铜镍合金与低碳钢无针搅拌摩擦搭接焊研究

刘守法， 王晋鹏， 吴松林

(1.西京学院 机械工程学院， 西安 710123;2.西北工业大学 机电学院， 西安 710072)

铜镍合金与低碳钢无针搅拌摩擦搭接焊研究

刘守法1， 王晋鹏2， 吴松林1

(1.西京学院 机械工程学院， 西安 710123;2.西北工业大学 机电学院， 西安 710072)

利用无针搅拌头，对C71000铜镍合金和Q235低碳钢进行了搅拌摩擦搭接焊。借助拉剪试验、SEM和EDS，研究了搭接面低碳钢侧镀镍层厚度对接头拉剪强度的影响机制。研究表明：镀镍层可阻止Fe元素在焊接过程中发生氧化，减少焊缝接合面上的微孔隙。焊接过程中的高温以及高压作用，使Fe和Cu原子扩散到镀镍层中，实现两板料间无缝接合。增大接合面的低碳钢侧镀镍层厚度，有利于提高焊缝的拉剪强度，当铜镍合金侧和低碳钢侧镀镍层厚度分别达5μm和20μm时，接头拉剪强度最大，约为295 MPa，为无镀层接头拉剪强度的2.76倍，接近铜镍合金母材的剪断强度。

无针搅拌头；铜镍合金；低碳钢；搭接焊；拉剪强度

因铜镍合金具有良好的耐腐蚀性，常在石油精炼、化学反应、化学品储运、海水淡化等设备中用作耐腐蚀材料。而碳钢具有较好的力学性能，常用作结构中的主要承力部件。结合这两种材料的性能特点，在低碳钢表面贴覆一层铜镍合金，形成复合板，使其兼具铜镍合金的耐腐性和钢的力学性能。

复合板的制造方法很多，其中最常见的有辊轧接合法(roll bonding)和爆炸覆层法(explosive cladding)。但钢与铜镍合金的复合板制造非常困难，因为它们熔点高且易在接合面上易形成氧化膜。

搅拌摩擦焊接(FSW)技术，是一种新型固态焊接技术，能够连接金属材料且不会降低其力学性能。Dawes 和Thomas[1]的研究显示，搅拌摩擦焊中的搅拌针能够破坏接合面的氧化膜，使接合面变成锯齿状。Zhang 等[2]的研究指出，在FSLW过程中，使用0.1 mm厚的锌作为接合界面间的填充材料，可提升搭接接头的焊接质量。Elrefaey 等[3]研究了纯铝板与低碳钢板间的搭接焊，结果显示当搅拌针稍微穿透到钢板表面时，会显著提高接合强度。Kimapong 和Watanabe[4～6]的研究显示，接合面间形成的金属间化合物降低了铝和钢间的焊接强度。Chen 等[7]探讨了铝和钢之间加入的锌涂层对焊缝强度的影响，焊接时的高温会使锌熔化，促进了铝-锌共晶反应物的生成。

Yilmaz 等[8]在铜与不锈钢的扩散焊接研究中指出，出现在铜侧材料中的微小孔隙，因Kirkendall效应在晶界中生长，最后会在已接合的铜和不锈钢的双合金中形成微小裂纹，降低了接合强度。Sabetghadam 等人[9]研究发现，当不锈钢和铜扩散接合时，加入镍中间层可以减少裂纹与孔隙的产生，因为铜和钢都很容易扩散到镍中。

无针搅拌摩擦焊是在搅拌摩擦焊基础上发展而来的，因为去掉了搅拌针，焊缝处也就没有了“匙孔”，从而提高了焊接强度[10～13]。为了提高焊接质量，本研究使用镍作为接合面的中间层，以抑制微孔隙与裂纹的生成，使用无针搅拌摩擦焊，研究了低碳钢侧镍镀层厚度对铜镍合金与低碳钢间搭接性能的影响。

1 试验方法

试验所使用的搅拌摩擦焊接设备，是由普通立式铣床改造而成。焊接板料下方由不锈钢 (SUS 316)背板支撑。搅拌头材料为经过淬火的高速钢 (SKH51)，直径为17mm，肩部端面为平面。焊接试验所用的材料分别为铜镍合金(C71000, Cu 80/ Ni 20) 和低碳钢 (Q235)，其尺寸分别为90mm×25mm×3.6mm 和90mm×25mm×4mm。先用#400 砂纸研磨工件的搭接面，再放入丙酮溶液中进行清洗，除去工件表面的氧化物和杂质。使用耐酸碱胶带遮住两工件搭接面以外的区域，然后将工件放入硫酸镍溶液中，在电流密度200A/cm2的电镀条件下进行电镀，然后用#400 砂纸研磨工件电镀面，并利用表面轮廓仪测量镀层厚度。铜镍合金侧的预设镀层厚度为5μm，而低碳钢侧则分别为5μm、10μm、20μm和40μm。

