Зварювання тертям із перемішуванням міді T2 та латуні H62: параметри процесу, мікроструктура та властивості з’єднання

Чому мідь T2 і латунь H62 важко зварювати плавленням

Поєднання міді T2 з латунню H62 дозволяє одному компоненту використовувати як електричну, так і термічну поведінку міді високої -чистоти, а також вищу міцність і кращу оброблюваність дво-фазної латуні. Перешкода металургійна. Мідь T2 плавиться в районі 1085 градусів, латунь H62 твердне близько 900 градусів, а мідь відводить тепло від з’єднання набагато швидше, ніж латунь. Під час дугового, лазерного або електронно-променевого зварювання багата цинком -сторона досягає свого діапазону кипіння до того, як мідна сторона повністю розплавиться, тому цинк втрачається, утворюється дим, а з’єднання страждає від пористості, грубих інтерметалічних плівок і гарячих тріщин. Розрідження ледь можна контролювати в межах вузького перекриття між двома діапазонами плавлення, тому твердотільний-маршрут є кращим для тонкої мідної та латунної пластини.

Зварювання тертям із перемішуванням (FSW) — це твердофазний-фазовий процес: інструмент, що обертається, треться об заготовку, тертя та пластична робота виділяють тепло, а розм’якшений метал перемішується та кується за інструментом, навіть не досягаючи точки плавлення. Сплав пластифікується спільною дією плеча та штифта, екструдується навколо штифта та укріплюється на задній кромці. Для мідних сплавів інструмент має бути такого розміру, щоб штифт був на 0,2–0,3 мм коротший за товщину пластини, таким чином весь перетин кується, а не проколюється, а вісь інструменту нахилена приблизно на 2 градуси від вертикалі, щоб підтримувати тиск кування за плечем.

Експериментальна{0}}налаштування та параметри процесу

Дослідження процесу зварювало мідь T2 товщиною 2 мм і 4 мм до пластини з латуні H62 на спеціальній машині для зварювання тертям. Оскільки латунь плавиться при нижчій температурі та гірше проводить тепло, ніж мідь, латунну пластину було розміщено на стороні просування, а мідну пластину — на стороні повернення, що вирівнює температуру на лінії зварювання та зменшує перегрів латуні. Швидкість обертання та швидкість зварювання змінювалися у вікнах, зазначених нижче, а тиск у плече використовувався як другий контроль тепла на тоншій пластині.

Формування поверхні зварного шва та чутливість параметрів

На пластині 2 мм швидкість обертання домінує над якістю поверхні. При 700 об/хв підведення тепла на одиницю довжини зварного шва різко зростає, текучість пластифікованого металу погіршується, а поверхневі кільця стають помітно нерівними; діапазон швидкостей зварювання, який все ще створює міцний валик, стискається одночасно. Оскільки пластина тонка, більша частина тепла надходить від тертя плеча, а не від штифта, тому тиск плеча стає другим, не менш важливим контролем. Підтримуючи постійну швидкість обертання та збільшуючи тиск у плечах, збільшується надходження тепла та знову стає грубим малюнок поверхні, тоді як за постійного тиску зміна швидкості зварювання зміщує баланс між виділенням тепла та відведенням тепла.

Практичним наслідком є ​​технологічне вікно, а не єдиний рецепт: швидкість обертання від 450 до 600 об/хв із помірною швидкістю зварювання створює безперервно сформовану бездефектну-поверхню на пластинах обох товщин.

Мікроструктура самородка зварного шва та фази розділу

Змішування двох сплавів зосереджено в зварювальному шарі, де обидва матеріали течуть один до одного й утворюється кільцевий малюнок. Домінуючим компонентом самородка є латунь із розсіяною крізь неї міддю, а подекуди вони виглядають як великі блокові виступи, з’єднані разом. Латунь зі сторони просування забивається в межах діаметра плеча та навколо штифта, тому пластифікований метал зі сторони просування накладається на сторону повернення, тоді як мідь зі сторони повернення перетинає центр самородка та піднімається до сторони просування; метал близько до плеча може досягати зони термо-механічного впливу наступаючої сторони. У з’єднаннях товщиною 2 мм два матеріали з’єднуються вздовж похилої площини, а мідь, яка потрапляє в самородок, повністю диспергується в латуні.

