銅/鋼異種材料等離子弧焊接頭顯微組織分析

彭 遲，程東海，陳益平，胡德安

(南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌 330063)

紫銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在電力電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用.然而銅價(jià)格高，完全用銅及其合金制造產(chǎn)品在很多情況下產(chǎn)生浪費(fèi)，而且銅強(qiáng)硬度不高.鋼作為使用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料，具有價(jià)格低、強(qiáng)硬度較高的優(yōu)勢.因此銅/鋼異種材料的焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)電、食品機(jī)械、釀酒、航空航天等工業(yè)部門，具有良好推廣應(yīng)用前景［1］.實(shí)現(xiàn)銅鋼異種材料的高質(zhì)量和高可靠性的焊接工藝，一直是人們關(guān)注和研究的主要問題［2］，目前對銅/鋼異種材料焊接的研究主要集中在激光焊、釬焊、攪拌摩擦焊等焊接方法上［3-11］.付俊［9］設(shè)計(jì)了激光束偏向鋼側(cè)，對接面為斜面的銅鋼異種材料激光焊接工藝，其結(jié)果表明，當(dāng)焊縫中銅熔化量為15.11%時(shí)，焊縫成形和力學(xué)性能最好.張建等［11］，采用蒙乃爾焊條對H62黃銅與Q345B碳鋼進(jìn)行角焊接，結(jié)果表明:對銅鋼異種金屬采用蒙乃爾合金進(jìn)行角接可以較好的實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，焊縫組織主要為柱狀晶，銅的熱影響區(qū)主要為柱狀的單相α相，鋼的熱影響區(qū)組織主要為馬氏體組織.程東海等［12］，采用等離子弧焊對紫銅與Q235鋼進(jìn)行了等離子弧焊試驗(yàn)，結(jié)果表明焊縫與銅側(cè)界面沒有明顯的熔合線，呈漩渦狀，鋼側(cè)與焊縫連接處出現(xiàn)了明顯的分界線.Sajjad Gholami SHIRI等［13］采用不同焊絲對工業(yè)純銅和304不銹鋼進(jìn)行鎢極氬弧焊，結(jié)果表明，采用銅做焊絲時(shí)，焊縫無任何缺陷生成，而采用304不銹鋼和Ni-Cu-Fe合金為焊絲時(shí)，焊縫中有凝固裂紋和未熔化區(qū)存在.

目前對銅/鋼異種材料的等離子弧焊的研究較少，本文對銅/鋼異種材料進(jìn)行了熔透型等離子弧焊，獲得較好的焊接接頭，并對焊縫的力學(xué)性能、顯微組織及元素?cái)U(kuò)散行為進(jìn)行分析，為銅鋼連接的實(shí)際應(yīng)用提供幫助.

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)所用厚度均為1 mm的T2紫銅板和304不銹鋼(0Cr18Ni9)板材，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用由上海金通電子有限公司制造的LHM-200式等離子弧焊機(jī)，最大輸出功率為7.4 kW，焊接電流為5～200 A，配合水冷式等離子弧焊槍.試驗(yàn)時(shí)將焊槍噴嘴與被焊材料的距離為3 mm，焊槍內(nèi)鎢極棒內(nèi)縮量為2 mm.試驗(yàn)采用的等離子氣和保護(hù)氣體均為高純度的Ar氣，經(jīng)過預(yù)試驗(yàn)確定保護(hù)氣流量與離子氣流量分別為0.25 L/min和0.75 L/min時(shí)效果最佳，各材料的主要化學(xué)成分見表1，主要物理性能見表2.試驗(yàn)采用對接接頭，室溫拉伸試驗(yàn)試樣形狀尺寸如圖1所示，焊縫位于試樣的中心.拉伸試驗(yàn)在WDW-100試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，最大載荷100 kN，加載速率為1 mm/s.

表1 材料的主要成分

表2 材料的主要物理性能

圖1 拉伸試樣尺寸示意圖(mm)

2 結(jié)果及討論

2.1 焊接工藝對接頭力學(xué)性能的影響

為了獲得較好的銅鋼異種材料等離子弧焊接接頭，試驗(yàn)通過設(shè)置兩類工藝參數(shù)(焊接電流、焊接速度)研究其對接頭抗拉強(qiáng)度的影響(試驗(yàn)中固定保護(hù)氣與離子氣流量分別為0.25 L/min和0.75 L/min).焊接試樣大多斷裂于焊縫與銅母材的連接處和銅側(cè)熱影響區(qū)附近.

