焊藥混合時間對銅及銅合金手工自蔓延焊接的影響

曲利峰，辛文彤，吳永勝，王 森

(軍械工程學院 先進材料研究所，河北 石家莊 050003)

焊藥混合時間對銅及銅合金手工自蔓延焊接的影響

曲利峰，辛文彤，吳永勝，王 森

(軍械工程學院 先進材料研究所，河北 石家莊 050003)

銅及銅合金手工自蔓延焊接是一種融合自蔓延焊接和手工弧焊等技術的新型應急焊接技術。手工自蔓延焊接的質量控制和焊接接頭性能會受到燃燒型焊條成形工藝參數的影響，而焊藥混合時間又是焊條成形工藝參數中重要的因素。通過試驗研究了顆粒團聚與混料時間的關系，不同混料時間下粉末顆粒分布情況，焊條燃燒速度與混料時間的關系曲線，并且通過金相顯微鏡觀察了α+β+β＇相的分布情況，分析了β＇相的存在對焊縫組織成分和力學性能的影響，從而影響到最終的焊接質量。實驗結果表明：焊藥混合時間為30～45 min時，燃燒型焊條燃速可控，力學性能好，晶粒細化分布均勻，焊接質量高。

銅及銅合金手工自蔓延焊接技術；混合時間；粉末顆粒分布；力學性能

0 前言

銅及銅合金的手工自蔓延焊接是以燃燒合成反應放出的熱量為高溫熱源，以燃燒合成反應的產物為填料，采用焊條電弧焊運條操作方式，實現焊接母材永久牢固連接的一種全新的自蔓延熔焊方法[1]。使用的燃燒型焊條小巧輕便，便于攜帶，不需要電源、氣源及設備，只需用任意可用火源點燃燃燒型焊條即可對同類或不同類金屬進行焊接，顯著降低應急焊接時間。手工自蔓延焊接的質量控制和焊接接頭性能受到多種工藝參數的影響，一方面取決于燃燒型焊條成形工藝參數，另一方面取決于焊接時的工藝參數。焊藥混合時間是焊條成形工藝參數中重要的影響因素。混合是指物料在外力(重力及機械力等)作用下發生運動速度和方向的改變，使各組分顆粒得以均勻分布的操作過程。燃燒型焊條的焊藥由多種粉末混合組成，混合是一道重要的工序，在試驗中發現，對于同一種燃燒型焊條配方，混合時間不同，對燃燒合成反應的影響也大不相同。

1 試驗材料和方法

(1)儀器：三維混料機、XJL-17(4XC)型金相顯微鏡。

(2)受焊母材：H62黃銅板。

(3)焊藥組分：高熱劑、合金劑、造渣劑。焊藥是燃燒型焊條的核心部分，其化學成分直接影響到焊接能否順利進行、焊縫金屬的組織和性能、焊渣的形態和保護作用等，是焊接質量的決定因素。

(4)試驗方法：采用如表1所示的焊條配方，使用三維混料機進行混合，時間分別取為15 min、30 min、45 min、60 min、75 min、90 min，焊接時采用平板對接焊。

2 試驗結果和分析

2.1 混合時間對粉末顆粒度的影響

混合過程中許多顆粒相互粘結形成二次顆粒，并結成團塊的現象稱為團聚。顆粒團聚會增大粒徑，是混合過程的主要特征。物料在混料機中，從最初的整體混合達到局部的混勻狀態。實際混合過程是偏析與混合反復交替進行的過程，往往是混合質量先達到一最高值，然后又下降而趨于平衡[2]。

高熱劑成分顆粒度對混合時間的變化如圖1所示，可以看出，混合時間延長，高熱劑成分整體顆粒度增加，當混合時間超過45 min時，顆粒度開始減小，然后趨向平衡。

表1 燃燒型焊條成分配比% Tab.1 Component proportion of the combustion rod

2.2 混合時間對燃燒速度的影響

圖1 不同混料時間下粉末顆粒分布柱狀圖Fig.1 Column diagram of the powder particle distribution with the change of the mixing time

研究發現，對于同一配方的焊條，當混合時間增加時，燃燒合成反應劇烈，產生熱量較大，焊條燃燒速度加快，焊接過程中的飛濺增大，焊接不易控制。焊條燃燒速度與混料時間的關系曲線如圖2所示，隨著混料時間的延長，焊接速度也在逐漸增加，而后逐漸降低。

圖2 燃燒速度與混料時間的關系Fig.2 Relation between the combustion velocity of the rod and the mixing time

分析認為：當混合時間延長時，粉末整體顆粒度變大，物料的顆粒范圍變寬，細顆粒(小于等于57μ m)仍占一定比例，填充于大顆粒之間的空隙中，CuO與Al粉顆粒之間的接觸面積較混料前增加，因此焊條的燃燒速度隨著混合時間的延長而加快，當混合時間較長時，混合質量趨于動態平衡，均勻度不會再提高，由于偏析現象的存在，CuO與Al粉顆粒之間的接觸面積有所減少，致使焊條的燃燒速度略有降低。