焊接试验中，铜镍合金板平放于低碳钢板上面。设定搅拌头倾角为1°、转速为1000r/min、焊接速度为10mm/min、搅拌头肩部后缘挤入板料深度为0.3mm，此时搅拌头的前缘恰好接触工件表面，旋转的搅拌头插入板料90s预热后，沿着接合线向前移动，完成焊接。

焊接完成后，将已焊接的板料用线切割加工成如图1所示的试样，以进行拉剪强度试验。试样拉伸方向与焊接方向一致，分别在铜镍合金侧和低碳钢侧开一2mm×5mm×3.6mm和2mm×5mm×4mm的沟槽，使承受剪力的面积为15mm2。加工出两个直径8.5mm 的通孔，用来将试样固定于万能试验机 (Instron 5582)的夹具上，以进行拉剪试验。对试样的剪断面分别用SEM和EDS (照射时间200s) 进行分析。

图1 拉伸试样截取位置及尺寸Fig.1 Sample location and dimension of the tensile sample

2 试验结果

2.1 镀镍层厚度对拉剪强度的影响

表1为不同镀镍层厚度对应的焊接试样的拉剪强度。可见，低碳钢侧镀镍层厚度增大有利于提高试样拉剪强度，低碳钢侧镀镍层厚度20μm对应的试样拉剪强度最大，达到了295MPa，约为无镀镍层试样的2.76倍，该值已接近铜镍合金母材的拉剪强度。

表1 试样剪切强度

2.2 断口宏观形貌

铜镍合金侧和低碳钢侧镀镍层厚度分别为0μm和0μm，5μm和5μm，5μm和10μm，5μm和20μm，5μm和40μm的试样的断口形貌，如图2所示。可见，当低碳钢镀层厚度为5μm以下时，剪断面平坦，无撕裂痕迹；镀层厚度为10μm时，铜镍合金的剪断面上出现了材料剥离现象，被剥离的材料留在低碳钢表面上形成凸点；当镀层厚度大于等于20μm时，剪断明显发生在铜镍合金内部，说明接合面强度已经接近铜镍合金母材。

2.3 剪断面EDS成分分析

分别对图2所示各剪断面的方形虚线标示区进行EDS分析，剪断面的两侧面EDS分析结果见表2。可见，镀层厚度为0时，两板料接合面的铜镍合金侧和低碳钢侧的O元素含量(质量分数，下同)分别为7.2%和12.1%，可知接合面材料在焊接过程中发生了氧化。这是由于板料在焊接过程中受热变形，使空气中的氧进入接合面间隙，在高温作用下使材料发生氧化反应。铜镍合金侧的Fe元素含量为83.6%，可见在两板料接合面上发生了大量的Fe元素扩散，在接合面上形成的应是Fe的氧化物。

在镀镍层较薄条件下(5μm和10μm)，两板料接合面的Ni元素含量均达90%以上，而Cu元素含量小于2.6%，可见Cu元素从铜镍合金侧扩散到了其它地方。在镀镍层较厚条件下(20μm和40μm)，两板料接合面的Cu元素含量约为73%～74%，Ni元素含量约为24%～25%，这说明元素扩散不明显。因接头的拉剪强度接近铜镍合金母材，所以断裂发生在铜镍合金内部。此外，表2还显示，在低碳钢侧镀镍层厚度小于20μm的情况下，两板料断裂面上都出现了一些Fe元素，并且含量随着低碳钢侧镀镍层厚度增大而明显减少。这表明低碳钢侧的Fe元素可扩散至镀镍层中，但因Fe元素易氧化而阻碍了两镀镍层间的接合，使得接合面的拉剪强度降低。

图2 不同镀层厚度试样的断口形貌 (a)无镀镍层；(b)5μm和5μm；(c)5μm和10μm；(d)5μm和20μm；(e)5μm和40μmFig.2 Fracture morphology of the sample with different thickness of Ni coating (a)without Ni coating；(b)5μm and 5μm；(c)5μm and 10μm；(d)5μm and 20μm；(e)5μm and 40μm.

