周挺

(中船澄西高级技工学校 江苏 无锡 214400)

1 研究背景

铜及铜合金是工业应用最为广泛的有色金属材料之一，其优良的导电、导热性，优秀的机械加工性能，都使其在电力电子、航空航天、武器化工等行业中必不可少。铜和铜合金具有良好的塑性和切削性能，但焊接工艺更复杂。目前，主要使用CO2气保焊和氩弧焊等方式，但存在一些问题：第一，铜和铜合金具有高熔点，必须有足够热密度来熔化焊料和基材；第二，焊接接头被加热已经历热裂纹，导致接头性能差。搅拌摩擦焊应用可以很好地解决上述两个问题。搅拌摩擦焊接是利用零件之间的摩擦产生热量，达到热塑性状态，实现金属材料连接。与熔焊相比，温度更低，焊后变形和残余应力更小，不会产生热裂纹，因此有必要作为前瞻性的工艺技术储备进一步研究，更换现有技术，提高产品焊接质量。

自摩擦焊发明以来，摩擦焊技术在国内外得到广泛研究和发展，并在轻合金结构制造领域得到应用。此外，基于搅拌摩擦焊接原理的另一项技术——搅拌摩擦处理也受到了一定关注，并在金属织物改性和复合材料制备方面显示出独特优势。然而由于高温钎焊接头材料限制，铜及铜合金摩擦焊接和加工研究远不如铝合金重要。本文简要综述了铜及铜合金摩擦焊接与加工的研究进展，对焊接工艺进行设计和探索，确定了一组合理可行的工艺方案。

EDWARDS P D 等人[1]使用铁粉作为示踪材料，焊接6 mm厚的Ti-6Al-4V，发现铁粉从背面向前流动，形成半圆弧形层。董学伟等人[2]利用CDF中流动模量建立锥形螺纹搅拌头三维流动模量，得出锥形螺纹搅拌头部提高塑料材料流动性，并且在搅拌头反向旋转方向上出现了“包裹”现象。柯黎明等人[3]在交替标记材料Cu 和Al 时使用了铜箔。由于混合头旋转方向与螺纹方向不同，在厚度方向上获得了不同形态。SALARI E等人[4]使用4种不同形状钎焊头，在相同参数下对铝合金AA5456进行焊接，这导致使用在钎焊针底部带有加强锥的钎焊针来焊接试样，从而获得最佳密封性能。CASALINO G 等人[5]研究了搅拌的形状和材料对接头性能的影响，得出的结论是平肩比凹肩对焊接参数更敏感。搅拌头的形状严重影响接头微观结构和硬度。

2018 年，李树寒等人[6]利用钛/钢界面形成的焊接速度和特征对搅拌摩擦焊头进行了研究。该方法使用搅拌摩擦焊接技术对接厚度为2 mm 的钛/钢板，并使用OM 和SEM 分析钛/钢界面形状和特征，使用EDS 分析界面处元素的分布。焊接速度为23.5～60 mm/min时，焊接中心形成了一个主要由钛制成的“洋葱圈”。对于75 mm/min的焊接速度，界面处反应层的厚度约为1 μm。当焊接速度为60 mm/min 时，界面反应层的厚度约为5 μm，焊接速度为47.5 mm/min，界面反应膜厚度约为5～60 μm，钛/钢在界面处的冶金反应程度变强，界面反应层厚度逐渐增加。2019 年，唐文坤等人[7]对在搅拌摩擦焊接过程中，对厚度为4 mm的T4003铁素体不锈钢进行了试验，研究了焊接参数对接头在常温和低温下组织特征、硬度分布和冲击韧性的影响。2020 年，计鹏飞等人[8]分析了搅拌摩擦焊焊头研究进展，为国内外铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和钢材料搅拌摩擦焊焊接头结构设计、材料、磨损失效和寿命研究进展提供了启示，比较了各焊点结构设计和材料财产的优缺点，分析焊点失效模式和寿命，展望了搅拌头的研究发展趋势。

2 总体工艺路线设计与试验设计

2.1 总体工艺路线设计

2.1.1 焊接搅拌头结构设计

根据铜及铜合金的硬度、熔点及质量要求，类比确定焊接搅拌头材质（可选钨铼、钨钼类合金）；设计搅拌针形貌、轴肩及锥角等结构。

2.1.2 工艺参数的设计与选用

设计旋转速度（预计在200～1 500 r/min 之间）、焊接速度（50～300 mm/min 之间）、轴向压力、搅拌头插入深度与角度等工艺参数。

2.1.3 设计、开展工艺试验条件、方法

试验分析工艺参数对焊缝表面质量影响、如焊接强度、截面形貌、表面质量等。

2.1.4 分析工艺试验进程和焊缝质量的检测数据

找到工艺参数与表面质量的数学关系。做出相关图，为修正工艺参数提供依据。

2.2 试验设计与准备

2.2.1 样片的处理

选用3 mm厚的铜合金板材，长200 mm，宽100 mm进行搅拌摩擦连接实验。首先用丙酮清洗焊接试板表面油污，再用纱布除去氧化膜使其露出清洁的金属表面，并用酒精清洗吹干，然后将待焊件固定在工作台，对接试验中两块铜板相对放置。放置在前进侧，搭接实验将采用两种方式，铝、铜板分别作为上层板进行搭接成形。等待进行铜板搅拌摩擦焊工艺试验。

