Ricerca sul processo di saldatura per attrito tra materiali diversi in rame T2 e ottone H62
Riassunto: La ricerca sul processo di saldatura ad attrito è stata condotta su materiali diversi di rame T2 e ottone H62. Sono state analizzate sperimentalmente la formazione della saldatura, la microstruttura dei giunti e le proprietà meccaniche dei giunti di rame e ottone con piastre di diverso spessore in base a vari parametri di processo. La distribuzione dei due materiali nel giunto e la composizione della fase alla giunzione sono state analizzate da una prospettiva microscopica. Gli esperimenti dimostrano che parametri appropriati del processo di saldatura possono ottenere un giunto rame-ottone con struttura e prestazioni eccellenti e che è presente una zona di transizione alla giunzione del giunto. , un materiale di transizione con una larghezza da circa 1 a 10 μm. Lo studio ha inoltre rilevato che la microdurezza e la resistenza alla trazione media del giunto sono tra ottone e rame.
Parole chiave: saldatura per attrito; metalli dissimili; rame; ottone; parametri di saldatura
Numero di classificazione CLC: TG453 Codice identificativo del documento: A
Nell'industria moderna, è spesso necessario saldare materiali con proprietà diverse in parti composite non solo per soddisfare diversi requisiti prestazionali, ma anche per risparmiare materiali preziosi e ridurre i costi. Tuttavia, a causa delle grandi differenze di prestazioni tra metalli diversi, le combinazioni sono diverse e i requisiti per le loro giunzioni sono diversi, quindi i metalli diversi sono solitamente molto più difficili da saldare rispetto allo stesso metallo.
La saldatura per attrito (FSW) è un metodo di saldatura che utilizza il calore da attrito come fonte di calore, noto anche come tecnologia di saldatura in fase solida. Fin dal suo inizio, questo metodo ha attirato l’attenzione diffusa da parte di ricercatori nazionali e stranieri ed è stato utilizzato con successo. Viene utilizzato principalmente per la saldatura delle leghe di alluminio. Si è gradualmente esteso alla saldatura di leghe di magnesio, leghe di rame, leghe di titanio, acciaio inossidabile e altri materiali [1~6]. Attualmente ci sono pochi rapporti sulla ricerca sulla saldatura ad attrito di metalli dissimili [7]. Questo articolo Il test del processo FSW è stato condotto principalmente su metalli diversi in rame T2 e ottone H62. Sono stati studiati i parametri di processo che influenzano la qualità del giunto rame-ottone e i componenti di fase formati durante il processo di saldatura. Sono state inoltre studiate la microstruttura della saldatura e le proprietà del giunto. Sono state analizzate le proprietà meccaniche.
1. Metodi sperimentali
Il test utilizza rispettivamente rame T2 e ottone H62 di 2 mm di spessore e rame T2 di 4 mm di spessore e ottone H62 come materiali sperimentali. Sulla saldatrice speciale SW-3LM-015, l'esperimento FSW è stato condotto sulla piastra di rame-ottone. Esperimento Quando si saldano leghe di rame, utilizzare una testa frizionata adatta alla saldatura di leghe di rame. La lunghezza dell'ago di agitazione è da 0,2 mm a 0,3 mm inferiore allo spessore della piastra saldata. L'angolo tra la direzione e la linea verticale della superficie del pezzo è di 2 gradi. Modificando i parametri del processo, possiamo ottenere i migliori risultati. Forma e qualità ottimali delle giunture. Una volta completata la saldatura, tagliare il provino richiesto nella direzione perpendicolare alla saldatura. Il campione metallografico preparato viene corroso con soluzione alcolica di acido cloridrico di cloruro ferrico (10 g FeCl3, 6 ml HCl, 40 ml di H2O, 60 ml di C2H5OH). Durante l'incisione, viene inciso prima il lato in rame, quindi il lato in ottone. Dopo l'attacco, sono stati utilizzati i microscopi ottici su larga scala MEF3 e la diffrazione di raggi X ADVANCE 8D per analizzare la struttura e la zona di giunzione degli oggetti. È stata analizzata la composizione della fase e sono state testate la microdurezza e le proprietà meccaniche dei giunti.
2. Risultati sperimentali e analisi
2.1 Effetto dei parametri di processo sulla formazione della superficie di saldatura
Durante il processo di saldatura ad attrito, poiché la temperatura del lato di avanzamento è inferiore a quella del lato di ritorno e la conduttività termica e la temperatura del punto di fusione del rame rosso sono superiori a quelle dell'ottone, l'ottone viene posizionato principalmente sul lato di avanzamento e il rame rosso viene posizionato sul lato di ritorno durante la saldatura. Esperimento Alcuni dei parametri del processo di saldatura utilizzati sono mostrati nella Tabella 1. Tabella 1 Parametri del processo di saldatura con agitazione per attrito di materiali diversi in rame e ottone.
