Recherche sur le procédé de soudage par friction malaxage entre des matériaux différents en cuivre T2 et en laiton H62

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Résumé : Des recherches sur le procédé de soudage par friction malaxage ont été menées sur des matériaux différents, à savoir le cuivre T2 et le laiton H62. La formation des soudures, la microstructure des joints et les propriétés mécaniques des joints du cuivre et du laiton avec différentes épaisseurs de plaques sous divers paramètres de processus ont été analysées expérimentalement. La répartition des deux matériaux dans le joint et la composition des phases à la jonction ont été analysées d'un point de vue microscopique. Les expériences montrent que des paramètres de processus de soudage appropriés peuvent obtenir un joint cuivre-laiton avec une structure et des performances excellentes, et qu'il existe une zone de transition à la jonction du joint. , un matériau de transition d'une largeur d'environ 1 à 10 µm. L'étude a également révélé que la microdureté et la résistance à la traction moyenne du joint se situent entre le laiton et le cuivre.

Mots-clés : soudage par friction malaxage ; métaux différents; cuivre; laiton; paramètres de soudage

Numéro de classification CLC : TG453 Code d'identification du document : A

Dans l'industrie moderne, il est souvent nécessaire de souder des matériaux ayant des propriétés différentes dans des pièces composites afin non seulement de répondre à diverses exigences de performances, mais également d'économiser des matériaux précieux et de réduire les coûts. Cependant, en raison des grandes différences de performances entre métaux différents, les combinaisons sont diverses et les exigences relatives à leurs joints sont différentes, de sorte que des métaux différents sont généralement beaucoup plus difficiles à souder que le même métal.

Le soudage par friction malaxage (FSW) est une méthode de soudage qui utilise la chaleur par friction comme source de chaleur, également connue sous le nom de technologie de soudage en phase solide. Depuis sa création, cette méthode a attiré l’attention des chercheurs nationaux et étrangers et a été utilisée avec succès. Il est principalement utilisé pour le soudage des alliages d’aluminium. Il s'est progressivement étendu au soudage des alliages de magnésium, des alliages de cuivre, des alliages de titane, de l'acier inoxydable et d'autres matériaux [1~6]. Il existe actuellement peu de rapports sur la recherche sur le soudage par friction-malaxage de métaux différents [7]. Cet article Le test de processus FSW a été principalement réalisé sur des métaux différents en cuivre T2 et en laiton H62. Les paramètres du processus qui affectent la qualité du joint cuivre-laiton et les composants de phase formés pendant le processus de soudage ont été étudiés. La microstructure de la soudure et les propriétés du joint ont également été étudiées. Les propriétés mécaniques ont été analysées.

1. Méthodes expérimentales

Le test utilise respectivement du cuivre T2 et du laiton H62 de 2 mm d'épaisseur et du cuivre T2 et du laiton H62 de 4 mm d'épaisseur comme matériaux expérimentaux. Sur la machine spéciale de soudage par friction-malaxage SW-3LM-015, l'expérience FSW a été réalisée sur la plaque de cuivre-laiton. Expérience Lors du soudage d'alliages de cuivre, utilisez une tête à friction adaptée au soudage des alliages de cuivre. La longueur de l'aiguille d'agitation est de 0,2 mm à 0,3 mm plus courte que l'épaisseur de la plaque soudée. L'angle entre la direction et la ligne verticale de la surface de la pièce est de 2 degrés. En modifiant les paramètres du processus, nous pouvons obtenir les meilleurs résultats. Forme et qualité optimales des joints. Une fois le soudage terminé, coupez l'éprouvette requise dans la direction perpendiculaire à la soudure. L'échantillon métallographique préparé est corrodé avec une solution alcoolique d'acide chlorhydrique de chlorure ferrique (10 g FeCl3, 6 ml HCl, 40 ml de H2O, 60 ml de C2H5OH). Lors de la gravure, le côté cuivre est gravé en premier, puis le côté laiton est gravé. Après gravure, des microscopes optiques à grande échelle MEF3 et ADVANCE 8D par diffraction des rayons X ont été utilisés pour analyser la structure et la zone de jonction des objets. La composition des phases a été analysée et la microdureté et les propriétés mécaniques des joints ont été testées.

2. Résultats expérimentaux et analyse

2.1 Effet des paramètres du procédé sur la formation de la surface de soudure

Pendant le processus de soudage par friction malaxage, étant donné que la température du côté avance est inférieure à celle du côté retour et que la conductivité thermique et la température du point de fusion du cuivre rouge sont supérieures à celles du laiton, le laiton est principalement placé sur le côté avance et du cuivre rouge est placé du côté retour lors du soudage. Expérience Certains des paramètres du processus de soudage utilisés sont présentés dans le tableau 1. Tableau 1 Paramètres du processus de soudage par friction malaxage de matériaux différents en cuivre et en laiton.

