銅鎢合金與低碳鋼焊接組織與焊接性能實驗研究

韓會秋 賈立強 王博 趙弟

摘 要：本文研討銅鎢合金與低碳鋼的焊接組織與性能，以實驗入手，分析相應(yīng)指標(biāo)，結(jié)果表明拉伸試驗中，焊接接頭僅經(jīng)彈性變形和極短的塑性變形后被拉斷，斷口位于銅鎢合金熔合區(qū)，強度和塑性較低。小孔和大空隙會降低焊接接頭的強度，并導(dǎo)致沿晶斷裂。

關(guān)鍵詞：銅鎢合金;低碳鋼;焊接組織;性能

銅鎢合金與鋼支撐夾具的連接方法通常是通過螺釘和鉚釘連接，這種連接方式會導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)降低，不利于銅鎢合金的散熱[1]。焊接方法可以克服這個缺點。正確選擇焊接方法和焊接參數(shù)，可使低碳鋼和銅鎢合金的焊接接頭強度達到低碳鋼母材的強度，當(dāng)焊縫金屬純度高時，導(dǎo)熱系數(shù)可達母材的90%～95%。

1 實驗所需器材

采用尼康金相顯微鏡（EPIPHOT-200）觀察分析了焊縫和熱影響區(qū)微觀組織，采用電子萬能材料試驗機（RGM-50）測量了焊接接頭的抗拉強度，采用維氏顯微硬度計測量了焊接接頭各區(qū)域的硬度。斷裂機理分析，選用VEGA-3掃描電鏡（捷克TESCAN公司生產(chǎn)提供）。W- cu合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為20Cu，平衡量為W;Q195的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）≤0.12 C，≤0.50 Mn，≤0.30 Si，≤0.040 S，≤0.035 P，平衡為Fe。以Cu-W合金與Q195低碳鋼為焊接對象，采用WS-250型逆變氬弧焊機進行對接焊接。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 顯微組織

2.1.1 焊縫

焊縫是銅鎢合金與鋼發(fā)生復(fù)雜冶金反應(yīng)的場所，鎢合金的優(yōu)點結(jié)合金屬鎢和銅、高熔點、密度高、良好的電和熱導(dǎo)率，耐高溫、耐電弧燒蝕。通過分析下圖可得知，黑色顆粒狀兩相固溶體（ε+α）均勻分布在F基體中，析出相λ（金屬間化合物Fe2W）以非常細小的顆粒分布在F基體中，在圖中幾乎無法區(qū)分。微觀組織如圖1A所示。其結(jié)構(gòu)為F+ （ε-α） +λ，其中F為鐵氧體，λ- Fe2W為金屬間化合物，（ε-α）為粒狀兩相固溶體，ε為Fe在銅中的固溶體，α為Cu在鐵中的固溶體。

焊接加熱形成熔池時，熔池溫度超過低碳鋼的熔點，可達1800～ 2000 ℃。這時，低碳鋼已經(jīng)完全熔化成液體。由于良好的導(dǎo)熱性，只有焊縫熔合線附近的少量銅熔化到熔池中[2]。部分鎢通過高溫液相溶解并擴散到熔池中。焊縫以Fe為主，殘留少量銅和極少量鎢。通過銅-鐵、鐵-鎢、銅-鎢二元相圖分析，我們可以知道：銅-鐵合金在高溫（高于1500 ℃）下，由于銅、鐵的原子半徑、晶體類型、晶格常數(shù)、原子外層電子數(shù)比較接近，在液相中可以相互形成液體無限溶液;鎢含量小于10%的鐵鎢合金在高溫（高于1538 ℃）下可形成互溶性有限的液體;在高溫（高于1500℃）下，鎢顆粒在液相（銅相）內(nèi)難溶解，溶解度隨著溫度升高，逐步增加。

焊接后，合金的液態(tài)金屬在焊縫處凝結(jié)結(jié)晶形成固體。同樣，室溫下的結(jié)構(gòu)可由二元相圖確定：Fe結(jié)晶形成F， Cu-Fe液態(tài)合金在冷卻過程中結(jié)晶形成含Cu的γ相。γ相在857℃發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成一個（ε+α）兩相固溶體，該固溶體以黑色顆粒（圖2a中的黑色顆粒）的形式均勻分布在F基體上。當(dāng)W冷卻到1060℃時，形成λ相（Fe2W）， λ相以粒子的形式均勻分布在F基體中。低碳鋼熔化區(qū)組織如圖2b所示。從圖中可以看出，鋼基體與焊縫之間的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻模缚p和熔合區(qū)存在黑色粒狀（ε+α）兩相固溶體，并均勻分布，而鋼基體完全由F組成。