Структура зерна відрізняється від однієї зони до іншої. Зерна міді, що примикають до латуні, помітно грубіють, оскільки тепло, що надходить з боку міді, накопичується в самородку, а мідь, розташована поблизу латуні, довго перебуває при високій-температурі. З боку латуні надлишок тепла створює грубі рівновісні зерна, тоді як латунні зерна всередині самородка залишаються дрібними та рівномірно розподіленими. Термо-зона механічного впливу на передовій латунній стороні обмежена двома чіткими розділовими лініями, приблизно симетричними відносно самородка. Між двома сплавами присутній перехідний шар шириною 1–10 мкм; Рентгенівська дифракція ідентифікує його як інтерметалічний Cu5Zn8.

Мікротвердість і властивості з'єднання на розтяг

Виміряний на ділянці від міді до латуні, слід твердості відповідає основним металам: основний метал міді становить у середньому 95 HV, а основний метал латуні 160 HV, тому мікротвердість різко зростає через перехідну зону. Кожне з’єднання розм’якшується відносно власного основного металу, а латунна сторона розм’якшується більше, ніж мідна: латунь втрачає 40–60 HV, тоді як мідь втрачає лише 10–20 HV, ця різниця безпосередньо випливає з нижчої точки плавлення латуні та її більшої схильності до перестаріння при високій температурі. З’єднання, зварене зі швидкістю 450 об/хв і 80 мм/хв, твердіше, ніж з’єднання, виготовлене з вищою швидкістю обертання в поєднанні з вищою швидкістю зварювання, різниця найбільш очевидна на стороні латуні.

Результати розтягування слідують тій же логіці. Подовження та міцність на розрив досягають свого максимуму при 600 об/хв зі швидкістю зварювання 55 мм/хв, а середня міцність на розрив з’єднання знаходиться між показниками латуні та міді. Злам відбувається з боку міді. Підвищення швидкості обертання до 700 об/хв збільшує підведення тепла та звужує діапазон швидкості зварювання, тому неправильно вибрана швидкість зварювання спричиняє значну втрату пластичності та міцності на розрив; тоді стає важко контролювати якість з’єднання. Підтримання швидкості обертання від 450 до 600 об/хв із узгодженою швидкістю зварювання забезпечує з’єднання з ідеальним поєднанням подовження та міцності.

Часті запитання

З: Чи можна з’єднати мідь T2 і латунь H62 без плавлення обох сплавів?
так Зварювання тертям із перемішуванням є процесом у твердому-фазі, тому з’єднання утворюється нижче температури плавлення обох сплавів, а також уникає втрат цинку, пористості та гарячих тріщин, характерних для зварювання плавленням.

Питання: з якого боку слід розмістити латунну пластину?
Латунь йде на бік просування, а мідь на бік повернення. Це компенсує нижчу температуру плавлення та нижчу теплопровідність латуні та вирівнює температуру на лінії зварювання.

З: Які швидкості обертання та зварювання забезпечують найкраще з’єднання?
Рекомендується швидкість обертання від 450 до 600 об/хв із узгодженою швидкістю зварювання; 600 об/хв у поєднанні з 55 мм/хв забезпечили найвище подовження та міцність на розрив у випробуваннях.

З: Чому латунна сторона розм’якшується більше, ніж мідна?
Латунь плавиться при нижчій температурі, ніж мідь, і легше розм’якшується при високій температурі, тому латунна сторона втрачає 40–60 HV, тоді як мідна сторона втрачає лише 10–20 HV.

З: Яка фаза утворюється на межі розділу міді та латуні?
Рентгенівська дифракція ідентифікує перехідний шар Cu5Zn8 між двома сплавами. Шар має лише 1–10 мкм завширшки, тому твердість різко зростає вздовж з’єднання.

П: З якого боку руйнується зразок на розтяг?
Розрив відбувається на стороні міді, а середня міцність на розрив з’єднання лежить між міцністю на розрив латуні та міцністю основного металу міді.