[0001] 本发明涉及一种纯铜的快速冷却搅拌摩擦焊接方法，属于搅拌摩擦焊接技术。

[0002] 纯铜是一种非常重要的有色金属，具有良好的导电性、导热性、良好的常温和低温塑性及耐腐蚀性，在工业中被广泛用于制造电工器件、电线电缆、热交換器等零件。目前纯铜的连接主要采用氩弧焊、压焊和钎焊方法，但是焊接质量不是十分理想。归纳原因主要有以下几个方面：一、导热系数大。焊接时的热量迅速扩散，使母材和填充金属难于熔合；二、线膨胀系数大，产生大的焊接应力，易产生变形；三、焊缝及近缝区易产生热裂纹和气孔。因此，为提高纯铜件的焊接质量，有必要开展新型焊接工艺的研究。搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是英国焊接研究所(TWI)在1991年发明的一项新型固相连接技术。与传统的熔化焊相比，搅拌摩擦焊具有接头晶粒细小，无气孔，良好的疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能，焊接过程无粉尘、无飞溅 、节能、无需焊丝、不需要保护气体、焊接后残余应力和变形小等优点，非常适合纯铜的焊接。目前关于纯铜的搅拌摩擦焊研究有很多，由于纯铜的熔点较高，且优良的导热性，为保证接头区域充分加热以实现冶金结合，大多数研究主要在高热输入的基础上进行的，即高的旋转速度和低的焊接速度。但是由于过高的热量输入相应的增大了焊后冷却速度，导致接头表面氧化严重和接头晶粒粗大，拉伸试验结果显示试样易在热影响区或搅拌区处断裂，接头综合力学性能仍有待提高。因此迫切需要一种改进的搅拌摩擦焊工艺来改善焊接热循环以提高纯铜焊接接头的力学性能。

[0003] 目的：为了解决上述问题，本发明提供一种纯铜的快速冷却搅拌摩擦焊接方法，从而改善焊接热循环和提高纯铜焊接接头的力学性能。

[0004] 本发明是通过下述技术方案实现：一种纯铜的快速冷却搅拌摩擦焊接方法,其特征在于，在搅拌摩擦焊接过程中，采用冷却设备对工件进行持续冷却直至完成焊接，具体步骤如下：
步骤1：在焊接之前，将试件表面打磨并固定在夹持装置上，并把快速冷却装置的喷管置于搅拌头正后方；在试件下面放置钢制冷却垫板，垫板背面设置有沟槽，用于放置K型热电偶，热电偶的温度测量触点夹在试件对接处以测量焊缝中心的温度变化。

[0005] 步骤2：设置搅拌头的转速和焊接速度，采用对接方式对试件进行搅拌摩擦焊，采用支架把冷却装置固定在焊机主轴上，在搅拌摩擦焊接过程中，冷却装置于搅拌头的相对位置保持不变，其移动速度和焊接速度保持一致，在搅拌头旋转插入试件的同时启动冷却装置。

[0006] 优选地，所述快速冷却装置采用液氮冷却。

[0007] 优选地，在步骤2中设置搅拌头的转速和焊接速度的同时，设置液氮流量。

[0008] 优选地，所述试件为纯铜工件。

[0009] 有益效果：本发明提供一种纯铜的快速冷却搅拌摩擦焊接方法，通过在搅拌摩擦焊接过程中持续冷却，提高了焊缝的焊后冷却速度，拉伸测试结果表明，采用此种焊接工艺进行纯铜对接焊接时，焊接接头的热影响区消失，搅拌区内形成位错密度极高的超细晶，因此，纯铜焊接接头的力学性能显著提高。附图说明

[0010] 图1 是快速冷却FSW示意图。

[0011] 图2 是传统FSW和快速冷却FSW焊缝中心的热循环曲线；图3 是传统FSW和快速冷却FSW焊缝表面和横截面的光学照片；
图4 是传统FSW焊接接头搅拌区的金相显微照片；
图5是快速冷却FSW焊接接头搅拌区的金相显微照片；
图6 是传统FSW和快速冷却FSW焊接接头的显微硬度分布；
图7 是传统FSW和快速冷却FSW焊缝搅拌区的拉伸性能。

[0012] 图中：喷管1、搅拌头2、支架3、焊机主轴4。

[0013] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

[0014] 如图1所示，一种纯铜的快速冷却搅拌摩擦焊接方法,其特征在于，在搅拌摩擦焊接过程中，采用冷却设备对工件进行持续冷却直至完成焊接，具体步骤如下：步骤1：在焊接之前，将试件表面打磨并固定在夹持装置上，并把快速冷却装置的喷管1置于搅拌头2正后方；在试件下面放置钢制冷却垫板，垫板背面设置有沟槽，用于放置K型热电偶，热电偶的温度测量触点夹在试件对接处以测量焊缝中心的温度变化。

