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Materials Today: Proceedings 4 (2017) 8387–8393 www.materialstoday.com/proceedings
ICAAMM-2016
A Review on Recent Advances in Friction Stir Lap Welding of
Aluminium and Copper
Nitin Panaskara,*, Ravi Terkarb
aResearch Scholar, Mukesh Patel School of Technology Management and Engineering, Mumbai 400056, India, njpanaskar@gmail.com
bAssociate Professor, Mukesh Patel School of Technology Management and Engineering, Mumbai 400056, India, ravi.terkar@nmims.edu
Abstract
Copper and aluminium materials have wide-ranging applications in various industries because of their excellent thermal, electrical and corrosion-resistant properties. To make utmost use of the peculiar properties of both these metals, it is essential to produce good sound welds. Friction stir welding has shown great potential in joining dissimilar metals. The present article presents a broad insight on joining of copper and aluminium using Friction stir welding. Friction Stir Welding process parameters such as tool rotational speed, traverse speed and weld defects are discussed. New developments such as using external cooling medium, combining Friction Stir Welding with cold rolling process and addition of intermediate filler materials, to improve joint properties are also discussed in the present review paper.
copy; 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Selection and Peer-review under responsibility ofthe Committee Members of International Conference on Advancements in Aeromechanical Materials for Manufacturing (ICAAMM-2016).
Keywords:Friction stir welding, Aluminium, Copper, Lap joint, Cold rolling, Zinc filler
Introduction
Friction stir welding is a new solid state joining process. Friction Stir Welding [FSW] was developed and patented by W.M. Thomas et al. of The Welding Institute [TWI, UK] in 1991 [1]. FSW was primarily employed to join aluminium and its alloys [2]. FSW has been successfully employed for various aluminium alloys [3–10]. It has further been employed to join various metals and polymers. Over the last two decades, FSW has shown potential to join copper and copper alloys[11–13], magnesium alloy [14–16], steel [17–20], titanium [21–24], metal matrix composites [25,26]. Recently, there is an increasing trend to join dissimilar metals. Aluminium and copper joining
*. Nitin Panaskara Tel.: 919867912535. E-mail address: njpanaskar@gmail.com
2214-7853copy; 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Selection and Peer-review under responsibility ofthe Committee Members of International Conference on Advancements in Aeromechanical Materials for Manufacturing (ICAAMM-2016).
finds various applications in electrical, automotive and HVAC/refrigeration industries. However, copper is costly material and also has a higher density as compared with Aluminium. The trend in these industries is focused towards replacing the copper parts with aluminium, either wholly or partially, in an attempt to reduce the cost. Aluminium has several advantages over copper namely, a) The material costs are much lower for aluminum (one-third of copper), b) Aluminum can carry roughly twice as much electrical current per mass unit., c) Thermal conductivity of pure aluminium is approximately 60 percent that of copper. Completely replacement of copper with aluminium is not possible in most applications since it will adversely affect the efficiency of the working system. This necessitates the need to join copper to aluminium. Al-Cu joints find applications in electrical connectors, bus bars, and transformer conductors, bi-metallic housing for heat sink, forged pin heat sink and hybrid finned heat sink. The conventional techniques used to join copper to aluminium are ultrasonic welding [27–30], friction welding [31,32], and laser welding [33–40]. Joining of aluminium and copper is very difficult due to the vast difference in the mechanical and metallurgical properties. Moreover, aluminium and copper are incompatible materials and have a tendency to react at temperatures above 120o C, which results in formation of brittle intermetallic compounds thereby producing joints with low strength, low electrical and thermal conductivity [41]. A very thin layer of these IMCs are beneficial to improve the mechanical properties of the joint. A rise in the thickness of the IMC layer will lead to crack formation and hamper the mechanical properties. Thick layer of IMCs are hard and brittle in nature. It is very difficult to control the thickness of these intermetallic layers.
Background
Direct Friction Stir Lap welding of aluminium and copper
Elrefaey et al. [42] joined 2 mm thick commercially pure aluminium A1100 H24 to 1 mm thick tough pitch copper of 99.96% by FSW. Two tools of pin lengths 2 mm and 2.1 mm were used. Joints created with tool having 2 mm pin length (No penetration in copper surface) resulted in weak joints where most samples fractured during preparation of test sample. Whereas, joints created with tool having 2.1 mm pin length (0.1 mm penetration in copper surface) demonstrated good strength at tool rotation speed of 250.2 rpm and tool traverse speed of 252 mm/min. Joints formed at higher rotational speed fractured in brittle manner due to formation of intermetallic compounds such as Al2Cu9, AlCu and Al2Cu.