La figure 1 montre la formation de la surface de soudage de cuivre T2 de 2 mm d'épaisseur et de laiton H62 lors du soudage par friction malaxage dans différentes conditions de procédé. Le côté supérieur de l’image est le côté avant – en laiton, et le côté inférieur est le côté retour – en cuivre. De la figure 1c, on peut voir à partir de d que lorsque la pièce est mince, la vitesse de rotation de la tête de friction a un impact plus important sur la formation de la surface. Lorsque la vitesse de rotation est de 700 tr/min, la plage de sélection de la vitesse de soudage est relativement large, donc bien que la vitesse de soudage soit augmentée, la vitesse de soudage La formation de la surface du joint commence à se détériorer. En effet, l'augmentation de la vitesse de rotation augmente considérablement l'apport de chaleur par unité de longueur de la soudure, ce qui aggrave les propriétés d'écoulement du matériau. Une autre façon d’augmenter la chaleur consiste à augmenter la pression sur les épaules de la tête de friction. La plaque étant mince, la chaleur générée par le frottement des épaules joue un rôle majeur. À vitesse de rotation identique, la contribution de la pression des épaules à la chaleur est différente. Les figures 1a et 1b sont celles où la vitesse de rotation reste inchangée et la vitesse de soudage est modifiée. Dans le diagramme de formation de surface obtenu, en raison de la grande quantité de pression et de chaleur générée par la tête de friction sur la figure 1b, l'anneau de formation de surface apparaît de taille inégale.

2.2 Analyse conjointe de la microstructure et de la phase d'interface

La figure 2 est une morphologie en coupe transversale d'un joint FSW en cuivre et laiton H62 de 4 mm d'épaisseur. Le côté droit de l’image est le côté avant – en laiton, et le côté gauche est le côté retour – en cuivre. Comme le montre l'image, la différence entre le cuivre rouge et le laiton. Le mélange se produit principalement dans la zone des pépites de soudure, et les deux s'écoulent l'un vers l'autre. Il existe une structure en rondelles d'oignon dans la zone de la pépite de soudure, représentée par A sur la figure [8]. Le composant principal dans ce domaine est le laiton, et le cuivre rouge n’est dopé qu’en petite quantité. En attendant, la zone mixte est grande

Dans certaines zones, les deux sont des saillies en forme de bloc de grande surface reliées entre elles. Le matériau transféré pendant le processus de mélange du laiton sur la droite (côté avant) se situe principalement dans la plage de diamètre de l'épaule et du milieu de l'aiguille d'agitation, entraîné par l'épaule. Le métal plastique du côté qui avance recouvre la surface métallique sur le côté retour, tandis que le cuivre gauche (côté retour) se déplace à travers le centre de la pépite de soudure vers le côté avance, entraîné par la rotation de l'épaulement de l'arbre et de l'aiguille d'agitation. Le matériau proche de l'épaulement peut atteindre le côté chaud du côté qui avance. Zone affectée mécaniquement. Le métal dans la zone des pépites de soudure est agité et mélangé les uns aux autres en raison d'une forte déformation par cisaillement plastique et d'un écoulement [9, 10]. Le flux de métal dans cette zone se déplace en effet autour de l'aiguille d'agitation selon certaines règles. Enfin, la structure de rondelles d'oignon en A sur la figure est formée. De l'analyse de la situation d'écoulement du cuivre sur la figure, on peut voir que l'écoulement du matériau du côté avant est divisé en trois situations : l'une est que le métal près de l'extrémité de l'aiguille d'agitation s'écoule vers l'avant de bas en haut ; l'autre est un flux de rondelles d'oignon qui apparaît au milieu de l'aiguille d'agitation, mais du côté avant, ce flux est cohérent avec le sens du flux à l'extrémité ; troisièmement, un phénomène de vortex plastique apparaît sur le modèle d’écoulement des rondelles d’oignon. Le cuivre B qui apparaît sur le côté avant est vers le haut à partir de l’extrémité de l’aiguille d’agitation. Il s'écoule vers l'avant au lieu de se déplacer de la même hauteur que le cuivre autour de l'arrière de l'aiguille d'agitation. Une situation similaire se produit également dans le joint à plaques minces T2/H62. En raison de la faible épaisseur, les deux matériaux sont reliés entre eux dans un plan incliné, et dans la pépite de soudure, la zone où apparaît un peu de cuivre rouge est complètement mélangée au laiton.

