焊接溫度對銅合金T型接頭斷裂失效影響分析

曾美揚　李儒彬　湯芳　段永華

摘要：銅合金作為導電用材料，在焊接過程中由于產品結構特點，不可避免地采用T型搭接接頭形式，該接頭形式在動載作用下，接頭拐角熱影響區容易發生疲勞斷裂。采用電阻釬焊方法，從焊接接頭斷口顯微分析、組織形貌、硬度測量等方面，分析焊接接頭斷裂原因，發現焊接溫度過高、高溫停留時間過長會使得接頭受熱區組織粗大，粗大的熱影響區組織會使焊接接頭軟化，降低屈服強度等機械性能，焊接接頭在動載及交變溫度場的反復作用下，會造成焊接接頭疲勞斷裂失效，因此控制焊接溫度和高溫處焊接時間是保證焊接接頭質量的重要手段。

關鍵詞：T型接頭;焊接溫度;影響分析

中圖分類號：TG457.13 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）02-0103-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.21

0 前言

銅及其合金的焊接是電器產品制造的特殊工序，其焊接質量的好壞直接影響產品質量和使用壽命，焊接時一般采用Ⅰ型、T型搭接接頭形式。由于銅合金T型搭接接頭形式一般會在接頭根部位置產生應力集中，設計者盡量避免采用，但是由于產品結構特點，T型搭接接頭形式有時不可避免，焊接接頭質量的控制成為制造者的關注焦點。T型搭接接頭斷裂通常發生在T型接頭導線根部，斷口為疲勞斷口，斷裂失效既與運行過程中的產品振動、導電熱循環有關，也與焊接過程中引線焊接區和熱影響區晶粒長大，塑性、硬度和強度下降有關。因此，研究銅及其合金在釬焊[1]過程中焊接溫度對焊接接頭性能的影響并控制焊接溫度，避免接頭熱影響區組織粗大非常必要。

1 焊接接頭形式

銅導線焊接接頭T型搭接形式如圖1所示，由于在接頭拐角處存在應力集中，在動載及交變溫度場聯合作用下，該處容易發生多次反復擺動而引起疲勞失效，斷裂位置通常在T型接頭的導線根部，如圖2所示。

2 試樣斷口形貌

采用清洗液將斷裂試樣清理干凈后，采用微觀顯微鏡觀察斷口形貌，發現斷口特征為疲勞斷口，疲勞回紋較為清晰，如圖3中箭頭所示。

進一步觀察斷口組織特征，焊接區域及熱影響區組織粗大，非熱影響區組織與母材保持一致。由此可見，過高的焊接溫度及較長的焊接時間會造成接頭組織粗大，而粗大的組織導致焊接接頭機械性能降低，造成焊接接頭失效。

3 模擬產品試樣焊接方法選擇

銅合金的釬焊性能良好，常采用火焰釬焊、感應釬焊、電阻釬焊等方法[2]。由于火焰釬焊、感應釬焊對溫度采集存在一定困難，為探究焊接熱循環對銅母材組織的影響程度，試驗采用電阻釬焊模擬焊接T型接頭，同時監測焊接溫度[3]，由于電阻釬焊的焊接周期很短，溫度變化很快，溫度測量采用四通道溫度采集系統，主要采集焊縫中心區、熱影響區等影響接頭性能區域的溫度，焊接試件如圖4所示，焊接接頭中心點、熱影響區熱循環曲線如圖5所示。

4 焊接溫度導致斷裂失效原因分析

為模擬焊接過程中溫度對導線機械性能的影響，選擇未焊接的銅導線研究其在不同溫度退火后的機械性能與退火溫度的對應關系。首先對銅導線分別進行900 ℃、850 ℃、800 ℃、750 ℃、700 ℃、650 ℃、600 ℃、550 ℃、400 ℃退火，且高溫保溫20 min并采用空冷方式獲得試件，退火后觀察金相組織，測試硬度和抗拉強度。結果表明，銅導線在未退火情況下，抗拉強度為240 MPa;退火溫度低于650 ℃時，抗拉強度基本大于220 MPa;退火溫度超過750 ℃時，抗拉強度低于200 MPa，且隨退火溫度的上升抗拉強度不斷下降。

微觀金相檢驗如圖6所示。可以看出，隨著溫度的提升，組織越來越粗大[4]，導線軟化，硬度值隨退火溫度的升高而降低。

基于模擬實驗對實際焊接接頭進行焊接，并對其進行微觀檢驗和硬度測量，比較接頭焊接區與非受熱區的晶粒大小，如圖7所示。導線焊后焊接區域平均晶粒尺寸約為80 μm，可以明顯看出，經歷焊接熱循環后，導線組織完成了較為充分的再結晶，晶界較為清晰完整。引線的非受熱區平均晶粒尺寸小于20 μm。通常銅的再結晶溫度區間為450～650 ℃，再結晶后，塑性變形造成的晶體缺陷和破碎晶粒大部分消失，形成完整的大角度晶界，溫度繼續升高，晶粒開始明顯長大，影響其長大的最主要因素是溫度，其次是高溫停留時間。

T型搭接接頭在電阻釬焊后，焊接區晶粒尺寸最大，其長大程度約為未受熱影響區晶粒尺寸的3～4倍，按Hall-Petch關系，多晶材料的室溫屈服極限隨晶粒尺寸的增加而降低，因此，焊接接頭焊接區和熱影響區均發生了軟化。為驗證接頭及熱影響區的軟化程度，測量焊接接頭焊接區和熱影響區及母材硬度，焊接區硬度為50～60 HV，熱影響區硬度從靠近焊縫至母材方向，硬度值由60 HV升至接近母材硬度值86 HV。可以看出，焊縫區和熱影響區硬度值比非熱影響區下降明顯，屈服極限也必然下降。

綜上可知，對于微線規銅導線的焊接，由于焊接區域空間狹小，無法通過測溫系統控制焊接溫度，只能通過操作人員目測控制焊接溫度，存在溫度過高的現象。過高的焊接溫度會造成導線軟化、組織晶粒粗大、硬度降低、機械性能下降，特別是對于T型導線接頭，在交變載荷和溫度場的反復作用下，容易發生疲勞斷裂[5]。為避免焊接溫度對接頭質量的影響，在焊接操作過程中須對焊接溫度和高溫停留時間進行有效的控制。

參考文獻：

[1] 美國金屬學會[美].金屬手冊（第九版，第六卷）[M]. 1994.

[2] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊（第3卷 焊接方法及設備）[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3] 國際機械工程先進技術譯叢. 先進焊接方法與技術[M].北京：機械工業出版社，2010.

[4] 國家職業資格培訓教程. ?焊工[M]. 北京：中國勞動社會保障出版社，2002 .

[5] 陳祝年. 焊接工程師手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2002.