Abdollah-Zadeh et al. [43] and Saeid et al. [44] joined 4 mm thick AA 1060 to 3 mm thick commercially pure copper using Friction stir lap welding (FSLW). They observed that at high tool rotation speed and low tool traverse speed, brittle intermetallics are formed at the joint interface; whereas low tool rotation speed and high
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铜、铝搅拌摩擦焊最新研究进展的介绍
Nitin Panaskar , Ravi Terkar
摘要
铜和铝材料由于它们优异的热学、电学性能和良好的耐腐蚀性能，因而在各个行业有着非常广泛的应用。为了可以最大限度地去利用这两种金属的特殊性质，生产良好的优质焊接接头因此是必不可少的。搅拌摩擦焊接在异种金属连接方面显示出了巨大的潜力。本文对使用搅拌摩擦焊接连接铜和铝做了一个广泛的深入研究。而且讨论了搅拌摩擦焊接的工艺参数，如工件转动速度、横向速度和焊接缺陷等。本文还讨论了利用外部的冷却介质，将搅拌摩擦焊接方法与冷轧工艺相结合，并且加入中间填充材料的新的研究进展，以提高它们之间的连接接头的性能。
第1章 简介
搅拌摩擦焊接是一种新型的固态连接工艺方法。摩擦搅拌焊[FSW]是由英国焊接研究所的托马斯等人于1991年发明出来并取得了专利的[1]。摩擦搅拌焊接工艺主要被用于连接铝及其合金[2]。摩擦搅拌焊接已经成功应用于各种铝合金[3–10]。它还被用来连接多种多样的金属和聚合物。在过去了的二十年里面，搅拌摩擦焊接已经显示了它在连接铜和铜合金[11–13]，镁合金[14–16]，钢[17–20]，钛[21–24]，金属基复合材料等方面的潜力[25,26]。最近，在连接异种金属方面有一个增长的趋势。铝和铜材料的连接在电气、汽车和暖通空调/制冷行业中有各种各样的应用。然而，铜是比较昂贵的一种材料，并且与铝相比，它具有一个更大的密度。以上这些行业的关注趋势是在于如何利用铝全部地或者部分地去代替铜部件的部分，以此来试图去降低经济成本。与铜进行相比较，铝有一些自身优点，比如说：a)铝的材料成本要低得多（大约是铜的三分之一）；b)铝的每一质量单位大约可承载铜同等条件下两倍的电流；c)纯铝的导热系数大约为铜的百分之六十。在大多数的应用中，用铝完全去替代铜也是不太可能的，因为它会对工作系统的效率产生一些不利的影响作用。这就必须需要去将铜与铝连接起来。铝和铜的接头在电气连接器、母线和变压器导体、散热器的双金属外壳、锻造搅拌针散热器和混合翅片散热器等方面都有一些应用。用于连接铜和铝的传统工艺技术是超声波焊接[27–30]，摩擦焊接[31,32]和激光焊接[33–40]。由于在机械和冶金性能等方面的巨大差异，铝和铜的连接是非常困难的。除此之外，铝和铜是不相互共存的材料，并且具有在120℃以上的温度条件下进行反应的一个趋势，因此会导致脆性金属间化合物的形成，从而产生一个低强度、低电导率和较差的导热性的焊接接头组织[41]。一个很薄的这些金属间化合物的层状结构有利于去改善焊接接头的机械性能。金属间化合物层厚度的增加将导致裂纹的形成并且也会阻碍机械性能。在自然界中，厚层的金属间化合物是硬的和脆的。这些金属间化合物层的厚度是很难去进行控制的。
第2章 背景
2.1铝和铜的直接摩擦搅拌搭接焊接
埃尔里法伊等人[42]通过搅拌摩擦焊接工艺将2毫米厚的商业纯铝A1100 H24加入到纯度为百分之九十九点九六的1毫米厚的坚韧沥青铜中。使用了两种搅拌针长度分别为2毫米和2.1毫米的工具。使用具有2毫米搅拌针长度(铜表面无穿透)的工具导致一个强度较弱的焊接接头的形成，从而使在试样制备过程中，大多数样品发生断裂。与此同时，在工具转速为250.2 rpm和工具横向速度为252 mm / min时，使用具有2.1 毫米搅拌针长度（铜表面中的穿透深度为0.1 毫米）的工具形成的焊接接头表现出良好的强度。由于形成了金属间化合物，如Al2Cu9、AlCu和Al2Cu等，因此，在一个较高的旋转速度下形成的焊接接头会以一种脆性的方式发生断裂。