La figure 3 est un diagramme de microstructure de différentes pièces par rapport à la figure 2. On peut voir sur la figure que la taille et la forme des grains dans chaque zone du joint sont différentes, et du fait de l'existence de zones mixtes, la la situation dans l’articulation est plus compliquée. La figure 3a montre la zone du matériau mère en cuivre. Contrairement au soudage du même type de cuivre, les grains de cuivre proches de la zone du laiton augmentent considérablement, comme le montrent les figures 3b et 3d. En effet, les coefficients de conduction thermique des deux côtés de la tête de friction sont différents. La température du cuivre rouge étant élevée, la conductivité thermique est bonne. , une grande quantité de chaleur est transférée du côté cuivre, et le cuivre proche du côté laiton se trouve dans la zone des pépites de soudure, et la conduction thermique des deux côtés est lente, ce qui entraîne un long temps de séjour à haute température dans cette zone, provoquant ainsi la croissance des grains de cuivre dans cette zone. Du côté du laiton, la chaleur d'entrée étant trop élevée, les grains se transforment en grains grossiers équiaxés. Dans la zone des pépites de soudure, parce que les deux matériaux ne sont pas uniformément mélangés, la forme des grains augmente considérablement dans la zone où le cuivre est légèrement mélangé, tandis que dans la zone unique, les grains de cuivre dans la zone sont nettement plus gros que ceux du laiton, et le les grains de laiton sont fins et uniformément répartis, comme le montre la figure 3c. La figure 3f montre la microstructure de la zone affectée thermomécaniquement en laiton sur le côté avant. Par rapport au côté retour, cette zone présente une limite évidente, avec deux lignes de démarcation. Les deux faces sont composées de grains présentant des différences de taille évidentes. En analysant l'image macroscopique, on constate que les lignes de séparation des deux côtés de la zone du pépite de soudure sont fondamentalement symétriques par rapport à la zone du pépite de soudure. Ceci est dû au faible point de fusion du laiton. Dans le cas du cuivre rouge et du laiton, l'interpénétration se produit à la jonction des blocs de connexion, mais la zone de pénétration est extrêmement étroite. Dans le joint T2/H62, bien que les grains du côté cuivre subissent une recristallisation et une récupération dynamiques pendant le processus de soudage, par rapport au côté laiton, les grains sont plus petits. Le changement de taille des particules n’est pas évident. D’autre part, dans les joints soudés de métaux différents, l’état de connexion à l’interface des deux matériaux joue un rôle important dans les propriétés mécaniques du joint. Selon la vue macroscopique du joint, on peut voir que la plupart des formes de connexion des deux matériaux sont composées de zones avec des lignes de démarcation évidentes, avec seulement quelques zones mixtes. À partir des joints de la figure 4, on peut voir qu'il existe à la jonction des phases différentes des deux matériaux, avec une largeur d'environ 10 µm et une distribution en forme de bande le long de la ligne de jonction. Figure La phase noire s'infiltre dans la phase blanche à la jonction en 3a, ce qui indique que les deux matériaux sont principalement reliés entre eux par des liaisons métalliques. La diffraction des rayons X ADVANCE 8D a été utilisée pour effectuer une analyse de phase au niveau de la jonction, comme le montre la figure 5. Grâce à l'analyse, il a été constaté qu'en plus des matériaux de base, le cuivre et le laiton, un composé métallique Cu5Zn8 apparaissait également dans le joint.