La Figura 1 mostra la formazione della superficie di saldatura di rame T2 di 2 mm di spessore e ottone H62 durante la saldatura ad attrito in diverse condizioni di processo. Il lato superiore dell'immagine è il lato anteriore: ottone, mentre il lato inferiore è il lato posteriore: rame. Dalla Figura 1c, si può vedere da d che quando il pezzo è sottile, la velocità di rotazione della testa di attrito ha un impatto maggiore sulla formazione della superficie. Quando la velocità di rotazione è 700 giri/min, l'intervallo di selezione della velocità di saldatura è relativamente ampio, quindi, sebbene la velocità di saldatura venga aumentata, la velocità di saldatura. La formazione della superficie della giuntura inizia a deteriorarsi. Questo perché l’aumento della velocità di rotazione aumenta notevolmente l’apporto termico per unità di lunghezza della saldatura, peggiorando le proprietà del flusso del materiale. Un altro modo per aumentare il calore è aumentare la pressione sulla spalla della testa di attrito. Poiché la piastra è sottile, il calore generato dall'attrito della spalla gioca un ruolo importante. A parità di velocità di rotazione, il contributo della pressione delle spalle al calore è diverso. La Figura 1a e la Figura 1b si riferiscono a quando la velocità di rotazione rimane invariata e la velocità di saldatura viene modificata. Nel diagramma di formazione della superficie ottenuto, a causa della grande quantità di pressione e calore generati dalla testa di attrito nella Figura 1b, l'anello di formazione della superficie appare di dimensioni non uniformi.
2.2 Microstruttura dei giunti e analisi delle fasi di interfaccia
La Figura 2 è una morfologia in sezione trasversale di un giunto FSW in rame e ottone H62 di spessore 4 mm. Il lato destro dell'immagine è il lato anteriore: ottone, mentre il lato sinistro è il lato posteriore: rame. Come si può vedere dall'immagine, la differenza tra rame rosso e ottone La miscelazione avviene principalmente nell'area del nocciolo di saldatura e i due scorrono l'uno verso l'altro. È presente una struttura ad anello di cipolla nell'area del nucleo di saldatura, rappresentata da A nella figura [8]. Il componente principale in quest'area è l'ottone, mentre il rame rosso è drogato solo in piccola quantità. Nel frattempo, l’area mista è ampia
In alcune aree, entrambe sono sporgenze a forma di blocco di grandi dimensioni collegate insieme. Il materiale trasferito durante il processo di miscelazione dell'ottone sul lato destro (lato anteriore) rientra principalmente nell'intervallo di diametro della spalla e al centro dell'ago di agitazione, azionato dalla spalla Il metallo plastico sul lato di avanzamento copre la superficie metallica su il lato di ritorno, mentre il rame sinistro (lato di ritorno) si sposta attraverso il centro del nucleo di saldatura verso il lato di avanzamento guidato dalla rotazione della spalla dell'albero e dell'ago di agitazione. Il materiale in prossimità della spalla può raggiungere il lato caldo del lato di avanzamento. Zona meccanicamente interessata. Il metallo nella zona del nocciolo di saldatura viene agitato e mescolato tra loro a causa della forte deformazione e del flusso plastico a taglio [9,10]. Il flusso di metallo in questa zona si muove effettivamente attorno all'ago di agitazione secondo determinate regole. Infine, viene formata la struttura ad anello di cipolla in A nella figura. Dall'analisi della situazione del flusso del rame in figura, si può vedere che il flusso di materiale sul lato anteriore è diviso in tre situazioni: una è che il metallo vicino all'estremità dell'ago di agitazione scorre in avanti dal basso verso l'alto; l'altro è Il flusso dell'anello di cipolla appare al centro dell'ago di agitazione, ma sul lato anteriore questo flusso è coerente con la direzione del flusso alla fine; in terzo luogo, sul modello di flusso dell'anello di cipolla appare un fenomeno di vortice plastico. La B di rame che appare sul lato anteriore è rivolta verso l'alto a partire dall'estremità dell'ago di agitazione. Scorre in avanti invece di spostarsi dalla stessa altezza del rame attorno alla parte posteriore dell'ago di agitazione. Una situazione simile si verifica anche nel giunto a piastra sottile T2/H62. A causa del piccolo spessore, i due materiali sono collegati tra loro su un piano inclinato e nel pepita di saldatura la zona dove appare del rame rosso è completamente mescolata con l'ottone.