阿卜杜拉-扎德等人[43]和赛义德等人[44]使用搅拌摩擦搭接焊（FSLW）工艺将4毫米厚的AA1060与3毫米厚的商用纯铜连接起来。他们观察到，在高的工件旋转速度和低的工件横向速度下，焊接接头界面处形成了脆性金属间化合物；与此同时，而在低的工具旋转速度和高的工具横向速度条件下，则产生了性能不好的焊接接头组织。
薛等人[45]将3毫米厚的铝合金AA1060与3毫米厚的商业纯铜连接起来。形成了一个由薄的、连续的、均匀的铝-铜金属间化合物层组成的铝-铜界面。由于形成了少量的金属间化合物，因此而获得了一个良好的冶金结合。主要由Al4 Cu9组成的金属间化合物具有一个强化的作用，从而去提高了焊接接头的硬度。尽管使用了600 rpm的较低的工具旋转速度，但是由于使用了较大直径的搅拌针工具，因而产生了一个性能良好的焊接接头。较大的搅拌针形成了一个较大的焊接区域面积，从而提高了铝-铜搭接接头界面处的焊接强度。
阿克巴里等人[46]通过搅拌摩擦搭接焊接工艺将2毫米厚的AA 7070铝合金与商用纯铜连接起来。通过在顶部放置铝合金而在底部放置铜所产生的焊缝要优于进行相反位置放置的焊缝。去产生一个良好的优质焊缝是需要足够的热量的。可以得出的结论是，通过在顶部放置铝合金而在底部放置铜所获得的较高峰值温度会导致足够的加热热量，从而通过这种放置方式可以去获得较高的焊缝强度。
费鲁兹多和寇等人[47]通过搅拌摩擦焊接工艺将1.6毫米厚的铝合金板AA 6061和商业纯铜连接起来。传统的搅拌摩擦搭接焊工艺是通过在铜板的顶部放置一小块铝合金带并邻接铝合金基底金属板来使用的，从而去产生一个组合的对接搭接接头。实验还通过改变方法来进行，其中把铝合金和铜的位置相互颠倒，也就是把铝合金板放置在底部，而铜板放置在它的上方。工具搅拌针偏移一个适当的距离。通过对工艺参数进行优化，可以使改进后的搅拌摩擦焊接组织的抗拉强度是传统的搅拌摩擦焊接组织的两倍左右，延性则是传统搅拌摩擦焊接组织的5～9倍。改进后的搅拌摩擦焊接接头是一个对接接头和搭接接头的组合。可以使用适当的工具偏移在铝和铜之间形成一个强的对接焊接接头。搭接焊接接头的一部分形成在顶部的铝板和底部铝板之间。由于类似的金属连接，形成的结合是很牢固的。该搭接焊接接头的另一部分是在铝和铜之间形成的，它是由于工具偏移，因而通过使用工具，仅部分地在铜材料中形成搭接焊接接头，从而限制了在搅拌摩擦焊接期间的峰值温度。峰值温度的降低导致了金属间化合物的形成减少以及焊接接头强度的增加。费鲁兹多和寇等人在传统的搅拌摩擦焊接中观察到了孔隙，而在改进后的搅拌摩擦焊接工艺过程中，孔隙却不再存在。然而，在一个更高的工件横移速度下，由于通道的形成，改进的搅拌摩擦搭接焊接产生了有缺陷的焊接接头。传统的的搅拌摩擦焊接和改进后的搅拌摩擦焊接工艺过程如图1所示。
图1：铝与铜的搭接搅拌摩擦焊：（a）常规的搭接焊接方法;（b）改良后的搭接焊接方法
比萨迪等人[48]将2.5毫米厚的AA 5083与3毫米厚的商业纯铜连接起来。刀具转动速度(◆)与刀具横向速度（v）之比的平方被认为是影响最终拉伸应力（UTS）的一个很重要的因素。可以看到最终拉伸应力（UTS）随着◆2/v的增加而增加。在一个低的焊接温度的情况下，在焊接接头界面处，尤其是在铜衬底中，可以看到诸如通道的缺陷。在焊接温度升高时，在焊接接头界面处可以看到空腔。在优化参数的条件情况下，获得的最终拉伸应力（UTS）大约为铜的百分之七十八和约为铝板基体金属的百分之七十四。
加尔瓦奥等人[49]在铜- DHP（R240）和两种不同的铝合金AA 6082-T6和AA 5083-H111之间进行了搅拌摩擦搭接焊接。AA 5083-H111/铜- DHP焊缝显示出了有缺陷的焊缝，但它的表面光洁度良好，而AA 6082-T6/铜- DHP焊缝显示出了一个良好的与母材混合的性质，但它的表面特性则相对来说则较差。
