釬焊工藝對(duì)鎢/鋼焊縫組織結(jié)構(gòu)和焊接強(qiáng)度的影響

鄭春財(cái)

（廈門虹鷺鎢鉬工業(yè)有限公司，福建 廈門 361021）

0 引 言

鎢具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性及較低的蒸汽壓等特點(diǎn)，既是稀有金屬，又是一種戰(zhàn)略金屬，因此鎢及其合金在國(guó)防、冶金、核電、醫(yī)療和電子等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1-3]，如硬質(zhì)合金、航空火箭用高強(qiáng)耐磨合金、觸頭材料用合金和高比重合金等。在生產(chǎn)應(yīng)用中，往往需要鎢和其他異種金屬材料連接在一起，形成鎢和金屬的焊件，以實(shí)現(xiàn)性能上的互補(bǔ)。鋼是工業(yè)中應(yīng)用最多的黑色金屬，具有良好的焊接性、熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能等，鎢/鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用前景十分廣闊[4-7]。由于鎢與鋼的材料熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)等物化性能差異較大，無法用熔化焊的方式進(jìn)行焊接，易在接頭產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。通常情況下，可采用擴(kuò)散焊或釬焊方式來實(shí)現(xiàn)鎢與異種材料的連接[8-10]。擴(kuò)散焊具有接頭應(yīng)力小、精度高、產(chǎn)品接頭質(zhì)量好等特點(diǎn)，但由于其工藝特點(diǎn)，生產(chǎn)效率低，成本較高[11]。而釬焊在產(chǎn)品精度、生產(chǎn)效率及成本方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。本文研究的鎢/鋼焊件主要應(yīng)用于電觸頭材料中，利用鎢的抗熔焊、耐電蝕性等優(yōu)點(diǎn)，滿足具有高壓、高電流等苛刻環(huán)境的服役要求。為了能夠獲得更好的產(chǎn)品應(yīng)用效果，擬通過釬焊方式，在氣氛保護(hù)條件下，研究不同工藝參數(shù)對(duì)鎢/鋼焊縫組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)所用材料為20#鋼和純鎢片，釬料采用純銅薄焊片。3種材料具體成分如表1、表2和表3所示。采用砂輪切割機(jī)將鎢棒切割成尺寸為5 mm×1．0 mm的鎢薄片，再依次使用600#、1 000#、1 200#砂紙對(duì)其釬焊表面進(jìn)行打磨和拋光，除去表面的加工紋路和氧化層。純銅釬料為薄片狀，厚度為0．1 mm。所有原材料均需用丙酮對(duì)其表面進(jìn)行清洗，除油除污，最后使用酒精清洗，烘干后進(jìn)行真空包裝備用。

表1 鎢片化學(xué)成分 w/%Tab.1 Chemical composition of tungsten sheet

表2 銅釬料化學(xué)成分 w/%Tab.2 Chemical composition of solder

表3 20#鋼化學(xué)成分 w/%Tab.3 Chemical composition of No.20 steel

1.2 樣品制備

試驗(yàn)采用還原氣氛保護(hù)釬焊爐進(jìn)行釬焊，獲得所需的試驗(yàn)樣品，釬焊過程各零部件疊放順序如圖1所示。為減少焊接接頭應(yīng)力，以銅片作為連接層，考慮到釬料自身的熔點(diǎn)以及試驗(yàn)材料的特性，試驗(yàn)釬焊溫度為1120～1200℃，釬焊時(shí)間為10～30min。在以上各工藝條件下，對(duì)預(yù)處理好的鎢片和20#鋼進(jìn)行還原氣氛保護(hù)釬焊試驗(yàn)，得到所需的鎢/鋼焊件。

圖1 還原氣氛保護(hù)釬焊工藝制備的焊件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural map of composite parts prepared by Brazing process under the protective condition of reducing atmosphere

1.3 分析方法

研究采用德國(guó)徠卡DMILM金相顯微鏡進(jìn)行金相組織分析；采用日本日立S-3400N掃描電鏡和德國(guó)布魯克XFlash630M能譜儀對(duì)焊縫截面、斷口進(jìn)行形貌觀察和對(duì)截面進(jìn)行W、Fe、Cu元素線掃描；用CMT5504微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行樣品剪切強(qiáng)度測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鎢/鋼焊件的組織與結(jié)構(gòu)

