紫銅和低碳鋼異種材料焊接工藝研究

上官蕓娟

（常州大學(xué)懷德學(xué)院，江蘇 靖江 214513）

銅合金和鋼都是生產(chǎn)中常用的材料，銅合金由于其優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是為了節(jié)約成本，生產(chǎn)中常常只是在關(guān)鍵部位采用銅合金，而其他部位則采用價(jià)格相對(duì)低廉的鋼材料。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)柱塞泵柱塞采用錫青銅與合金鋼異種金屬連接而成[1]。銅合金和鋼連接，可以充分利用鋼的強(qiáng)度和銅的高導(dǎo)電、高熱導(dǎo)的特性，也可以降低成本。所以，銅合金與鋼之間的焊接顯得尤為重要。

本文主要研究紫銅和鋼在TIG氬弧釬焊的焊接工藝，分析其接頭的組織成分特點(diǎn)，研究接頭的力學(xué)性能，找到相對(duì)合適的焊接工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)材料為紫銅（T2）與低碳鋼（Q235），試件尺寸：400×150×3mm3，接頭形式采用對(duì)接。焊接時(shí)采用φ3mm的HS201焊絲，使用Panosonic焊機(jī)進(jìn)行TIG焊，分別采用焊接電流140A（不預(yù)熱）、140A預(yù)熱400℃及180A進(jìn)行焊接。開V型不對(duì)稱坡口（鋼側(cè)40゜坡口，銅側(cè)30゜坡口），短弧焊接，斜“之“字形運(yùn)條方法。焊后沿焊縫橫截面方向截取金相、拉伸與彎曲試樣，采用不同的腐蝕液腐蝕接頭的不同部位進(jìn)行金相組織觀察和分析。彎曲試樣打磨余高，每試驗(yàn)組工件取三組拉伸和彎曲試樣。試樣拉斷后，每試驗(yàn)組取一斷口，分析斷裂機(jī)制。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 接頭顯微組織分析

圖1為接頭宏觀圖片，從圖中可以看出，140A和140A預(yù)熱工藝條件下，鋼側(cè)為釬焊接頭，鋼在焊接過(guò)程中未熔化；在180A電流的工藝條件下，鋼側(cè)母材近縫處的表層部分熔化，但是在焊縫根部由于熱量不足并未熔化。三種焊接電流下銅側(cè)母材在焊接過(guò)程中均熔化，形成了良好的熔焊接頭。

圖1 接頭宏觀照片

2.1.1 銅側(cè)及焊縫組織分析

三種焊接參數(shù)下銅側(cè)均實(shí)現(xiàn)了熔焊，以焊接電流為140A不進(jìn)行預(yù)熱的接頭為例進(jìn)行分析，如圖2所示。從2a)可以看出，銅側(cè)熱影響區(qū)晶粒明顯粗大。在熔合線處，晶粒處于半熔化狀態(tài)，在凝固過(guò)程中，晶粒通過(guò)聯(lián)生結(jié)晶的方式向焊縫中生長(zhǎng)，同時(shí)觀察熔合線兩側(cè)晶粒特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，在焊縫中的晶粒存在一定的偏析。圖2b）為焊縫中晶粒照片，可以看出焊縫中的晶粒粗大，在同一晶粒中存在合金元素的偏析。由于在這個(gè)工藝條件下鋼側(cè)未熔化，所以焊縫中的組織比較簡(jiǎn)單，基本為銅的α固溶體。