[0015] 步骤2：设置搅拌头的转速和焊接速度，采用对接方式对试件进行搅拌摩擦焊，采用支架3把冷却装置固定在焊机主轴上，在搅拌摩擦焊接过程中，冷却装置于搅拌头的相对位置保持不变，其移动速度和焊接速度保持一致，在搅拌头旋转插入试件的同时启动冷却装置。

[0016] 优选地，所述快速冷却装置采用液氮冷却。

[0017] 优选地，在步骤2中设置搅拌头的转速和焊接速度的同时，设置液氮流量。

[0018] 优选地，所述试件为纯铜工件。

[0019] 实施例1快速冷却FSW：在焊接之前，先将2mm的商业T2纯铜表面打磨并固定在夹持装置上，然后把快速冷却装置固定在搅拌头正后方50mm处，再将液氮流量调至20L/min并进行搅拌摩擦焊。设置搅拌头转速为800rpm，焊接速度为150mm/min。在搅拌摩擦焊接过程中，快速冷却装置的移动速度和焊接速度保持不变直到焊接过程结束。为了和传统FSW对比，利用相同的焊接参数再对T2纯铜进行一次焊接，焊接过程中不使用快速冷却装置。

[0020] 分别对实施例1中快速冷却FSW和传统FSW焊接后的纯铜工件的热循环曲线、焊缝表面及横截面、焊接接头搅拌区的金相显微结构、硬度和力学性能进行测试对比，结果如下：如图2所示为传统FSW和快速冷却FSW焊缝中心的热循环曲线，由图2可知，传统FSW的焊缝中心的最高到达温度是490 ℃，从最高到达温度冷却到100 ℃的冷却速度仅为22 ℃/s；
快速冷却FSW的焊缝中心的最高到达温度是423 ℃，从最高到达温度冷却到100℃的冷却速度为81 ℃/s。由此可以看出，在相同的焊接参数下采用液氮进行快速冷却，焊缝底部中心的最高到达温度大幅下降，并且冷却速度也有了明显的提高。

[0021] 如图3 所示为传统FSW和快速冷却FSW焊缝表面和横截面的光学照片，由图3可知，在两种焊接条件下得到的焊缝横截面处，均没有发现焊接缺陷。传统FSW焊缝表面颜色较暗，发生氧化，且搅拌区面积较大。快速冷却FSW接头的搅拌区面积较传统FSW接头的搅拌区面积小。由于采用快速冷却，焊接时产生的热量扩散较快，使得搅拌针周围的金属软化区变窄，导致受搅拌针作用的金属量减少，因此形成面积较小的搅拌区。

[0022] 如图4和图5所示，分别为传统FSW和快速冷却FSW焊接接头搅拌区的金相显微照片，由图4和5可知，传统FSW和快速冷却FSW焊缝的平均晶粒尺寸分别为11.3 μm和1 .1μm，其中，传统FSW搅拌区的晶粒呈等轴状，并伴有大量退火孪晶组织，而快速冷却FSW焊缝的晶粒呈不规则状，较大晶粒和较小晶粒并存。这是因为快速冷却消除了焊后余热，从而抑制了由余热引起的退火现象。

[0023] 如图6所示为传统FSW和快速冷却FSW焊接接头的显微硬度分布，由图6可知，母材的硬度值为97-99 Hv。由于焊后余热带来的退火软化作用，传统FSW焊接接头的硬度低于母材。而快速冷却FSW焊接接头的硬度显著高于母材，其平均硬度值达到123 Hv。另外，由于快速冷却FSW彻底消除了热影响区，因此焊接接头没有出现硬度值低于母材的区域。

[0024] 如图7所示为传统FSW和快速冷却FSW焊缝的拉伸性能，由图7可知，同传统FSW和母材相比，快速冷却FSW焊缝的抗拉强度分别提高了32%和21%。传统FSW焊缝和母材的延伸率分别为35%和28%，而快速冷却FSW焊缝的延伸率为24%，虽有所下降，但下降幅度不大。可以看出，在相同的焊接参数下，采用快速冷却FSW的方法对纯铜进行焊接，不仅消除了热影响区，而且改善了焊缝的微观组织并显著提高焊接接头的力学性能，即在提高焊缝强度的同时韧性没有发生明显的下降。

[0025] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。