圖2是鎢/鋼焊件整體金相形貌圖。焊件呈典型的“三明治”結(jié)構(gòu)，左邊是20#鋼基材，中間是純銅釬料層，右邊是鎢片層。從外觀上看，整個(gè)焊件的組織均勻致密，連接層與基材間的界面結(jié)合情況較為良好，無明顯的孔隙或孔洞存在。由于純銅釬料熔點(diǎn)較低且具有良好的延展性能，減少了焊接后連接接頭的內(nèi)應(yīng)力，為焊件實(shí)現(xiàn)良好的力學(xué)性能提供了有利條件。

圖2 放大100倍下鎢/鋼焊件整體形貌Fig.2 SEM micrographs of W/steel composite layer with enlargement of 100 times

2.2 工藝參數(shù)對(duì)鎢/鋼焊件組織結(jié)構(gòu)的影響

工藝參數(shù)是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因數(shù)之一，通過不同釬焊工藝，探究釬焊時(shí)間和溫度對(duì)鎢/鋼焊件組織結(jié)構(gòu)的影響，利用試驗(yàn)結(jié)果和過程分析，為后續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐提供工藝支持。

圖3（a）是釬焊溫度1 150℃保溫時(shí)間10 min時(shí)，鎢/鋼焊件焊縫中鎢片和銅釬料層界面SEM照片。從整體上看，銅釬料在高溫條件下出現(xiàn)了“鋸齒狀”的擴(kuò)散層，表明在該釬焊工藝條件下，銅釬料開始出現(xiàn)熔化并逐漸對(duì)鎢片表面進(jìn)行潤(rùn)濕。但是從鎢/銅界面看，釬料與鎢片之間存在一定的縫隙，二者界面仍有較為明顯的分層現(xiàn)象，表明銅釬料在釬焊過程未能充分潤(rùn)濕鎢片并形成致密的連接面，這對(duì)后續(xù)的結(jié)合強(qiáng)度存在較大的影響。

隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，銅釬料從釬料層到鎢片的擴(kuò)散加劇，如圖3（b）中所示，在釬焊溫度為1 150℃保溫時(shí)間20 min時(shí)，鎢片與釬料層間縫隙完全消失，形成較為致密的結(jié)合面。從圖中可以看到銅釬料存在鋸齒狀結(jié)構(gòu)沿界面深入到鎢片表面的孔隙中，表明在該釬焊溫度下，焊縫中的釬料具有足夠的時(shí)間擴(kuò)散到界面中，與鎢片形成了致密而又牢固的連接層。當(dāng)進(jìn)一步增加保溫時(shí)間，即釬焊溫度1150℃，保溫時(shí)間30 min時(shí)，鎢/銅界面組織如圖3（c）中所示?？梢钥吹蕉叩慕Y(jié)合面仍存在鋸齒狀咬合組織，但同時(shí)也出現(xiàn)了一定的結(jié)合縫隙。分析其原因，這是由于釬焊過程中，當(dāng)釬焊溫度高于釬料的液相線時(shí)，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，釬料的熔化程度越高，則焊料越容易溢出到焊縫外，最終導(dǎo)致界面縫隙的產(chǎn)生。保溫時(shí)間10 min時(shí)產(chǎn)生的縫隙是由于保溫時(shí)間不夠，釬料還未能充分潤(rùn)濕鎢片表面相比，而保溫時(shí)間30 min時(shí)的縫隙是由于釬料完全潤(rùn)濕后，保溫時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致的，其結(jié)合效果更好，因此從機(jī)理上講，二者的形成原因是不一樣的，界面的結(jié)合效果也會(huì)存在較大差異。

圖3 不同釬焊工藝下鎢/鋼焊件的W/Cu界面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM micrographs of the bonding layer of W/Cu interface at different brazing parameters

圖3（d）為溫度1 180℃保溫時(shí)間20 min條件下W-Cu界面的SEM組織照片。相較于前面幾組試驗(yàn)，本次試驗(yàn)的釬焊溫度更高，有利于銅釬料更快的發(fā)生熔化和擴(kuò)散，整個(gè)結(jié)合面來看也比較致密，無明顯的縫隙存在。但相較于圖3（b）而言，其界面輪廓較為平滑，沒有出現(xiàn)“鋸齒狀”咬合面。初步分析，由于本次釬焊的溫度更高，導(dǎo)致銅釬料發(fā)生了過燒，并溢出到焊件外表面，導(dǎo)致焊縫中的釬料厚度大幅減少，進(jìn)而導(dǎo)致擴(kuò)散層厚度減少，即無法出現(xiàn)鋸齒狀的咬合面。這與實(shí)際試驗(yàn)過程中，整個(gè)樣品表面被大量的銅金屬包裹的現(xiàn)象是一致的。