圖2 焊縫顯微組織

2.1.2 鋼側(cè)顯微組織分析

圖3 180A電流鋼側(cè)顯微組織

圖3為180A電流不預(yù)熱工藝條件下鋼側(cè)顯微組織。在此工藝條件下，只在鋼表層有少量的熔化，大部分區(qū)域鋼母材都未熔化。圖中可以明顯看到枝晶狀和球狀析出物，對(duì)該部位進(jìn)行成分分析，如圖3中1所示位置，析出的樹枝晶成分為80.72%的Fe元素和19.28%的Cu元素，同時(shí)在焊縫中也觀察到了球狀的析出物，如圖中2位置處，為76.63%的Fe元素和23.37%的Cu元素。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，是鋼發(fā)生熔化后，F(xiàn)e元素大量浸入焊縫，在局部達(dá)到飽和、過(guò)飽和冷卻過(guò)程中，由于溶解度下降，F(xiàn)e元素析出，形成圖中的樹枝狀，由于焊接熱過(guò)程短，有部分Fe未溶解在焊縫中，則形成銅的鐵固溶體，保持球形[2]。圖3-2b)為同一工藝條件下鋼未發(fā)生熔化的區(qū)域，在界面處存在一塊較黑的區(qū)域，對(duì)此區(qū)域進(jìn)行成分分析，如圖3中3所示位置，成分為64.14%的Fe元素和19.93%的Cu元素，形成該界面的原因是，在未熔化的界面Fe元素主要通過(guò)溶解進(jìn)入焊縫，由于Fe元素向焊縫中發(fā)生擴(kuò)散，形成Fe的固溶體。從圖中還可以看出，Cu元素向Fe的固溶體區(qū)域發(fā)生滲透。

圖4為140A電流預(yù)熱和140A電流不預(yù)熱兩種工藝條件下，鋼側(cè)界面金相組織形貌。對(duì)比可以看出，在相同電流下，采用預(yù)熱工藝后，鋼側(cè)Fe元素向焊縫中溶解明顯增強(qiáng)，在4a)圖中可以明顯看到由于Fe向焊縫中擴(kuò)散而形成的泛鐵層，而在4b)中，鋼與焊縫界面明顯，說(shuō)明Fe元素?cái)U(kuò)散很少。

圖4 不同工藝條件下鋼側(cè)界面照片

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

表1為不同工藝條件下接頭抗拉強(qiáng)度值，可以看出，預(yù)熱條件下的焊接接頭抗拉強(qiáng)度要優(yōu)于不預(yù)熱焊接，增大焊接電流，接頭的抗拉力學(xué)性能同樣得到改善，增加預(yù)熱工藝可以在較小電流條件下獲得大電流焊接接頭的力學(xué)性能。三組試樣斷口都在銅側(cè)母材上，觀察其宏觀斷口，可以發(fā)現(xiàn)有明顯的剪切唇和滑移線。斷口形貌如圖5所示，三種參數(shù)下的斷口均存在韌窩，說(shuō)明了斷裂屬于延性斷裂，但預(yù)熱試樣韌窩數(shù)量多且大小均勻，韌性更好。在彎曲過(guò)程中，試件被彎處由焊縫向銅側(cè)滑移。彎曲結(jié)果顯示，接頭的塑性良好，在彎曲過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)裂紋。

表1 不同工藝條件下拉伸力學(xué)性能（強(qiáng)度單位：MPa）

圖5 斷口照片

3 結(jié)論

①通過(guò)試驗(yàn)論證，使用HS201焊絲進(jìn)行氬弧釬焊紫銅和Q235鋼可以得到質(zhì)量良好的焊接接頭，具有較高的抗拉強(qiáng)度和好的塑性。②通過(guò)對(duì)焊接接頭的金相觀察和成分分析，在焊縫中發(fā)現(xiàn)了鐵固溶體，并且固溶體在焊縫中有多種存在形式。③預(yù)熱條件下的焊接接頭力學(xué)性能要優(yōu)于不預(yù)熱焊接接頭，增大焊接電流，接頭的力學(xué)性能同樣得到改善。增加預(yù)熱工藝可以在較小電流條件下獲得大電流焊接接頭的力學(xué)性能。

[1]韓彩霞,張柯柯,楊蘊(yùn)林,徐東.鋼與銅及銅合金的焊接研究現(xiàn)狀,熱加工工藝,2003,（6）：53-55.

[2]王海濤,孫清潔,楊春利,呂世雄.熱絲冷體TIG堆焊中的HS201焊絲潤(rùn)濕鋪展研究,焊接,2008,（12）：40-42.