圖2為固定焊接速度為4 mm/s時(shí)不同焊接電流對接頭的抗拉強(qiáng)度的影響.從圖中看出，焊縫抗拉強(qiáng)度隨著焊接電流的增加而增加的特點(diǎn).在電流為55 A時(shí)，由于電流較小，背面未充分熔透，抗拉強(qiáng)度僅為129 MPa.隨著焊接電流的增大，背面熔寬增加，抗拉強(qiáng)度顯著提高，電流為65 A時(shí)抗拉強(qiáng)度174 MPa，接近于銅母材的強(qiáng)度.而當(dāng)電流達(dá)到70 A時(shí)抗拉強(qiáng)度為168.5 MPa，說明當(dāng)電流過大時(shí)熱輸入增大，使得接頭處組織性能惡化力學(xué)性能降低.圖3為固定焊接電流65 A時(shí)不同焊接速度與接頭抗拉強(qiáng)度的關(guān)系.由圖可知，焊縫的抗拉強(qiáng)度隨著焊接電流的增加先突增后緩降的特點(diǎn).在焊接速度為3 mm/s時(shí)，由于焊接速度較低，熱輸入較大，形成過大的熔深而燒穿.隨著焊接速度的增加，熱輸入降低，焊縫的熔深隨之減小，且銅的熔化量逐漸減少，焊縫成形轉(zhuǎn)好，接頭抗拉強(qiáng)度逐漸提高.當(dāng)焊接速度為4mm/s時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值為174 MPa.

綜上所述，銅鋼異種材料等離子弧焊接最佳焊接參數(shù)為，保護(hù)氣與離子氣流量分別為0.25 L/min，0.75 L/min，焊接電流為65 A，焊接速度為4 mm/s.取在該參數(shù)下獲得的焊接接頭，對其進(jìn)行光學(xué)顯微鏡(OM)和能譜儀(EDS)分析，對接頭的顯微組織形貌和焊縫中元素?cái)U(kuò)散行為進(jìn)行觀察和分析.

圖2 焊接電流對接頭抗拉強(qiáng)度的影響

圖3 焊接速度對接頭抗拉強(qiáng)度的影響

2.2 接頭顯微形貌和組織

圖4為試樣焊接接頭宏觀形貌.由圖可知，焊縫在板厚方向幾乎為直筒狀，焊接接頭在靠近銅側(cè)母材處的結(jié)合界面較為平直清晰，而在接頭在靠近鋼側(cè)的結(jié)合界面在界面的上部有較小的外拖，整個(gè)界面呈半χ型，而且整個(gè)熔池在靠近鋼側(cè)的上部有下凹的條紋，而在銅一側(cè)則沒有這種情況，說明焊接時(shí)雖然鋼的熔點(diǎn)較銅要高，但由于銅的導(dǎo)熱性要比鋼的好很多(為鋼的5倍多)，使得在銅側(cè)的溫度梯度要較鋼側(cè)小的多，使得銅側(cè)在厚度方向的溫度和熱量分布較均勻，所以熔化量也相似，從而形成了平直的結(jié)合界面;而在鋼側(cè)由于導(dǎo)熱性較差使得在厚度方向熱量分布不均，接頭上部和下部由于靠近空氣處散熱困難，熱量聚集使鋼的熔化量較多，而中間部分由于四周都能較好的散熱，使得熱量相對較少熔化量也較上下兩端小，從而形成了類似于半χ型;焊接時(shí)銅側(cè)的熱量散失較大，而在鋼側(cè)熱量集聚，熔化量大溫度較高，所以鋼液的粘度較小，流動(dòng)性較強(qiáng)，銅液的流動(dòng)性差，粘度高，焊縫偏向于鋼側(cè)，焊接時(shí)在劇烈的攪拌作用下兩種金屬充分混合凝固后在鋼側(cè)形成下凹條紋.同時(shí)由于導(dǎo)熱的差異，使得銅側(cè)的半熔化狀態(tài)區(qū)域要大于鋼側(cè)，半熔化區(qū)粘度很大、流動(dòng)性很差，凝固后其一側(cè)為熱影響區(qū)，另一側(cè)為焊縫中心區(qū).

