φ5.8 mm鉬桿焊接質量分析

卜春陽,王快社,武 洲,莊 飛,楊秦莉

(1.西安建筑科技大學,陜西西安 710055)

(2.金堆城鉬業股份有限公司技術中心,陜西西安 710077)

0 前言

鉬金屬產品主要有棒、板、異型件等,其中鉬棒主要被加工成鉬絲。鉬絲材主要是用于制造真空管的陰極、陽極,電燈泡里的鎢絲托架等,還有一部分直接作為線切割絲成為最終產品得到應用。現鎢鉬制品行業普遍使用 1 kg左右的坯條,單絲長度短、單重低,不適應多模拉絲及粗絲出口的需要,產品在國內外市場上受到很大限制,制約了企業的發展和效益的提高。為了提高鉬絲的生產效率和成品率,更重要的是為了適應市場需求,必須增加鉬桿單重,實現生產連續化。使用大單重坯條和大型軋機可以實現連續化生產,達到提高產品質量和效率的目的。但是大單重坯需要較大的成型、燒結設備,大型軋機更是需要巨額投資,多數企業無法辦到。

在生產線中進行焊接是最有效的辦法之一,將小單重短鉬桿焊接成滿足要求的大單重長鉬桿的大樣件,這樣可以有效地解決生產中的問題。較常用的焊接方法有電弧焊接、等離子弧焊接、電子束焊接、超聲波焊接等,這些設備大多數都價格昂貴、操作復雜、技術要求高、占地面積大,一般中小企業難以實施。鎢鉬對焊機屬于電阻焊接的一種,價格低、占地面積小、能滿足鉬桿焊接的要求。

2 對焊機工作原理

利用對焊機將鉬桿焊接在一起可稱為加壓接觸焊接,其工作原理是借強電流通過 2個被焊接坯料的接觸處產生的電阻熱,將接觸部的鉬金屬加熱到熔化狀態,并及時施加一定的壓力,從而使坯料結合在一起。

圖 1所示為對焊機工作示意圖,施加于上電極之壓力 P1,由液壓系統提供,液壓輸出壓力平穩、剛性大,能保證上、下電極與被焊件之間電流傳導良好,有利于穩定焊接質量。施加于移動電極座之壓力 P2,采用氣動。在焊前和焊中施加的壓力為初期壓力,以保持 2試件接觸面之間適當的電阻值。在焊接既將結束,材料處于即熔狀態時施加的力為頂鍛壓力,以加速再結晶,形成焊接。依材料和尺寸不同規格可對 3種壓力方便地進行調整。

圖 1 對焊機工作示意圖

進行焊接時,首先將需要焊接的 2根鉬桿置于卡槽,左右油缸向下運動壓緊工件,隨后氣缸前進,使兩鉬桿端面接觸,即初期壓力。對焊接部分預熱一定時間,氣缸再次向前推進,使兩工件受壓,即頂鍛壓力,同時儲能電容向脈沖變壓器放電,使接觸面產生高溫熔融,最終使兩鉬桿焊接在一起。左右兩油缸向上移動松開工件,同時氣缸向后回復至初始位置完成鉬桿焊接過程。

3 實驗

將重約為 1 kg的 φ17 mm鉬棒采用 203旋鍛開坯,經串打至 φ5.8 mm左右準備進行焊接。鉬桿焊接直徑選為 φ5.8 mm比較合適,如果直徑過大則焊接面積大,焊接設備大小所限,效果不理想。如果直徑太小,后續加工不易消除焊接部位與產品其他部位的不均勻性,容易導致斷絲、劈絲、空心等質量問題。實驗設備采用 T MW-200型鎢鉬對焊機,首先將待焊接部位切割露出新鮮平整表面,按照焊接工藝要求完成焊接,以焊接處為中心截取適當長度的樣,制成標準長度的拉伸試樣。焊接部位鼓出的部分到砂輪上進行打磨,使之平整光滑,與生產時的要求一致,以便于對焊接質量作出分析。通過對標準試樣的抗拉強度、斷口部位金相組織、斷口 SEM形貌以及雜質等項目的分析,對鉬桿的焊接質量進行定性評判。

4 分析討論

4.1 焊接強度分析

拉伸實驗是考核材料強度與塑性最常用的實驗方法之一,進行拉伸試驗可以直接考核試樣的焊接強度。表 1是焊接試驗樣與正常鉬桿樣品的拉伸試驗結果。

焊接樣 3、4是實驗過程中發現的焊接不好的試樣,這些試樣抗拉強度很小,甚至用較輕微的機械震動或擊打就會產生斷裂。主要原因是虛焊,對斷裂試樣進行觀察可發現焊接部位只有很少的連接。大部分焊接試樣拉伸試驗的最大力 Fm與抗拉強度Rm一般在非焊接正常鉬桿的 50%左右,只要強度達到了這個范圍后續加工基本沒有問題,焊接后用機械震動或擊打也不會產生斷裂。所以鉬桿焊接后,進行例行機械震動或擊打檢驗就可以避免大部分的焊接質量問題。