表2 图2中试样断口两侧面EDS分析(质量分析/%)

2.4 接合面元素扩散分析

铜镍合金侧和低碳钢侧镀镍层厚度分别为5μm和20μm试样的EDS成份分析结果如图3a所示，图3b为无镀镍层试样横截面EDS成份分析结果。图3a中显示Cu元素和Fe元素会扩散到镀镍层中，而且两镀镍层之间结合良好，使接合面无法清楚分辨。Fe扩散进镀镍层的厚度较小，可见在低碳钢侧的镀镍层厚度具有阻挡Fe扩散至接合面的作用。

在无镀镍层情况下，接合面元素含量分布曲线如图3b所示。可见在铜镍合金与低碳钢的接合面上出现了大量的孔隙。Fe元素扩散进铜镍合金侧的距离较大，Cu元素和Ni元素向低碳钢侧扩散的距离较小。根据Kirkendall效应，由于不同合金自身扩散系数存在差异，会导致微孔隙在材料晶界传播，最终会形成微裂纹，从而导致试样拉强度降低。

对比图3a和图3b，可知镀镍层在焊接过程中可起到减少接合面微孔隙的作用，相对较软的镀镍层有利于提高接合面的紧密性。另外，因Fe元素和Cu元素可扩散到镀镍层中，也有利于提高接合面的拉剪强度。对于无镀镍层的情况，两种不同材料的扩散接合面间存在大量微孔隙，从而导致了接合面的拉剪强度变差。

3 结论

(1)随着接合面低碳钢侧镀镍层厚度增大，焊接接头的拉剪强度也增大，当铜镍合金侧和低碳钢侧镀镍层厚度分别为5μm和20μm时，接头拉剪强度达到最大，约为295 MPa，为无镀层接头拉剪强度的2.76倍，接近铜镍合金母材的拉剪强度。

图3 接合面元素分布曲线 (a)铜镍合金侧和低碳钢侧镀镍层厚度分别为5μm和20μm ;(b) 无镀镍层试样Fig.3 Distribution curves of the element on the joint interface (a)The sample with the thickness of Ni coating of 5 and 20μm on the Cu-Ni alloy side and low-carbon side respectively；(b) the sample without Ni coating

(2)材料接合面的镀镍层，有利于防止扩散的Fe元素在焊接过程中发生氧化，而且相对较软的镀镍层有利于提高接合面的紧密性，从而可减少焊接过程中接合面上的微孔隙。

(3)焊接过程中的高温以及高压作用，使Fe和Cu原子扩散到镀镍层中，两镀镍层界面间材料也会自我扩散，使两板料无缝接合。

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Friction Stir Lap Welding with Pinless FSW Tool for Cu-Ni Alloy and Low-carbon Steel

LIU Shou-fa1, WANG Jin-peng2, WU Song-lin1

(1.School of Mechanical Engineering, Xijing University, Xi′an 710123, China; 2.School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University , Xi′an 710072, China)

Cu-Ni alloy (C71000) and low-carbon steel (Q235) were joined by friction stir lap welding (FSLW) with pinless FSW tool with the help of nickel coating. The influence mechanism of the thickness of the nickel coating on the steel side on tension-shear strength of the weld was studied by means of tension-shear tests, SEM and EDS. Researches show that Ni coating could prevent Fe from oxidizing and reduce the micro-voids of the joint face of the weld. High interface temperature and contact pressure during the welding could promote diffusion of the Fe and Cu atom into the Ni coating through the interface and form seamless connection. Increasing the thickness of the nickel coating on the steel side could contribute to the improvement of the tension-shear strength of the weld. When the thickness of the Ni coating on Cu-Ni side and steel side reached 5μm and 20μm respectively, the maximum tension-shear strength of 295MPa was achieved, which was 2.76 times that of the weld without Ni coating and close to Cu-Ni alloy.

pinless FSW tool; Cu-Ni alloy; low-carbon steel; lap welding; tension-shear strength

2014-12-06；

2015-02-09

陕西省教育厅科研基金资助项目(11JK0880)

刘守法(1980—)，男，硕士，讲师.主要从事有色金属的搅拌摩擦焊与超塑性成形研究，(Email)liushoufa807456@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.010

TG453

A

1005-5053(2015)03-0055-05