La Figura 3 è un diagramma della microstruttura di diverse parti rispetto alla Figura 2. Dalla figura si può vedere che la dimensione e la forma dei grani in ciascuna area del giunto sono diverse e, a causa dell'esistenza di zone miste, il La situazione nel comune è più complicata. La Figura 3a mostra l'area del materiale madre del rame, a differenza di quando si salda lo stesso tipo di rame, i grani di rame vicino all'area dell'ottone aumentano in modo significativo, come mostrato nelle Figure 3b, 3d. Questo perché i coefficienti di conduzione del calore su entrambi i lati della testa di attrito sono diversi. Poiché la temperatura del rame rosso è elevata, la conduttività termica è buona. , una grande quantità di calore viene trasferita dal lato in rame e il rame vicino al lato in ottone si trova nell'area del nucleo di saldatura e la conduzione del calore su entrambi i lati è lenta, con conseguente lungo tempo di permanenza ad alta temperatura in quest'area, facendo così crescere i granelli di rame in questa zona. Sul lato dell'ottone, poiché il calore in ingresso è troppo elevato, i grani crescono fino a diventare grani grossolani equiassici. Nella zona del nocciolo di saldatura, poiché i due materiali non sono uniformemente miscelati, la forma dei grani aumenta notevolmente nella zona in cui il rame è leggermente miscelato, mentre nella zona singola i grani di rame sono notevolmente più grandi di quelli dell'ottone, e la zona i grani di ottone sono fini e distribuiti uniformemente, come mostrato nella Figura 3c. La Figura 3f mostra la microstruttura della zona interessata termomeccanicamente in ottone sul lato anteriore. Rispetto al lato di ritorno, questa zona presenta un confine evidente, con due linee di demarcazione. Le due facce sono composte da grani con evidenti differenze di dimensione. Analizzando il quadro macroscopico si riscontra che le linee di divisione su entrambi i lati della zona del nocciolo di saldatura sono sostanzialmente simmetriche rispetto alla zona del nocciolo di saldatura. Ciò è causato dalla bassa temperatura del punto di fusione dell'ottone. Nel caso del rame rosso e dell'ottone, la compenetrazione avviene alla giunzione delle connessioni dei blocchi, ma l'area di penetrazione è estremamente stretta. Nel giunto T2/H62, nonostante i grani lato rame subiscano ricristallizzazione dinamica e recupero dinamico durante il processo di saldatura, rispetto al lato ottone i grani sono più piccoli. Il cambiamento nella dimensione delle particelle non è evidente. D'altra parte, nei giunti saldati di metalli diversi, la condizione di connessione all'interfaccia dei due materiali gioca un ruolo importante nelle proprietà meccaniche del giunto. Dalla vista macroscopica del giunto si può notare che la maggior parte delle forme di connessione dei due materiali sono composte da zone con evidenti linee di divisione, con solo poche zone miste. Dai giunti di Figura 4 si può notare che alla giunzione sono presenti fasi diverse dai due materiali, con una larghezza di circa 10 μm e una distribuzione a bande lungo la linea di giunzione. Figura La fase nera si infiltra nella fase bianca alla giunzione in 3a, il che indica che i due materiali sono principalmente collegati tra loro tramite legami metallici. Per condurre l'analisi di fase sulla giunzione è stata utilizzata la diffrazione di raggi X ADVANCE 8D, come mostrato nella Figura 5. Attraverso l'analisi si è scoperto che oltre ai materiali di base rame e ottone, nel giunto era presente anche un composto metallico Cu5Zn8.
