20鋼- 鋁青銅焊接接頭的顯微組織和硬度

施睿贇 丁 凱 呂堂祺 李曉虹 張元恒 高玉來

(1.上海船舶設備研究所，上海 200031； 2.上海大學先進凝固技術中心，上海 200444；3.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

焊接技術已廣泛應用于航空航天、造船、汽車及機械制造等諸多現代工業領域[1- 2]。近年來，異種材料的焊接也已在制造業得到了應用[3- 4]。異種材料的焊接能在充分發揮不同材料的性能優勢、滿足零件使用要求的同時顯著降低生產成本。

銅和銅合金具有優異的導電、導熱性能等，應用十分廣泛。但是在很多情況下，單一的銅和銅合金難以滿足結構件的強度要求。將銅或銅合金與鋼焊接，既可滿足強度要求，又兼具優良的導電性、導熱性、耐蝕性和潤滑性等。但是，銅和銅合金與鋼在熱導率、熔點等物化性能方面存在顯著差異，易導致其焊接接頭出現組織不均勻等焊接缺陷[5]。Magnabosco等采用電子束工藝焊接銅和不銹鋼，結果，焊接接頭中出現氣孔和微裂紋等焊接缺陷[6]。Mai等[7]研究了銅與工具鋼的激光焊接接頭的顯微組織，發現鋼側熱影響區存在由于滲銅導致的熱裂紋。Tosto等[8]研究了采用電子束技術焊接的銅- 不銹鋼焊接件的顯微組織，結果表明:焊接接頭中雖未發現氣孔和微裂紋等焊接缺陷，但組織不穩定。因此，有必要研究銅或銅合金與鋼的焊接接頭各特征區的顯微組織，以探索對銅或銅合金與鋼進行焊接的可行性。

本文采用手工鎢極氬弧焊對20鋼和鋁青銅進行焊接，采用光學顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)檢測焊接接頭特征區的顯微組織，并測定焊接接頭的顯微硬度分布，根據檢測結果判斷特征區的寬度。

1 試驗材料與方法

試驗用20鋼和鋁青銅及S214焊絲的化學成分列于表1、表2。焊接工藝為手工鎢極氬弧焊。

表1 試驗用20鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the tested 20 steel (mass fraction ) %

表2 試驗用鋁青銅和焊絲的化學成分(質量分數)Table 2 Chemical compositions of the tested albronze and welding wire (mass fraction) %

2 結果與討論

2.1 顯微組織

20鋼- 鋁青銅焊接接頭的全貌如圖1所示。從圖1可以看出，該焊接接頭有5個特征區，分別為20鋼母材、20鋼側熱影響區、焊縫、鋁青銅側熱影響區和鋁青銅母材。在光學顯微鏡下無法分辨鋁青銅側熱影響區和鋁青銅母材，焊縫區有明顯的泛鐵現象。

局部放大的20鋼側母材及熱影響區組織如圖2所示。從圖2(a)和圖2(b)可以看出，20鋼母材組織為鐵素體和珠光體，珠光體呈條帶狀。珠光體和鐵素體的SEM二次電子圖像如圖2(b)中小圖所示，可清晰地看到層片狀珠光體及其周圍的鐵素體。20鋼熱影響區的組織如圖2(c)和2(d)所示，為貝氏體。

圖1 20鋼- 鋁青銅焊接接頭截面的全貌Fig.1 Overall view of cross- section of the welded joint of 20 steel and albronze

圖2 20鋼側母材(a,b)和熱影響區(c,d)的顯微組織Fig.2 Microstructures of base metal (a, b) and HAZ (c, d) of 20 steel side in the welded joint

20鋼- 鋁青銅焊接接頭焊縫區的顯微組織如圖3所示，主要為α- Cu，還有樹枝晶組織，能譜Mapping模式測試結果顯示該樹枝晶為富鐵區，如圖4所示。這是在焊接20鋼和鋁青銅的過程中，熔化的20鋼進入熔池，隨后快速冷卻時形成的鐵基樹枝晶。

圖3 20鋼- 鋁青銅焊接接頭焊縫區的顯微組織Fig.3 Microstructures of weld in the welded joint of 20 steel and albronze