2.3 Analyse des propriétés mécaniques des joints

La figure 6 est la répartition des valeurs de microdureté mesurées à certaines distances dans la direction allant du cuivre au laiton sur la section transversale du joint T2/H62. La figure 6a est le joint obtenu lorsque l'épaisseur de la plaque est de 4 mm et la vitesse de rotation est de 600 tr/min. Répartition des valeurs de dureté. Dans l'expérience, la valeur moyenne de dureté du matériau de base en cuivre est de 95HV et la valeur de dureté moyenne du matériau de base en laiton est de 160HV. La distribution entière de la courbe est faible (cuivre) - fluctuant dans une plage inférieure, augmentant (laiton) décroissante. Il y a une tendance à la hausse. Étant donné que la dureté du matériau de base en laiton est supérieure à celle du cuivre rouge, la microdureté augmente considérablement dans la zone de transition du cuivre rouge au laiton. Il y a un phénomène de ramollissement dans l’ensemble du joint. Par rapport au cuivre rouge, la valeur de dureté du laiton diminue davantage. Grand, a chuté de 40 ~ 60HV, tandis que la dureté du cuivre rouge n'a baissé que de 10 ~ 20HV. La figure 6b montre l'impact du procédé de soudage sur la valeur de microdureté du joint. On peut voir sur la figure que la vitesse de rotation est de 450 tr/min et la vitesse de soudage est de 80 mm/min. La valeur de microdureté du joint à 80 mm/min est supérieure à celle du joint à une vitesse de rotation plus élevée et une vitesse de soudage plus élevée. Ce phénomène est particulièrement évident côté laiton, alors que la différence de microdureté côté cuivre n'est pas significative. Ceci est lié au point de fusion et à la conductivité thermique des deux. Étant donné que le laiton a un point de fusion bas, il est plus facile à ramollir que le cuivre à des températures plus élevées, de sorte que la dureté du laiton diminue plus que celle du cuivre. Étant donné que la plaque à souder est relativement mince, la vitesse de rotation de la tête de friction La contribution à la chaleur de la soudure est relativement importante, donc la vitesse de rotation élevée génère plus de chaleur, ce qui a un grand impact sur le joint et le phénomène de ramollissement. est sérieux. La valeur de dureté dans la zone du pépite de soudure augmente, ce qui est lié au grand nombre de grains uniformes et fins dans cette zone. Parce que la ligne limite T2/H62 est très étroite et que le pic de dureté du composé métallique Cu5Zn8 dans cette zone n'est fondamentalement pas mesuré sur la figure. Bien que le composé métallique ait été trouvé lors de l'analyse de phase, en raison de sa faible teneur, il a un impact plus important sur les propriétés mécaniques du joint. Petit. À partir de la surface de fracture de l'échantillon, on peut voir que la fracture ne s'est pas simplement rompue à partir de la jonction des deux matériaux, mais s'est rompue vers le côté cuivre dans la zone du pépite de soudure. Une couche intermédiaire mixte de laiton et de cuivre est apparue à la surface de la fracture et le joint est apparu évident avant la fracture. La striction est une fracture ductile. Lors de l'essai de traction d'un joint avec une épaisseur de plaque de 2 mm, la plupart des fractures se sont produites du côté du cuivre et non à sa jonction.

La figure 7 est une comparaison de l'allongement et de la résistance à la traction des soudures obtenues en soudant du cuivre et du laiton avec une épaisseur de plaque de 2 mm sous différents paramètres de procédé. Sur la figure, on peut voir que la résistance à la traction moyenne des joints est fondamentalement la même que celle des joints en cuivre. La résistance à la traction est égale. Lorsque la vitesse de rotation de la tête de friction est de 600 tr/min et la vitesse de soudage de 55 mm/min, l'allongement du joint est maximum et la résistance à la traction peut également atteindre un maximum sous différentes combinaisons de vitesse de rotation et de vitesse de soudage. Valeur maximum. Mais dans l'ensemble, des joints qualifiés peuvent être obtenus en maintenant la vitesse de rotation entre 450 et 600 tr/min, et les valeurs d'allongement et de résistance à la traction des joints obtenues sont relativement idéales. Lorsque la vitesse de rotation augmente jusqu'à 700 tr/min, étant donné que l'augmentation de la vitesse de rotation augmente l'apport de chaleur du joint, la plage de sélection de la vitesse de soudage se rétrécit. Lorsque la vitesse de soudage est mal sélectionnée, l'allongement du joint et la résistance à la traction diminuent considérablement, augmentant ainsi la difficulté de contrôler la qualité du soudage.

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3.Conclusion

1) En sélectionnant les paramètres de processus de soudage appropriés, la connexion par soudage par friction-malaxage de métaux différents en cuivre-laiton peut être réalisée, et la structure et les performances du joint sont excellentes.

2) En raison des différentes propriétés physiques du cuivre et du laiton, il existe une grande différence dans la taille des grains de cuivre et de laiton dans le joint cuivre-laiton après soudage. Les grains de laiton dans la zone des pépites de soudure sont affinés, tandis que les grains de cuivre apparaissent dans une certaine mesure. Il y a un matériau de transition entre le cuivre et le laiton dans le joint. L'analyse par diffraction des rayons X montre qu'il s'agit de Cu5Zn8 et que la largeur de la zone de transition est d'environ 1 à 10 µm.

3) Après soudage, la microdureté du joint se ramollit à des degrés divers et l'amplitude de ramollissement côté laiton est supérieure à celle côté cuivre. La rupture du joint se produit du côté du cuivre et la résistance à la traction moyenne du joint se situe entre la résistance à la traction du laiton et du cuivre. .