圖4 接頭的宏觀形貌

而在銅鋼焊接時(shí)，熔池在靠近鋼側(cè)有出現(xiàn)小孔效應(yīng)，鋼汽化使熔池內(nèi)對流較強(qiáng)，凝固后形成了在鋼一側(cè)出現(xiàn)的條紋狀組織，此外熔化的銅鋼母材在液態(tài)下互熔較為充分.在焊縫中從鋼側(cè)至銅側(cè)都存在一定的粒狀或塊狀的組織彌散分布于焊縫中，且靠近鋼側(cè)更為明顯，這是由于在液態(tài)時(shí)銅和鋼是互溶的，而固態(tài)時(shí)為部分固溶的原因，由于銅鐵在液態(tài)時(shí)已經(jīng)充分互溶，使得在凝固后出現(xiàn)了一些塊狀和粒狀的富鐵相和富銅相的固溶體彌散分布于焊縫中.

圖5是焊縫中心的顯微組織組織.從焊縫區(qū)顯微組織可見，整個(gè)焊縫區(qū)域呈細(xì)胞群狀，有較多白色的晶界平直的奧氏體組織，且焊縫中有黑色魚骨狀的鐵素體組織.結(jié)合Fe-Cu二元合金相圖分析可知，鐵和銅不會(huì)形成脆性的金屬間化合物，而在α-Fe中當(dāng)Cu含量小于0.3%，其組織為銅在鐵中的固溶體α相，而在γFe中則要當(dāng)銅的含量小于8.5%時(shí)其組織為銅在鐵中的固溶體γ相;當(dāng)Fe含量小于0.2%時(shí)形成鐵在銅中的固溶體 ε［14-17］，由于奧氏體不銹鋼的組織為γ-Fe，同時(shí)由于奧氏體不銹鋼在高能密度焊接時(shí)，其合金元素的蒸發(fā)燒損、擴(kuò)算及與銅的作用，而使鋼中合金元素減少，從而可能導(dǎo)致焊后焊縫中的部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)棣料噼F素體及殘余奧氏體等;故焊縫區(qū)組織，是以α、γ富鐵相和ε富銅相固溶體組織的形式存在，而由于固溶體的力學(xué)性能較好(強(qiáng)度、硬度等)且富鐵相和富銅相的固溶體在焊縫中成彌散分布，這有助于焊縫力學(xué)性能的提高，由于在鋼側(cè)其固溶體相分布較多也較為均勻從而其性能越高，從而也能解釋，大多數(shù)焊接試樣都斷裂于靠銅側(cè)焊縫處，而斷裂于靠剛一側(cè)焊縫極少.

圖6為焊縫靠近銅側(cè)區(qū)域的顯微組織形貌.可見雖然銅側(cè)的熔合線相對較為平直，但放大后，在界面處呈現(xiàn)出明顯的湍流漩渦現(xiàn)象，熔池中的液態(tài)金屬主要是鋼，銅側(cè)界面處于熔化狀態(tài)，小孔壁上的鋼液受到液態(tài)金屬蒸發(fā)和噴射的反作用力和表面張力的作用，產(chǎn)生紊流，使鋼液卷入銅側(cè)母材基體，凝固后形成漩渦狀界面，這種界面起到機(jī)械咬合的作用，有助于提高銅側(cè)界面結(jié)合強(qiáng)度［9，18］.在靠近熔合線處的銅母材晶粒焊接時(shí)受熱循環(huán)影響這部分銅母材明顯大于其它銅母材晶粒，使得該處的力學(xué)性能降低，且熱影響區(qū)也較鋼側(cè)大，這主要由于銅的導(dǎo)熱好，溫度梯度較小所致，也說明了有些試樣的斷裂位置在銅側(cè)熱影響區(qū).同時(shí)在該界面處界面清晰，觀察不到過渡區(qū)域，說明該處的連接薄弱;在靠近銅側(cè)界面的焊縫處，其組織主要為鐵在銅中的固溶體ε相.

圖5 焊縫中心

圖6 接頭靠銅側(cè)

圖7為焊縫靠近鋼側(cè)的微觀組織形貌.可見在鋼母材的熱影響區(qū)其組織與原來母材的組織幾乎一致，說明這部分材料保持著焊前的狀態(tài)，晶粒呈細(xì)小的等軸狀.在焊縫和鋼母材的界面處能觀察到有一明顯的灰黑色的過渡區(qū)域，這表明鋼一側(cè)界面連接較好力學(xué)性能較高，也說明為何沒有試樣斷裂于鋼側(cè)界面.因?yàn)閵W氏體不銹鋼的組織主要為面心立方的γ相，從圖中可以看出在鋼一側(cè)組織的晶界比較清晰仍保持明顯的奧氏體不銹鋼組織，圖中的黑色小點(diǎn)為碳化物.而在靠近界面的焊縫中有較多的彌散分布的點(diǎn)狀物質(zhì)，該物質(zhì)極有可能為銅在鋼中的固溶體相.