焊接鉬桿的室溫拉伸實驗說明,焊接部位強度僅為普通鉬桿的 50%左右,但并不影響后續加工。有缺陷的焊接桿經簡單機械震動或擊打檢驗就可發現。

表 1 焊接桿拉伸實驗

4.2 焊接斷口組織分析

焊接部位金相分析是檢查焊接質量的有效方法之一,圖 2是鉬桿焊接部位與正常鉬桿的縱向金相組織,焊接部位金相組織下半部分靠近焊接端面。分析圖 2,正常鉬桿的金相組織呈明顯的加工纖維組織,這是φ17 mm鉬棒經旋鍛、串打形成主變形方向的加工狀態纖維組織,是典型的加工組織。纖維組織分布均勻,沒有明顯的缺陷,對應抗拉強度亦在正常范圍之內。焊接部位金相組織顯示,加工纖維組織大量消失,已無法清晰看到,大部分已形成了再結晶,趨向于等軸晶但略偏長,同時焊接部位不存在未焊透、夾渣、氣孔等明顯缺陷。再結晶組織說明鉬桿兩端面已經歷了高溫,熔合為一體。晶粒從上到下逐漸粗大,因兩鉬桿端面焊接時存在較大溫度梯度,靠近端面溫度很高而離端面遠的溫度低,從而導致再結晶晶粒由上到下逐漸粗大。如果焊接部位的晶粒過于偏大,應是過熱所致,此時鉬桿會表現出脆化,焊接強度反而不高,故焊接能量要適當。

焊接部位金相分析表明,焊接良好時焊接部位不存在未焊透、夾渣、氣孔等明顯缺陷,同時加工狀態纖維組織大部分產生了再結晶,并趨向于等軸晶。

圖 2 焊接部位與正常鉬桿組織

圖 3 焊接部位與正常鉬桿斷口 SEM

圖 3是焊接鉬桿與正常鉬桿的斷口 SEM。正常鉬桿發生了冷脆性斷裂,斷口呈穿晶解理斷裂。鉬是體心立方金屬,經旋鍛、串打后形成纖維組織,做室溫拉伸實驗時在脆塑轉變溫度以下,沿解理面開裂所消耗的應變能最小,因而會出現穿晶解理斷裂。焊接鉬桿均是在焊接部位斷裂,呈沿晶斷裂,晶粒明顯趨向于等軸晶。在焊接的瞬間,接觸面產生高溫能將鉬桿短時熔融,使兩鉬桿焊接在一起。焊接的同時,亦等于對焊接部位進行了一次高溫退火,產生大量再結晶。再結晶晶界間結合力弱,在較小的應變及較低的能量下就易形成裂紋源,很快就會形成沿晶脆性斷裂。

焊接鉬桿與正常鉬桿的斷口 SEM表明,在室溫拉伸實驗時普通鉬桿產生穿晶解理斷裂,焊接鉬桿在焊接部位產生沿晶脆性斷裂。

4.3 焊接斷口雜質分析

雜質對鉬材的拉伸加工有較大的影響。如果雜質含量過高,尤其是氧含量偏高,雜質以氧化物形式聚集在晶界上,在形變時阻礙晶界滑動,使延伸性能變差。加工時形成的纖維組織必然向加工方向伸長,由于雜質的阻礙,纖維不能充分伸長,從而產生各向異性,發生斷裂,導致鉬絲加工無法進行。

表2 焊接鉬桿與正常鉬桿斷口能譜分析 %

表 2是焊接鉬桿與正常鉬桿斷口原子能譜分析結果,經過對不同部位的點分析及區域分析,可以看出不論是焊接鉬桿還是普通鉬桿,在能譜可分析的范圍內并未發現其他雜質,只是在微裂紋部位有少量的氧。點分析的氧含稍高一些,而微區分析氧含量較低。一方面是因為實驗樣品吸附了一些雜質,另一方面是微裂紋本身就是氧化物雜質富集的地方。再者與分析點的選擇亦有較大的關系,點分析是打在微裂紋上,所以氧含量較高,微區分析選擇了較大的區域,氧含量較低。

斷口原子能譜分析表明,焊接并未引入過多的雜質,可以滿足后續加工要求。

5 結論

焊接是生產大單重鉬桿、鉬絲較為經濟的方法。通過分析表明,雖然焊接部位強度僅為普通鉬桿強度 50%左右,但并不影響后續加工。有缺陷的焊接桿經簡單機械震動或擊打檢驗就可發現。焊接良好時焊接部位不存在未焊透、夾渣、氣孔等明顯缺陷,同時加工狀態纖維組織大部分產生了再結晶,并趨向于等軸晶。在室溫拉伸實驗時普通鉬桿產生穿晶解理斷裂,焊接鉬桿產生沿晶脆性斷裂。斷口界面除氧以外沒有能譜可探測到的其他雜質。

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