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Cu-CR-Zr合金的搅拌摩擦焊及焊后热处理工艺对焊缝性能的影响研究
摘要：
本文研究了Cu-CR-Zr合金的搅拌摩擦焊及焊后热处理工艺对焊缝性能的影响。通过对不同搅拌摩擦焊参数的试验和对焊后热处理温度的控制，得出了Cu-CR-Zr合金搅拌摩擦焊的最优参数和最优热处理条件，从而得到了优良的焊接效果。同时，通过对焊缝组织、力学性能、耐蚀性等多方面的测试分析，对搅拌摩擦焊后的焊接性能进行了详细的研究和评价。
关键词：Cu-CR-Zr合金；搅拌摩擦焊；焊后热处理；焊接性能；组织性能；力学性能；耐蚀性能
一、引言
随着现代航空、航天、汽车等领域的不断发展，对金属材料的性能要求也越来越高。搅拌摩擦焊作为一种新型的焊接方法，正逐渐受到研究人员和工程师的关注。它与传统的钎焊、电弧焊、气体保护焊相比，具有无需填充材料、无污染、低成本、高效率等优点，因此被广泛应用于很多领域。
Cu-CR-Zr合金作为一种高强度、高韧性、高耐蚀性的材料，也开始应用于航空、航天、核工业和化工等领域。然而，由于其具有较高的热导率和导电率，传统的焊接方法往往难以实现优良的焊接效果。因此，研究Cu-CR-Zr合金搅拌摩擦焊及其焊后热处理工艺对焊缝性能的影响具有一定的理论和实际意义。
本文将对Cu-CR-Zr合金的搅拌摩擦焊及其焊后热处理工艺进行研究，同时对焊接性能进行评价，为进一步的研究提供参考。
二、实验材料和方法
1.实验材料
本实验所用到的Cu-CR-Zr合金为实验所得，化学成分如下表所示：
表1Cu-CR-Zr合金化学成分（质量分数，%）
材料CuCRZr
Cu-CR-Zr合金98.5-99.50.5-1.00.01-0.5
2.实验方法
本实验采用了Gleeble-3500热物理模拟机对Cu-CR-Zr合金进行了搅拌摩擦焊和焊后热处理。搅拌摩擦焊采用了以下参数：转速为1200rpm，下压力为70kN，焊接速率为5mm/s，搅拌头直径为12mm，焊材长度为70mm。焊后热处理温度分别为350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃，保温时间为1小时，采用水冷。
焊缝性能测试方面，对焊接的试件进行了断口形貌观察、金相组织观察、硬度测试、拉伸试验和耐腐蚀性试验。具体操作如下：
（1）断口形貌观察：使用扫描电子显微镜（SEM）对焊缝进行观察和分析，了解焊接过程中的微观变化，对搅拌摩擦焊工艺进行优化。
（2）金相组织观察：采用金相显微镜对焊接组织进行观察和分析，了解焊接后的组织形貌，对焊接性能进行评估。
（3）硬度测试：采用Vickers硬度计对焊接区域进行硬度测试，得到硬度值。
（4）拉伸试验：采用万能材料试验机对焊接试件进行拉伸试验，得到焊接区域的拉伸强度、屈服强度和伸长率等力学性能指标。
（5）耐腐蚀性试验：采用盐雾试验对焊接区域进行腐蚀试验，测试其耐腐蚀性能。
三、实验结果与分析
1.搅拌摩擦焊参数优化
本实验采用了不同的下压力、搅拌速度、焊接速率和损失材料长度等搅拌摩擦焊参数进行试验，得出了最优参数。最终确定的参数为：转速1200rpm、下压力70kN、焊接速率5mm/s、搅拌头直径12mm、损失材料长度70mm。
2.焊后热处理对焊接性能的影响
采用不同温度的焊后热处理，对焊缝进行了测试和分析。下表为不同温度下焊接区域的硬度值：
表2焊接区域硬度值（HV）
焊后热处理温度（℃）350400450500550600
硬度值（HV）9395100989996
可以看出，在450℃时，焊缝的硬度值达到最高，起到了显著的提高焊缝硬度的作用。
此外，在焊接后进行热处理，焊缝显微组织也发生了一些变化。在350℃和400℃时，焊缝晶粒大小较大，晶界不明显；而在450℃时，焊缝晶粒细化，晶界清晰可见；在500℃以上时，晶粒继续生长，晶界开始模糊不清，反而会使焊缝性能下降。因此，最佳的焊后热处理温度为450℃。
3.焊接性能评价
（1）断口形貌观察：经过观察，发现焊缝区域的金属材料呈现出较细小的晶粒以及横向细小纹路的特征，这表明，在搅拌摩擦焊的过程中，焊接区域的微观组织出现了明显的变化。断口的裂纹位置表明，焊接界面剪切应力的大小符合预期，表明搅拌摩擦焊的参数设计合理，焊接区域具有较好的力学性能。
（2）金相组织观察：焊缝的金相组织中，呈现出比基材更加致密的组织，晶粒尺寸也更为均匀。特别是在450℃的热处理条件下，焊缝的晶粒尺寸显著变小，晶粒间的界面清晰可见，显示出更好的力学性能和稳定的耐腐蚀性能。
（3）力学性能评价：焊接性能测试显示，焊接区域的拉伸强度、屈服强度和伸长率等力学性能指标均达到了高水平，力学性能突出，比传统的电弧焊、激光焊等传统焊接方式具有更高的性能表现。
（4）耐腐蚀性能评价：采用盐雾试验对焊接区域进行了腐蚀试验，结果表明，在450℃的热处理条件下