2.3 Analisi delle proprietà meccaniche dei giunti
La Figura 6 è la distribuzione dei valori di microdurezza misurati a determinate distanze lungo la direzione dal rame all'ottone sulla sezione trasversale del giunto T2/H62. La Figura 6a è la giunzione ottenuta quando lo spessore della piastra è di 4 mm e la velocità di rotazione è di 600 giri/min. Distribuzione del valore della durezza. Nell'esperimento, il valore medio di durezza del materiale di base in rame è 95 HV e il valore di durezza medio del materiale di base in ottone è 160 HV. L'intera distribuzione della curva è bassa (rame) - fluttuante in un intervallo inferiore, crescente (ottone) decrescente. C'è una tendenza in aumento. Poiché la durezza del materiale base ottone è superiore a quella del rame rosso, la microdurezza aumenta notevolmente nella zona di transizione dal rame rosso all'ottone. C'è un fenomeno di ammorbidimento nell'intera articolazione. Rispetto al rame rosso, il valore di durezza dell'ottone diminuisce maggiormente. Grande, diminuito di 40 ~ 60 HV, mentre la durezza del rame rosso è diminuita solo di 10 ~ 20 HV. La Figura 6b mostra l'impatto del processo di saldatura sul valore di microdurezza del giunto. Dalla figura si può vedere che la velocità di rotazione è 450 giri/min e la velocità di saldatura è Il valore di microdurezza del giunto a 80 mm/min è superiore a quello del giunto a velocità di rotazione e velocità di saldatura più elevate. Questo fenomeno è particolarmente evidente sul lato ottone, mentre la differenza di microdurezza sul lato rame non è significativa. Questo è legato al punto di fusione e alla conduttività termica dei due. Poiché l'ottone ha un basso punto di fusione, è più facile da ammorbidire rispetto al rame a temperature più elevate, quindi la durezza dell'ottone diminuisce più di quella del rame. Poiché la piastra da saldare è relativamente sottile, la velocità di rotazione della testa di attrito Il contributo al calore della saldatura è relativamente grande, quindi l'elevata velocità di rotazione genera più calore, che ha un grande impatto sul giunto e sul fenomeno di rammollimento è serio. Il valore di durezza nella zona del nocciolo di saldatura aumenta, a causa del gran numero di grani uniformi e fini presenti in questa zona. Perché la linea di confine T2/H62 è molto stretta e il picco di durezza del composto metallico Cu5Zn8 in quest'area sostanzialmente non viene misurato nella figura. Sebbene nell'analisi di fase sia stato trovato il composto metallico, a causa del suo piccolo contenuto, ha un impatto maggiore sulle proprietà meccaniche del giunto. Piccolo. Dalla superficie di frattura del campione si può vedere che la frattura non si è staccata semplicemente dalla giunzione dei due materiali, ma si è rotta verso il lato rame nella zona del nocciolo di saldatura. Sulla superficie della frattura appariva uno strato intermedio misto di ottone e rame e la giunzione appariva evidente prima della frattura. La strizione è una frattura duttile. Nella prova di trazione di un giunto con piastra di spessore 2 mm, la maggior parte delle fratture si sono verificate sul lato rame e non sulla sua giunzione.
La Figura 7 è un confronto tra l'allungamento e la resistenza alla trazione delle saldature ottenute saldando rame e ottone con uno spessore della piastra di 2 mm con diversi parametri di processo. Dalla figura si vede che la resistenza media a trazione dei giunti è sostanzialmente uguale a quella dei giunti in rame. La resistenza alla trazione è uguale. Quando la velocità di rotazione della testa di attrito è di 600 giri/min e la velocità di saldatura è di 55 mm/min, l'allungamento del giunto è massimo e anche la resistenza alla trazione può raggiungere il massimo con diverse combinazioni di velocità di rotazione e velocità di saldatura. Valore massimo. Ma nel complesso, è possibile ottenere giunti qualificati mantenendo la velocità di rotazione tra 450 e 600 giri/min, e i valori di allungamento del giunto e resistenza alla trazione ottenuti sono relativamente ideali. Quando la velocità di rotazione viene aumentata a 700 giri/min, poiché l'aumento della velocità di rotazione aumenta l'apporto di calore del giunto, la gamma di selezione della velocità di saldatura si restringe. Quando la velocità di saldatura viene selezionata in modo errato, l'allungamento del giunto e la resistenza alla trazione diminuiscono in modo significativo, aumentando così la difficoltà di controllare la qualità della saldatura.
immagine.png
3.Conclusione
1) Selezionando i parametri appropriati del processo di saldatura, è possibile realizzare la connessione di saldatura ad attrito di metalli diversi rame-ottone e la struttura e le prestazioni del giunto sono eccellenti.
2) A causa delle diverse proprietà fisiche del rame e dell'ottone, vi è una grande differenza nella dimensione dei grani di rame e ottone nel giunto rame-ottone dopo la saldatura. I grani di ottone nella zona della pepita di saldatura sono raffinati, mentre i grani di rame appaiono in una certa misura. Nel giunto è presente un materiale di transizione tra rame e ottone. L'analisi di diffrazione dei raggi X mostra che si tratta di Cu5Zn8 e la larghezza della zona di transizione è compresa tra circa 1 e 10 μm.
3) Dopo la saldatura, la microdurezza del giunto si ammorbidisce in misura diversa e l'ampiezza di rammollimento sul lato ottone è maggiore di quella sul lato rame. La frattura del giunto si verifica sul lato del rame e la resistenza alla trazione media del giunto è compresa tra la resistenza alla trazione dell'ottone e del rame. .