圖4是1 150℃保溫時(shí)間20 min時(shí)鎢/鋼焊件界面各元素分布線掃描結(jié)果。從圖中可以看出在鎢/銅界面處，W元素的含量發(fā)生了突變，并且在鎢片層處呈現(xiàn)穩(wěn)定的分布情況，而在連接層（Cu）中沒有發(fā)現(xiàn)W元素，表明在界面W原子未發(fā)生明顯擴(kuò)散現(xiàn)象。主要是由于1 150℃時(shí)，溫度遠(yuǎn)低于鎢的熔點(diǎn)，W原子的空位擴(kuò)散機(jī)制并未激活，因此其擴(kuò)散并不明顯。近鎢/銅界面處Cu元素基本上呈突變的梯度變化曲線，表明在界面處Cu原子也沒有擴(kuò)散到鎢片基體中，二者的結(jié)合主要靠銅的潤(rùn)濕作用嵌入到鎢基體的微孔隙中，進(jìn)而形成良好的結(jié)合面。

在銅/鐵界面處，由于銅與鐵二者間均具有較好的互溶性，且釬焊溫度與鐵的熔點(diǎn)較為接近，有利于Fe原子發(fā)生遷移和擴(kuò)散。通過元素線掃描結(jié)果可以看到，在界面靠近釬料區(qū)位置Fe原子含量出現(xiàn)緩慢上升，并形成一個(gè)微小的臺(tái)階，然后再逐步增加至與鋼基材中的鐵含量一致。反過來看Cu原子，其元素分布也出現(xiàn)了一定的緩降臺(tái)階，但臺(tái)階寬度沒有Fe原子的寬。由于Fe原子半徑相對(duì)較小，擴(kuò)散系數(shù)較大，因此在銅/鐵界面處鐵的含量更高。同時(shí)Fe原子擴(kuò)散完出現(xiàn)的空位，也更有利于Cu原子向鋼基體中進(jìn)行擴(kuò)散，從而形成良好的冶金結(jié)合。

圖4 鎢/鋼焊件界面各元素分布線掃描結(jié)果Fig.4 Linescanning of the boundary elements between tungsten and low-carbon steel

2.3 鎢/鋼焊件剪切強(qiáng)度及斷口分析

焊件的鎢片層與基體的結(jié)合強(qiáng)度決定了其在實(shí)際應(yīng)用過程中的服役壽命，而鎢片層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度取決于二者焊縫處釬料的復(fù)合情況，因此研究釬料與鎢片層間的界面反應(yīng)對(duì)制備高熔點(diǎn)、耐電蝕且具有良好界面結(jié)合的焊件具有重要意義。

圖5為溫度1 150℃不同保溫時(shí)間下鎢/鋼焊件剪切強(qiáng)度對(duì)比情況。數(shù)據(jù)由每個(gè)試驗(yàn)各取5個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試，然后計(jì)算其平均值作為該試驗(yàn)條件下的剪切強(qiáng)度值。從圖中可看出，在相同釬焊溫度條件下，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊件剪切強(qiáng)度呈不斷增加趨勢(shì)，當(dāng)保溫時(shí)間20min時(shí)，剪切強(qiáng)度最高達(dá)到268MPa。進(jìn)一步延長(zhǎng)保溫時(shí)間至30 min時(shí)，剪切強(qiáng)度開始變小。這與前文中所述的鎢/銅界面SEM組織形貌所表現(xiàn)的現(xiàn)象剛好一致，進(jìn)一步佐證了前述分析的可靠性。

圖5 溫度1150℃不同保溫時(shí)間下鎢/鋼焊件剪切強(qiáng)度Fig.5 The shear strength of W-steel composite parts under different brazing time of 1 150℃

為探究焊件剪切斷口組織結(jié)構(gòu)與形貌特征，采用SEM掃描電鏡對(duì)其斷面做進(jìn)一步分析。不同釬焊工藝下鎢/鋼焊縫斷面的SEM形貌照片如圖6所示。其中圖 6（a）、（d）為溫度 1150℃保溫時(shí)間 10mim時(shí)的斷口組織。從低倍照片中可以看到，樣品失效位置均出現(xiàn)在W/Cu界面處。通常在異種材料的釬焊過程中，因材料間的熱膨脹系數(shù)差異較大，焊接接頭冷卻過程中會(huì)在低熱膨脹系數(shù)材料處產(chǎn)生較高熱應(yīng)力[12]。由于鎢的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于鋼的熱膨脹系數(shù)，在鎢/銅界面上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大于銅/鋼界面，因此裂紋尖端優(yōu)先在“鎢/銅界面上擴(kuò)展。從斷口組織看，呈典型的脆性斷裂組織，該組織大部分為平面撕裂狀，基本沒有韌窩狀組織，力學(xué)性能較差。