2.3 顯微組織觀察分析

焊縫平衡狀態下的組織為α+β雙相，白色為α固溶體，黑色為β相和由β相轉變成脆性β＇相[3]。焊接熱作用下，晶粒長大和快速冷卻使β 相主要分布在α晶界，形成過熱區的α+β網狀組織和熱影響區的棉絮狀組織。當配方中加錫改善潤濕性時，由于生成γ相(Cu5Sn)，在速冷的條件下會在焊縫的α枝晶間析出(α+γ)共析體。不同混料時間焊接接頭的金相組織如圖3所示。當混料時間為15 min時，粉末顆粒度大，焊縫組織粗大，焊接接頭力學性能降低；當混合時間大于30 min時，焊縫組織細化、趨于均勻，α相、β相均勻分布，不易產生裂紋、縮孔(松)、氣孔等缺陷，提高了焊接接頭的力學性能。

圖3 不同混料時間焊接接頭的顯微組織(100×)Fig.3 Microstructure of the welded joint with the change of the mixing time(100×)

2.4 力學性能分析

焊接接頭的力學性能與組織特征之間有很好的對應關系，具體表現在：材料的強度、塑性等主要力學性能與組織中β＇相的相對量分布和形貌密切相關。β＇相減少、分散度增加將有效地提高材料的塑性，屈服強度降低，抗拉強度變化不大。混料時間與焊接接頭抗拉強度的關系曲線如圖4所示。由圖可知，隨著混料時間的延長，焊接接頭的抗拉強度也隨之增大，但由于焊縫組織脆性β＇相與α相的結合界面增多，易萌生裂紋、縮孔、氣孔等缺陷，因此當混料時間繼續延長，抗拉強度反而降低。當混合時間為45 min時抗拉強度最高，可達500 MPa。混料時間與焊接接頭沖擊韌性的關系曲線如圖5所示，當混合時間為45～60min時，沖擊韌性有所下降，說明焊接接頭存在著裂紋、縮孔等缺陷，但為60～90 min時，沖擊韌性又有所增加，說明此時焊接缺陷較少。

圖4 混料時間與焊接接頭抗拉強度的關系曲線Fig.4 Relation between the mixing time and the tensile strength of the welded joint

圖5 混料時間與焊接接頭沖擊韌性的關系Fig.5 Relation between the mixing time and the impact toughness of the welded joint

從不同混合時間對手工自蔓延焊接過程及焊接接頭的組織力學性能分析中可以得出，當混合時間為30～45 min時，燃燒型焊條可控性較好，焊接質量較高。

3 結論

焊接接頭的性能是在各個工藝參數控制下焊接的一個綜合結果，只有選擇合適的焊接工藝參數，焊接接頭才能獲得最佳的力學性能。合理選擇工藝參數是繼配方優化后實現手工自蔓延焊接關鍵的一步，直接關系到焊接過程的可控性、焊縫合金和焊渣的組成以及最終的焊接質量。當前研究的焊藥混合時間就是燃燒型焊條成形工藝參數中的一種，系統地研究在平板對接焊時混合時間與顆粒團聚的關系、與燃燒速度的關系、不同混料時間下粉末顆粒分布情況，并且通過金相顯微鏡觀察了α+β+ β＇相的分布情況，分析β＇相的存在對焊縫組織成分及力學性能的影響，為在實際應用中針對不同型號銅板制定相應的手工自蔓延焊接工藝規范提供了參考。

[1]辛文彤，馬世寧，張保元，等.元素W對手工自蔓延焊接接頭組織性能的影響[J].熱加工工藝，2008，37(13)：9-10.

[2]李志尊，辛文彤，武 斌，等.高熱劑對低碳鋼手工自蔓延焊接的影響[J].焊接學報，2007，28(2)：79-81.

[3]郭 鋒，康補曉.H62黃銅宏觀力學性能與組織特征變化的關系[J].特種鑄造及有色合金，2000(4)：7-9.

Effect of the powder mixing time on copper and copper alloy's manual SHS welding

QU Li-feng，XIN Wen-tong，WU Yong-sheng，WANG Sen
(Institute of Advanced Materials，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

Copper and copper alloy's manual SHS welding is a new emergency welding technology，which is based on self-propagating high-temperature synthesis(SHS)theory and manual arc welding technique of copper and copper alloy.The quality control and mechanical properties of the weld joint were affected greatly by the welding rod forming technological parameter，of which powder mixing time is one of the important elements.The paper studies the relation between the grain aggregation and the mixing time，the powder particle distribution with the change of the mixing time and the relation between the combustion velocity of the rod and the mixing time.Distribution situation of Phase α+β+β＇were observed through the metallographic microscope，then the effect of the phase β＇on the structure and mechanical properties were analyzed.The conclusion was that when the power's mixing time was between 30 and 45 minutes，the combustion speed of the weld rod was under control，it has good mechanical properties，grain refinement，uniform distribution and better weld quality.

copper and copper alloy's manual SHS welding technology；mixing time；powder particle distribution；mechanical properties

TG456

A

1001-2303(2011)10-0006-04

2011-07-21

曲利峰(1986—)，男，河北懷安人，在讀碩士，主要從事自蔓延焊接開發與應用方面的研究工作。