2.2.2 试验设备

焊接主体设备采用专用搅拌摩擦焊机DW-FSW-1500，该设备采用西门子系统，工作台为1 000 mm×700 mm，主轴最高转速可达2 000 r/min，焊接厚度最大为8 mm，专用于精密设备焊接密封，可以满足本次实验要求。

检测设备主要采用拉力试验机，用于检测接头抗拉强度，型号选用单柱拉力试验机，设备整机精度达到1级，有效测试范围为0.5%～100%FS，横梁位移空间为800 mm，测试宽度为400 mm，位移分辨率为0.001 mm。

接头显微硬度采用HVS-1000 型数显显微硬度计，它配备高清晰全自动测量软件及X/Y自动载物台，可实现全程自动测量，适合焊接样块硬度检测，测试时在试样厚度中线上测量。

3 主要工艺参数设计与分析

3.1 搅拌头材料的选择与设计

搅拌头结构设计没有规范，各位置参数包括轴肩直径、内凹角度、搅拌针直径锥度形状等对焊接质量的影响情况都比较复杂，如何通过试验确定最优解，是项目的关键。

首先，摩擦搅拌焊接工作原理是利用搅拌头肩部和搅拌针与基材摩擦产生热量，使基材达到熔化状态并结合在一起。与普通铝合金材料不同，焊接峰值温度仅为450～550 ℃。铜是一种高温材料。材料和铜的导热系数和摩擦系数会影响热，因此可选材料较少，本次工艺设计采用多晶立方氮化硼材料。多晶立方氮化硼是一种人工合成新型材料，其硬度高，耐磨性好，特别适合加工高温合金、火钢和铜合金等材料[9-10]。

搅拌头结构如图1所示，主要包括轴体、轴肩和搅拌针3 个部分，搅拌轴肩直径为12 mm，带螺纹锥形搅拌针，长度为2 mm，肩部表面的中空设计，例如：圆形凹槽或涡流线，确保热塑性材料受到向内的力，这有利于在肩部端面中心肩部末端下方收集热塑性物质，以填充钎焊针后面形成的空腔，同时减少焊接过程中钎焊接头内部应力的集中。搅拌针主要具有圆柱形发光表面、圆柱形线搅拌针、锥形线搅拌针、锥形线三槽搅拌针、偏心圆形搅拌针、离心圆形线搅拌针、非对称搅拌针以及多种柔性搅拌针。

图1 搅拌头结构简图

加工时，轴体与搅拌机旋转头连接，再利用搅拌针插入到工件待焊接部位，通过轴间和焊接母材两者摩擦产生压力和热能，将工件表面变为热塑性，跟着搅拌头运动而逐渐结合。搅拌针附近材料发生塑性变形和流体流动，从而导致形变生热。因此，搅拌摩擦焊本质上是以摩擦热作为焊接热源的焊接方法，所以摩擦生热是影响焊接质量的关键因素。

3.2 工艺参数的设计与选用

3.2.1 摩擦焊热分析

影响搅拌摩擦焊焊接质量关键因素就是搅拌摩擦焊的热功率，用公式可以表示为

式（1）中：Q为热功率；k为形状因子，由上一节所属的搅拌头形状和尺寸所决定；μ为摩擦因数，与搅拌头轴间的材料和工件材料有关；n为搅拌头的转速；f为焊接压力。

式（2）中：C为常量系数；ν为焊接速度。

由于搅拌摩擦焊稳态焊接时，摩擦因数和焊接压力均为定值，因此可将其与形状因子结合为新的常量系数C，则搅拌摩擦焊热输入大小可以用n/v表征。

因此，当搅拌头材料、结构尺寸设计完毕后，搅拌摩擦焊关键工艺控制参数就是搅拌头的速度n和焊接速度ν。

3.2.2 焊接参数

搅拌摩擦焊接参数主要包括焊接速度（搅拌焊接头在焊接方向上的位移速度）、搅拌焊接头的旋转速度、焊接压力和搅拌焊接头（倾斜）的结构参数θ、搅拌焊接头的插入速度和保持时间等。

（1）搅拌头旋转速度n的设计与选用。设计旋转速度（预计在500～1 500 r/min 之间），如果焊接速度保持恒定，也就是说，当定义焊接速度时，如果搅拌焊接接头旋转速度低且焊接热输入低，则搅拌焊接接头不能形成足够热塑性材料来填充在钎焊针后面形成的空腔，并且在焊缝内部容易形成孔、凹槽，这会削弱关节阻力。当转速增加到一定值时，焊缝外观良好，内部孔洞逐渐消失。当密封件处于适当转速时，可以获得最佳阻力值。