圖 6（b）、（e）為溫度 1 150 ℃保溫時(shí)間 20 mim時(shí)的斷口組織。該工藝條件下，斷口組織出現(xiàn)大量的剪切型伸長(zhǎng)韌窩組織，這是由于在剪切力的作用下，晶界出現(xiàn)滑移形成大量位錯(cuò)，位錯(cuò)不斷塞積進(jìn)而形成微裂紋，相鄰裂紋不斷地聚集、長(zhǎng)大，最終形成孔洞，如圖6（e）中所示，在外力進(jìn)一步作用下，斷口發(fā)生塑性變形直至斷裂。從宏觀上看，樣品斷口出現(xiàn)較為明顯的平臺(tái)分層斷裂，屬于典型的脆性斷裂。從微觀組織看，由于斷口表面上存在有大量的伸長(zhǎng)韌窩組織，使得其力學(xué)性能大幅增強(qiáng)。圖 6（c）、（f）為溫度1 150℃保溫時(shí)間30 mim時(shí)的斷口組織。斷口表面呈河流狀剪切斷裂組織，這是由于隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫組織脆性增加。在外力的作用下，裂紋由殘余應(yīng)力較大的鎢側(cè)界面開始擴(kuò)展，并不斷延伸到釬料層中，最終導(dǎo)致整個(gè)焊縫斷裂失效[13]。根據(jù)實(shí)際剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)表明，該型斷口組織樣品力學(xué)性能比韌窩狀組織要差，但比平面撕裂斷面組織要高，性能介于二者之間。

圖6 不同釬焊工藝下鎢/鋼焊件斷口組織SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs of fracture structure of W/steel composite parts under different brazing processes

綜合試驗(yàn)與分析可知，在釬焊溫度1 150℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，銅釬料的熔化程度越來越高，逐漸地潤(rùn)濕鎢片表面，并通過毛細(xì)作用進(jìn)入到鎢片的微孔隙中。當(dāng)保溫時(shí)間為20 min時(shí)，W-Cu界面能夠形成一層致密，帶有“鋸齒狀”的機(jī)械咬合層，且焊縫斷口呈大量的韌窩組織，其剪切強(qiáng)度最高。當(dāng)進(jìn)一步提高釬焊溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間時(shí)，由于釬料層發(fā)生的過燒，導(dǎo)致釬料容易溢出工件表面，造成焊縫中釬料流失嚴(yán)重，反而不利于Cu釬料對(duì)鎢片表面的潤(rùn)濕作用，導(dǎo)致其焊縫斷口呈平面撕裂或河流狀脆斷組織，最終整個(gè)焊件的剪切強(qiáng)度也相對(duì)較低。

3 結(jié) 論

（1）采用釬焊工藝成功制備了鎢/鋼焊件，該焊件表面平整且與低碳鋼基體間實(shí)現(xiàn)了良好的界面結(jié)合，當(dāng)釬焊工藝為釬焊溫度1 150℃保溫20 min時(shí)，界面呈機(jī)械咬合狀結(jié)構(gòu)。

（2）釬焊溫度與保溫時(shí)間的變化對(duì)鎢/鋼界面組織結(jié)構(gòu)影響顯著。釬焊溫度1 150℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，釬料的熔化程度越來越高，且伴隨著擴(kuò)散到界面的Cu釬料也越來越多。當(dāng)保溫時(shí)間為20min時(shí)，鎢/銅界面能夠形成一層致密，帶有“鋸齒狀”結(jié)構(gòu)的機(jī)械咬合層。當(dāng)進(jìn)一步提高釬焊溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間時(shí)，釬料易發(fā)生過燒，導(dǎo)致釬料溢出工件表面，造成焊縫中釬料流失嚴(yán)重。

（3）不同鎢/鋼焊件力學(xué)性能的差異決定了其斷口呈現(xiàn)不同的組織形貌。當(dāng)釬焊溫度1 150℃保溫20 min時(shí)，斷口出現(xiàn)大量的剪切型伸長(zhǎng)韌窩組織，剪切強(qiáng)度達(dá)到最高為268 MPa。而焊件斷口呈平面撕裂脆斷組織或河流狀解理組織時(shí)，其相應(yīng)的力學(xué)性能也較差。