克彦 ，刘 鹏 ，孙思宇 ，洪 昌 ，王克勤

（1.泰安泰山高压开关有限公司，山东泰安 271000；2.山东建筑大学材料科学与工程学院，山东 济南 250101）

0 前言

铜和铝具有较高的导电性、导热性、耐腐蚀性和机械性能，在工程结构中得到广泛应用。然而，两种材料的熔点有显著差异（接近400℃），可能导致铜铝接头组织和性能相差很大。此外，铝在高温下容易氧化，并且在钎焊或熔焊铜的接头中容易出现一些焊接裂纹[1]。因此，通过传统的焊接方法难以获得高质量的Cu/Al焊接接头。在熔焊或压焊（钎焊、扩散连接等）过程中，出现导致接头力学性能下降的Cu-Al金属间化合物在Cu/Al异种材料焊接中难以避免[2－3]。

在搅拌摩擦焊（FSW）焊接过程中，焊接金属会经历高温、大塑性变形和应力－应变，但是焊缝金属不会熔化，有助于避免焊缝金属氧化以及热裂纹和气孔的产生。到目前为止，铝和铝合金的搅拌摩擦焊已得到了广泛的研究[4－6]。然而，关于Cu/Al异种材料搅拌摩擦焊的研究报道较少[7－9]。在此重点研究T2紫铜与5A06铝合金搅拌摩擦焊接头的组织、力学性能和断裂特征，为进一步研究Cu/Al异种材料的FSW提供重要的试验依据。

1 试验材料和方法

试验材料为紫铜（T2）和铝合金（5A06）。材料尺寸均为150 mm×60 mm×3 mm，其化学成分和力学性能如表1～表3所示。焊接前，先去除工件表面的氧化膜和油污，然后将2块3mm厚的薄板对接焊接。试验参数为：搅拌头转速950～1 180 r/min，行进速度150～235 mm/min。试验结果表明，当行进速度为150 mm/min时，可以获得无明显缺陷的Cu/Al焊接接头。

表1 T2化学成分%

表2 5A06化学成分%

表3 T2/5A06的力学性能

切取Cu/Al焊接接头切取并制成金相试样和拉伸试样。金相样品的铜侧使用混合溶液FeCl2（6 g）+盐酸（10 ml）+H2O（90 mL）进行腐蚀，铝侧使用混合溶液HF（1 mL）+HCl（1.5 mL）+HNO3（2.5 mL）进行腐蚀。利用NEOPHOT32金相显微镜观察分析Cu/Al接头的显微组织，采用CSS－1100拉伸试验机测量接头的拉伸强度，使用扫描电子显微镜（SEM）对Cu/Al焊接接头进行断口分析。

2 结果与分析

2.1 FSW接头的形状与抗拉强度

采用不同的工艺参数对T2/5A06异种材料进行搅拌摩擦焊。不同工艺参数条件下Cu/Al对接接头的宏观形貌如图1所示。结果表明，搅拌工具转速和沿焊接方向的行走速度对Cu/Al搅拌摩擦焊接头的形成有很大影响。

图1 不同FSW参数下Cu/Al接头形貌

当搅拌工具的转速ω=950 r/min、行进速度v=150 mm/min时，焊缝优良且没有明显缺陷（见图1b）。当转速恒定、行进速度增加时，焊缝的质量变差（见图1a），并且沿焊接方向存在明显凹槽；当转速和行进速度同时提高时，焊缝成形不良，外观虽然没有凹槽等表面缺陷，但焊缝形状致密度小于图1b。

对Cu/Al异种材料FSW接头进行拉伸强度测试，测试结果如图2所示。接头全部在焊核区（WNZ）的铜（T2）侧断裂，测试结果如图2b所示。最大拉伸强度为296 MPa，约为100%的T2强度和94%的5A06强度。

2.2 搅拌区内的显微结构

图2 Cu/Al异种材料FSW接头的拉伸试样和测试结果

根据拉伸试验结果可知，接头在焊缝的铜侧断裂。因此，在铜侧焊缝中，特别是在焊缝熔核区，微观组织对Cu/Al接头的力学性能有重要影响。Cu/Al接头焊缝中搅拌区的显微组织如图3所示。Cu和Al之间有明显的边界，并且搅拌区内的金属有明显的塑性结合，可以清楚地观察到搅拌区中的洋葱圈结构（见图3a中的区域C）。