搅拌焊接头旋转速度通过改变热塑性材料热输入和流动来影响接头微观结构，从而影响接头性能。对于铜和高强度铜合金，在n=160 mm/min 的焊接速度下，搅拌焊头倾角θÅ和搅拌焊头转速对2°条件下接头强度影响如图2所示。从图中可以看出，当n≤900 r/min时，接头强度随着转速增加而增加，并且在n=900 r/min时达到其最大值；当n＞900 r/min 时，接头强度随着转速增加而迅速降低。

图2 旋转速度对接头强度的影响

（2）焊接速度。焊接速度就是搅拌头进给速度，焊接速度越大，则焊接效率越高，焊接周期越短，但发热也随之提升；焊接速度越小，则焊接周期越长，但能更好控制发热量。本次实验的焊接速度试验设计参数在（50～300 mm/min 之间），每增加50 mm/min，进行一次检测。图3显示了焊接速度对铜及铜合金搅拌摩擦焊接接头抗拉强度影响。由图可知，相对于焊接速度的联合力不是简单的线性比例关系，而是曲线上的变化。当焊接速度小于200 mm/min 时，接头强度随焊接速度增加而增加。

图3 焊接速度对接头强度的影响

（3）上述两小节主要分析了焊接速度和焊接速度对接头强度的影响。然而，实际生产不能独立于参数进行切割，必须考虑n/v对接头性能的综合影响：当速度过低或焊接速度过高时，n/v降低，这意味着焊缝热输入较低，热量不足以达到焊接区域金属热塑性状态，从而在焊缝中产生孔和未焊透等缺陷。随着转速增加或焊接速度的降低，n/v逐渐增加，焊接热输入趋于合理，从而形成良好的焊缝。当转速过高或焊接速度过低时，n/v过高，热输入焊缝的单位长度过高，焊接区域的金属过热，导致焊缝质量不达标。

只有当n/v在一定范围内时，即当焊接速度合理且与搅拌焊接接头的转速相对应时，才能获得适当的焊接热供应，才得以实现美观高效的焊接。

通过分析试验数据并使用搅拌摩擦焊接，当转速为n=1 000 r/min时，不同的n/v比对牵引力有相反的影响。根据实验数据，随着n/v值增加，强度和塑性增加，最大抗拉强度达到510 MPa，与基体的测量结果相同。伸长率分别为基材测量值的21%和67%。达到最大电阻值后，继续增加n/v值，导致电阻和塑性降低。因此，在实际的工艺设计中，有必要进行多次比对，根据焊接工艺的优势进行选择和评估，以进行确认。

（4）焊接硬度测试。焊接接头织物由面向4 个区域中间的两侧组成，即基材区域、热影响区域、热效应区域和混合区域。混合区呈倒U形。

为了研究平行于垂直轧制方向的焊接方向与工件接头之间的硬度差异，在焊接参数为1 000 r/min 和焊接速度为200 mm/min 的情况下，平行于板材轧制方向和垂直于板材轧制的焊接核心区硬度值的变化趋势是一致的。中心焊接区硬度值波动的原因是铜合金在搅拌摩擦焊接过程中发生动态再结晶。晶粒细化对对接接头的力学有显著影响。由于焊接芯区和铜基底过渡区的热循环，分散的小增强相将会聚，材料将过度变白，从而形成软化区并降低硬度。搅拌区的硬度小于基材的硬度，热影响区的硬度值最低。硬度分布特征如下：搅拌区的硬度不仅与颗粒尺寸有关，还与该位置的位错密度有关。搅拌区组织发生动态再结晶，晶粒中位错密度降低，位错强化效应降低，硬度降低，随着焊接速度的增加，搅拌区的硬度逐渐增加，这是晶粒细化的结果[11]。受热影响的区域只经历热循环的影响，这相当于退火过程，伴随着晶粒生长，因此该区域的材料软化并具有最小的硬度。

4 结语

本文对铜及铜合金的搅拌摩擦焊接技术进行了深入的工艺研究。研究结果表明：摩擦焊工艺设计的关键是对热功率的控制，在搅拌头结构设计定型后，热功率的控制关键在于搅拌头转速和搅拌头的进给速度。通过理论分析和试验研究可以看出：两者对接头强度的影响都是近似一条向下的抛物线，具体曲线的形状按照试验数据绘制，当单独看某一参数时，应取在中间的某个数值使抛物线在极值时，强度最优。若同时考虑，只有当n/v在一定范围内，即焊接速度合理并与搅拌焊头的转速相匹配时，才能获得适当的焊接热输入，以获得美观的焊接形状和优异的性能。就焊接接头的硬度而言，不同焊接速度下接头横截面上的显微硬度分布不同，硬度曲线大致呈U形，因此应结合硬度需求综合考虑焊接速度。