圖4 20鋼- 鋁青銅焊接接頭焊縫區的鐵基樹枝晶(a)和銅(b)、鋁(c)及鐵(d)元素的分布Fig.4 Iron- base dendrites(a) and distributions of elements such as copper (b), aluminum (c) and iron (d) in weld of the welded joint of 20 steel and albronze

圖5為20鋼- 鋁青銅焊接接頭熔合線附近的顯微組織。從圖5(a)可以看出，靠近20鋼熔合線的焊縫有較嚴重的泛鐵現象。如圖5(b)所示，靠近熔合線的泛鐵帶主要由含鐵量較高的塊狀核心和周圍的鐵基樹枝晶組成。同時，20鋼側熔合線附近區域有焊接缺陷，圖5(c)和圖5(d)分別為腐蝕前、后焊接缺陷的形貌，據此可以判定20鋼側熔合線處形狀不規則的黑色區域為焊接缺陷，并非化學腐蝕所致。

靠近20鋼側熔合線的熱影響區有白亮色條狀組織，對其進行了能譜Mapping表征，結果如圖6所示。從圖6可以看出，金相顯微鏡下觀察到的靠近20鋼熔合線的熱影響區的白亮色條狀組織為滲銅、滲鋁區。

本文采用手工鎢極氬弧焊工藝焊接20鋼和鋁青銅，鎢極氬弧焊的焊接熱輸入較大[9- 10]，手工焊接不夠穩定，焊接過程中局部熱輸入過大是造成焊接接頭中產生過焊鐵、銅熔入和泛鐵現象的主要原因。同時，室溫下，20鋼的熱導率為45.26 W/(m·K)[11]，鋁青銅的熱導率為71.01 W/(m·K)[12]，鋁青銅在焊接過程中導熱較快，易出現因熱輸入不足而導致的焊不足缺陷。

2.2 顯微硬度

圖7為20鋼- 鋁青銅焊接接頭的顯微硬度分布。圖7表明，焊縫的硬度為150 HV0.2，由于受焊接熱影響，20鋼側熱影響區的硬度為170～220 HV0.2，熱影響區寬度大致為1.2 mm。母材20鋼的硬度為180 HV0.2。

3 結論

(1)20鋼- 鋁青銅焊接接頭有5個特征區，母材鋁青銅、鋁青銅側熱影響區及其焊縫區的組織為α- Cu，20鋼側熱影響區組織為貝氏體，母材20鋼組織為珠光體和鐵素體。焊縫區的硬度約為150 HV0.2，母材20鋼的硬度約為180 HV0.2，20鋼側熱影響區硬度有波動，為170～220 HV0.2。

(2)20鋼- 鋁青銅焊接接頭中鋁青銅側熔合線處結合緊密，未發現焊接缺陷和不均勻組織，焊縫區有較嚴重的泛鐵現象，20鋼側熔合線處有焊接缺陷和滲銅、滲鋁現象。手工鎢極氬弧焊焊接熱輸入較大和焊接過程不穩定是造成20鋼- 鋁青銅焊接接頭中產生缺陷的主要原因。

圖5 20鋼- 鋁青銅焊接接頭熔合線附近的顯微組織(a,b)、未腐蝕(c)和腐蝕(d)的鄰近熔合線的焊接缺陷Fig.5 Microstructures in region adjacent to the fusion line (a,b) and welding defects before (c) and after (d) being etched in the welded joint of 20 steel and albronze

圖6 20鋼- 鋁青銅焊接接頭中滲銅、滲鋁區的微觀組織(a)和銅(b)、鋁(c)和鐵(d)元素的分布Fig.6 Microstructures in copper- and aluminum- infiltrated zone (a) and distributions of elements such as copper (b), aluminum (c) and iron(d) in the welded joint of 20 steel and albronze

圖7 20鋼- 鋁青銅焊接接頭的硬度分布Fig.7 Microhardness distribution in the welded joint of 20 steel and albronze

(3)由于銅和鋼的熱導率有差異，20鋼- 鋁青銅焊接接頭靠近20鋼側熔合線處易形成未焊合、氣孔等焊接缺陷，手工焊接的不穩定易導致由于局部焊接熱輸入過大而產生過焊現象。因此，降低焊接熱輸入、提高焊接過程穩定性等可減少甚至消除20鋼- 鋁青銅焊接接頭中的焊接缺陷。