进一步观察WNZ可知，焊核中靠近铜侧的金属Cu（灰色）和Al（黑色）显示出层状交替结构特征（见图3b）。然而，在焊核的铝侧，金属Cu（黑色）和Al（灰色）显示出混合结构特征（见图3c）。搅拌针的塑性搅拌作用和摩擦热以及材料流动可引起两侧金属结构的不同。在该实验中，WNZ的温度明显低于铝或铜的固相线温度。此时，金属Al经历了连续动态再结晶（CDRX）[10]，该区域的晶粒明显细化。然而熔核区金属Cu也经历了搅拌作用和摩擦热的塑性流动，但由于温度低于500℃，Cu不会经历CDRX过程（该温度是Cu的再结晶温度下限）[11]。因此，具有层状交替和混合结构的焊核区域是通过搅拌针的搅拌作用和摩擦热所形成的。

图3 Cu/Al异种材料FSW搅拌区的显微组织

WNZ两侧不同的导热系数也可能是导致不同结构的另一个主要原因。由于T2的导热率是5A06的2.5倍，铜侧搅拌作用产生的摩擦热比铝侧损失得更多。这使得该区域的温度降低，导致WNZ不同侧面的结构不同。并且在FSW过程中，Cu和Al之间不会产生明显的冶金过程。因此，Cu和Al在铝侧紧密结合，呈现混合结构，在铜侧表现出层状交替结构特征。金属仅在搅拌摩擦焊接中发生塑性变形，接头的断裂位置位于铜侧的这一区域。

2.3 拉伸接头的断裂分析

Cu/Al异种材料FSW接头的断口形貌及分析如图4所示。利用QUANTA 200F型扫描电子显微镜观察宏观断裂表面，获得裂缝的宏观背散射图像如图4a所示。

图4 Cu/Al异种材料FSW接头的断口形貌及分析

焊缝上部的显微形态如图4b所示。可以看出，焊缝上部存在很多微裂纹，挤压变形明显，但在该区域未发现明显的塑性特征。图中两个标记点的EDS化学成分如表4所示。EDS结果表明，该部分的主要成分是Cu和Al。相应地，焊缝Cu－Al混合区上部在高温下机械挤压产生明显的塑性材料流动痕迹。但Cu和Al未形成有效的结合。含有较少波纹状的Cu嵌入在含有较多Al的组织中，这一部分可发现明显的裂纹。该区没有韧性断裂的特征。焊缝中部的宏观形貌为层状结构。这是由于搅拌工具的旋转和交叉进给造成的。在中间层断裂中有许多凹坑结构，如图4c所示，说明该部分具有良好的塑性，属于塑性断裂特征。底部焊缝的背散射图像如图4d所示。铜侧断口无明显的韧窝结构，也没有Cu－Al系化合物出现。

在许多韧窝结构中进一步观察中间层焊缝可发现微粒化合物（见图 4e），尺寸为 1～10 μ。图4e中颗粒和基体（编号1＃，2＃）的EDS分析结果如表5所示。

表4 焊缝上部的EDS分析结果

表5 颗粒物和基体在韧窝中的能谱分析结果

试验结果表明，韧窝中基体的主要成分是Al-Mg系合金化合物，不同大小的晶粒分布在韧窝中。由断裂结构和EDS结果可知，这些颗粒很可能是焊接过程中形成的Al3MgCu化合物，是典型的脆性组织。

4 结论

（1）当搅拌工具转速为950 r/min、行进速度为150 mm/min时，可获得外观美观、无明显缺陷的焊缝；当转速恒定并且行进速度增加时，会形成外观较差的焊缝。拉伸强度的最大值为296 MPa，约为T2强度的100%和5A06强度的94%。Cu/Al搅拌摩擦焊接头具有较高的使用性能。

（2）显微组织分析表明，焊核区（WNZ）中靠近铜侧的金属Cu和Al具有层状交替结构特征，焊核区（WNZ）的铝侧存在Cu和Al的混合结构特征。在搅拌针的搅拌作用下，Cu和Al的摩擦热和热导率的不同都会导致焊核区两侧出现不同结构。焊缝的宏观断裂表面明显分层。焊缝上部有许多微裂纹，是Cu-Al混合区。在焊缝中间层可观察到许多韧窝结构，属于塑性断裂区。脆性Al-Cu-Mg金属间化合物存在于韧窝中，焊缝底层无韧窝结构和Cu-Al混合。

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