2.2 維氏顯微硬度

采用維氏顯微硬度計對Cu-W合金與低碳鋼焊接試樣的硬度值進行測量，將測量結(jié)果繪制成焊縫及熱影響區(qū)硬度分布曲線，如圖3所示。各點位置：正火區(qū)（圖3中位置13～15）、焊接熔合區(qū)（圖3中的4～6點）、過熱區(qū)（圖3中的11～13點）、焊縫區(qū)（圖3中的7～10點）。

結(jié)果表明，正火區(qū)正火區(qū)晶粒細小，硬度適中;焊接熔合區(qū)少量的Fe原子通過高溫擴散到銅鎢合金中，然后與溶解在Cu相中的W結(jié)合，形成金屬間化合物λ相（Fe2W）。λ相彌散強化提高了銅鎢合金的硬度，使熔合線處硬度值達到最大值;過熱區(qū)組織為魏氏體，硬度值較高;焊縫區(qū)勻分布著（ε+α）兩相固溶體和λ相的鐵素體基體組織，由于（ε+α）和λ的擴散強化作用，焊縫強度、硬度增加（與低碳鋼相比），塑性略有下降。

2.3 拉伸試驗

試樣的拉伸試驗只經(jīng)歷了初始彈性變形階段和很短的塑性變形階段，然后就發(fā)生了斷裂。斷口位于銅鎢合金焊縫熔斷線處，強度和塑性較低，可滿足高壓開關(guān)、斷路器等電氣設(shè)備的力學(xué)性能要求。銅鎢合金與低碳鋼焊接后的靜態(tài)抗拉強度為110 MPa，斷后伸長率為5.4%。

2.4 斷口分析

孔隙和空隙作為微裂紋，大大降低了材料的強度，同時熔合線的位置是硬度值最大的地方，因此發(fā)生開裂和晶間脆性斷裂。在銅鎢合金的熔合線處，由于焊接加熱時液態(tài)Cu向焊縫流動，W粒子重新排列，導(dǎo)致銅鎢合金的氣孔不易被填充，形成大量的小氣孔和個別的大孔。斷口為典型的脆性斷裂，W顆粒排列整齊，沿晶斷裂，斷口上有許多小孔和一些粗大的空洞。部分消除或改善銅鎢合金焊縫熔合線處的細小氣孔和粗大孔洞，使合金的強度和塑性大大提高。

3 結(jié)束語

綜上所述，黑色顆粒狀（ε+α）兩相固溶體均勻分布在F基體上，提高了焊縫的強度和硬度。ε為Fe在銅中的固溶相，α為Cu在鐵中的固溶相。銅鎢合金與低碳鋼焊接接頭的焊縫組織為F+ （ε+α） +λ，其中F為鐵素體，λ （Fe2W）為金屬間化合物，（ε+α）為粒狀兩相固溶體。銅鎢合金是一種兩相結(jié)構(gòu)假合金，采用粉末冶金方法制備。它具有組織均勻、耐高溫、耐電弧燒蝕的特點，廣泛應(yīng)用于航天、航空、電力、冶金等行業(yè)。本文分析測試銅鎢合金與低碳鋼的焊接組織與性能，研究結(jié)果認為焊縫組織為F+（ε+α）+λ，其中F為鐵素體，λ（Fe2W）為金屬間化合物，（ε+α）為粒狀兩相固溶體。（ε+α）兩相固溶體和λ相彌散強化作用，提高了焊縫和熔合區(qū)的強度和硬度。

參考文獻：

[1]代野，李忠盛，戴明輝，陳大軍，李曉暉.鎢銅合金與銅擴散連接界面結(jié)構(gòu)及性能研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2020，41（10）：170-173.

[2]劉偉，曹吉祥，張瑜.熔融制樣-X射線熒光光譜法測定鎢鐵合金中硅錳磷銅鎢[J].冶金分析，2019，39（02）：46-50.

[3]王顏明，張然.高壓電器開關(guān)觸頭銅鎢合金電弧侵蝕試驗研究[J].鑄造技術(shù)，2018，39（10）：2217-2219.

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