圖7 接頭靠鋼側(cè)

2.3 接頭EDS分析

圖8為對焊接試樣接頭處(黑色箭頭所指位置)的EDS元素線掃描分析結(jié)果，Cu/Fe元素在接頭的相對含量及分布變化情況如圖所示，圖中上側(cè)深色的曲線代表Fe元素在接頭處的分布情況，而下側(cè)淺色曲線則代表銅元素分布情況.由圖可知在焊縫中兩種元素的分布都較為均勻，這說明在等離子弧焊接時(shí)熔池?cái)嚢璩浞謨煞N材料充分混合，在焊縫中Fe元素的含量從鋼母材處的極高含量到焊縫區(qū)域其含量略微降低仍保持有較高的含量，到銅母材處其含量幾乎為零，而Cu元素的含量變化情況則正好相反，在焊縫區(qū)域含量也較Fe元素少很多，可知在焊接時(shí)銅側(cè)的熔化量較鋼側(cè)少很多.在焊縫的各處有大小不一的波形突變，這是由于在熔池的凝固過程中溶解度有限使元素析出聚集形成的析出物所致，由圖可知，焊縫中心處較大的突變波峰，是由于在該處有一白色顆粒狀的富銅相組織，而在靠近銅側(cè)界面的鐵元素的突變波峰，是由于在該處有顏色較深的富鐵相組織所致.

圖8 試樣的EDS線分析圖

在縫中心處彌散分布的富銅相和富鐵相也表明，銅和鐵元素在等離子弧焊接過程中充分的擴(kuò)散和互溶，且其中鐵元素的擴(kuò)散為最主要的擴(kuò)散，并由鋼液的流動(dòng)帶動(dòng)銅元素的遷移和擴(kuò)散.而在銅側(cè)有較多的波形突變也進(jìn)一步表明，銅的熔化量較少，而使鋼液卷入銅側(cè)而形成漩渦狀的卷入.圖9為對圖8中的黑色方框處的高倍金相圖及對焊縫中的塊狀析出物做的EDS點(diǎn)成分分析，可知在靠近鋼一側(cè)的析出物的成分93.97Wt%為銅元素而僅有6.03Wt%的為鐵元素，由此可知焊接時(shí)析出的白色塊狀物質(zhì)主要為富銅相，是由于銅鋼在液態(tài)時(shí)充分互溶，而在固態(tài)時(shí)為有限固溶，且銅在鋼中的固溶度較小，而使大量銅析出所致，其塊狀物質(zhì)的中部有部分的顏色較深的物質(zhì)可能為銅和鋼的固溶體.這也說明了在銅鋼的等離子弧焊接過程中，由于銅的散熱要好于鋼的散熱而使銅側(cè)的熔化量較鋼的熔化量要小，且小孔也形成于靠鋼一側(cè)，而使得在焊接接頭的形成過程中銅元素的擴(kuò)散主要依靠鋼液的流動(dòng)所帶動(dòng).

圖9 焊縫的點(diǎn)分析結(jié)果

3 結(jié)論

1)銅鋼異種材料等離子弧焊接最佳的焊接參數(shù)為:保護(hù)氣流量與離子氣流量分別為0.25 L/min和0.75 L/min，焊接電流為65 A，焊接速度為4 mm/s，接頭抗拉強(qiáng)度能達(dá)到174 MPa，試樣斷裂于銅側(cè)熱影響區(qū).

2)銅鋼異種材料的等離子弧焊焊縫在銅一側(cè)為平直的，而在鋼一側(cè)則為半χ型.焊縫中彌散分布著塊狀和粒狀的銅和鋼的固溶體組織;在銅側(cè)界面處，由于焊接時(shí)熔池的劇烈作用使鋼液卷入銅側(cè)母材基體，形成漩渦狀界面，在接頭的形成過程中銅元素的遷移和擴(kuò)散主要依靠鋼液的流動(dòng)進(jìn)行，為元素?cái)U(kuò)散主要的動(dòng)力.

3)在焊縫區(qū)中心顯微組織呈細(xì)胞群狀，顯微組織主要有奧氏體組織和黑色魚骨狀的鐵素體組織.焊縫區(qū)組織是以α、γ富鐵相和ε富銅相固溶體組織的形式存在，在靠近銅側(cè)界面的焊縫處，其組織主要為鐵在銅中的固溶體ε相;在鋼一側(cè)焊縫組織為面心立方的γ相的奧氏體不銹鋼組織.

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