2.2铝和铜的摩擦搅拌搭接焊，然后接着进行冷轧制
在异种金属连接的情况下，通过搅拌摩擦焊接形成的焊接接头比通过在高温下形成脆性金属间化合物的熔融焊接形成的焊接接头更强。这些金属间化合物的形成可以通过使用合适的固态焊接技术（比如：搅拌摩擦焊接）来减少。然而，搅拌摩擦焊接在焊接接头中存在一些缺陷，如气孔和大量的金属间化合物。除此之外，搅拌摩擦焊接生产的焊接接头具有良好的强度和优良的延展性。这些焊接接头性能使得能够通过冷轧制来进一步改善焊接接头性能而且能够不使焊接接头断裂。大多数其它焊接技术不会产生足够坚固的焊接接头，以允许穿过焊接接头的冷轧操作。卡尔和奥西科维奇[50]采用搅拌摩擦焊接技术，然后采用冷轧工艺连接铝和铜[51]。与其中的一种母材相比较，这种组合工艺产生了一个更具延展性的焊接接头。在轧制过程中会发生变形硬化过程，由此在搅拌摩擦焊接之后存在的孔隙被封闭并且金属间化合物层被破碎和分散。在卡尔和奥西科维茨最近进行的另一项研究中[52]，铝合金AA6063-T6被连接到软退火DHP铜上，并且与其进行对接操作。为提高焊接接头的机械强度，成功地对搅拌摩擦焊接对接接头进行了冷轧工艺。结合了搅拌摩擦焊接工艺和冷轧工艺后形成的焊接接头其电阻率很低。
2.3铝和铜的摩擦搅拌搭接焊接，结合外部水冷工艺
张等人[53] 采用了水下搅拌摩擦焊接工艺将AA6061-T6铝合金和纯铜连接起来，并且去控制峰值温度以及缩短热循环时间。峰值温度从常规搅拌摩擦焊接的850 K降低到水下搅拌摩擦焊接的821 K。水不仅起到了冷却介质的作用，而且还起到防止了焊缝的被氧化的作用。XRD的结果证实，与传统的搅拌摩擦焊接相比，在水下搅拌摩擦焊接中，CuAl2和Cu9Al4等金属间化合物的含量要低得多。铝-铜界面处的铝-铜扩散层由常规搅拌摩擦焊接条件下的18微米减少到了水下搅拌摩擦焊接条件下的2微米。
2.4使用填充金属对铝和铜进行搅拌摩擦搭接焊接
研究人员提出了一种新的利用搅拌摩擦焊接工艺的方法，并以此来解决异种金属连接时由于脆性金属间化合物层引起的一些问题。它包括去使用一个中间填充层。选择填充材料使得其与两种不同的金属相互共存并且同时能够与每一种不同的金属形成合金[54]。这种合金形成的可行性可以从相图中来得到证实[54]。
埃尔里法伊等人[51]使用搅拌摩擦焊接工艺将2毫米厚的纯铝A1100 H24与1毫米厚的纯度为百分之九十九点九六的沥青铜连接起来。使用50微米厚的锌箔作为中间填充材料。在有和没有使用锌中间层的铝和铜板上进行了一系列实验。所使用的工具材料是SKD61钢。采用两种不同的工具，分别用2.1 毫米和2.2 毫米的搅拌针钉长度对含和不含锌填料的铝/铜搅拌摩擦焊接进行了研究。这意味着在搅拌摩擦焊接工艺的过程之中，工具搅拌针分别在有填料和无填料的情况下插入铜板(位于铝板下方的底部)内仅0.1 毫米和0.15 毫米。通过采用锌填料层，可以获得强度较好的优质焊接接头。锌填料阻碍了铜碎片向铝衬底的移动的过程。因此，在没有填料的铝-铜的搅拌摩擦焊接的情况下，在铝衬底中没有发现铜碎片的存在。锌层结构在铜基体中有一个较深的渗透。通过使用锌中间填料层后获得的平均断裂载荷大约是不使用锌中间填料层获得的平均断裂载荷的三倍。与经历脆性断裂的直接焊接接头相比，具有锌填充层的焊接接头以一种韧脆的方式发生断裂。
邝等人[54]通过搅拌摩擦焊接工艺方法将2毫米厚的铝合金1A99与2毫米厚工业纯铜连接起来。采用肩部直径为16 毫米的无搅拌针工具。使用厚度为0.2 毫米的锌箔作为填充中间层材料。工件的旋转速度从1200 rpm变化到1600 rpm，工件的横向速度则为20mm/min和40mm/min。肩部的插入深度为0.2毫米。在工件的旋转速度为1600 rpm和工件的横向速度为40 mm/min的条件下，焊接接头组织获得了最佳的拉伸强度。当横向速度为20 mm/min和40 mm/min时，旋转速度从1200rpm增加到了1600rpm时，中间层
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