交流磁場輔助銅-鋼TIG填絲焊接頭組織和力學(xué)性能

王 龍，胡德安，鄒鵬遠(yuǎn)，熊震宇，陳益平，程東海

(1 南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063；2 南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于其低成本、輕量化和高性能等特點(diǎn)而被逐漸關(guān)注。銅合金作為被工業(yè)廣泛應(yīng)用的有色金屬材料，通常被用于制造導(dǎo)電部件和熱交換器等，然而其密度相對較高，且價格昂貴；而鋼鐵材料具有強(qiáng)度高、塑韌性好、成本低等優(yōu)勢，應(yīng)用最為廣泛。因此，采用T2紫銅與鋼鐵材料組成的銅-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件可兼具二者的優(yōu)良性能，并在銅鋼復(fù)合導(dǎo)電棒、電機(jī)轉(zhuǎn)子短路環(huán)、氧氣槍噴嘴、高壓氧氣管道阻火器、啤酒生產(chǎn)用糊化鍋和航空航天等方面具有較廣的應(yīng)用范圍，符合現(xiàn)代工業(yè)對材料輕量化、節(jié)能環(huán)保、低成本的需求[1]。

目前，異種材料較為常見的焊接方式主要有釬焊[2]、熔化焊[3-4]、熔釬焊[5]、攪拌摩擦焊[6]、壓焊[7]等。其中，TIG焊由于電弧穩(wěn)定，熱輸入可調(diào)節(jié)，可成功焊接易氧化和化學(xué)活潑性強(qiáng)的有色金屬及鋼鐵等材料。程東海等[8-9]對銅/鋼異種材料進(jìn)行等離子弧焊研究，得到了質(zhì)量較好的接頭，但發(fā)現(xiàn)其組織具有明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。而外加磁場由于其具有細(xì)化組織、提高接頭性能且設(shè)備簡單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[10-16]。其中，Chen等[14]通過對鋁/鋼外加磁場輔助激光焊接實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熔池中洛倫茲力和熱電磁力對焊縫組織影響較大，且添加磁場后接頭顯微硬度降低、抗拉強(qiáng)度提高。王小明[15]通過交變磁場輔助鎂鋼TIG熔釬焊和鋁鋼TIG熔釬焊研究發(fā)現(xiàn)，磁場改善了釬料在母材表面的潤濕性，并起到細(xì)化接頭組織、提高強(qiáng)度的作用。李軍兆[16]對鋁鈦異種金屬進(jìn)行磁場輔助MIG熔釬焊研究，結(jié)果表明外加縱向磁場后，焊接電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移，并存在一定程度的擴(kuò)張現(xiàn)象，同時焊縫成形和接頭的拉伸強(qiáng)度得到顯著改善。

由此可見，外加磁場輔助異種材料焊接可通過改變?nèi)鄢剡\(yùn)動和電弧旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到細(xì)化組織、提高接頭性能的目的。因此本工作通過添加交流磁場對銅-鋼異種材料進(jìn)行TIG填絲焊對接實(shí)驗(yàn)，主要研究磁場對接頭成型、接頭各區(qū)域微觀組織和力學(xué)性能的影響，并獲得最佳工藝參數(shù)，通過引入磁場改善銅-鋼TIG焊接頭的組織，提高接頭力學(xué)性能，以期為交流磁場輔助銅-鋼TIG焊接技術(shù)提供工藝參考和相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選用尺寸均為120 mm×60 mm×2 mm的T2紫銅板和Q235鋼板進(jìn)行對接實(shí)驗(yàn)，選用直徑為2.5 mm的HS201純銅焊絲。焊機(jī)采用WSM-315B型直流氬弧焊機(jī)，焊接過程中，用水冷焊槍及15 L/min的純氬氣進(jìn)行保護(hù)，電極采用直徑為2.0 mm的釷鎢極。在做外加磁場實(shí)驗(yàn)時，將勵磁線圈直接套在直柄焊槍上，焊槍與工作臺保持垂直。對勵磁線圈的磁場轉(zhuǎn)換頻率和磁場電流大小實(shí)現(xiàn)控制，進(jìn)而改變磁場頻率和磁場電流，采用基于單片機(jī)為控制核心的數(shù)控式外加磁場控制電源，其主要由主電路、控制電路構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。經(jīng)過前期預(yù)實(shí)驗(yàn)后，選定最佳焊接工藝參數(shù)為：焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min，選定磁場參數(shù)范圍在：磁場頻率f=10～50 Hz(每10 Hz為一個遞增單位)，磁場電流IE=0.2～1.0 A(每0.2 A為一個遞增單位)。將焊后得到的試樣，用線切割機(jī)沿垂直于焊縫方向截取，對其進(jìn)行鑲嵌、打磨和拋光。鋼側(cè)腐蝕液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液，腐蝕時間為10 s；銅側(cè)采用3 g FeCl3+2 mL HCl+95 mL乙醇溶液，腐蝕時間為60 s。腐蝕完后用清水沖洗，并用乙醇清理、吹干。采用光學(xué)顯微鏡(OM)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對接頭熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)、熔合區(qū)(fusion zone，F(xiàn)Z))和焊縫區(qū)(weld zone，WZ)進(jìn)行觀察，并用能譜儀(EDS)對各區(qū)域的相成分進(jìn)行測定。使用WDW-100型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對接頭進(jìn)行拉伸測試，拉伸速率為0.5 mm/min，每組參數(shù)拉伸3組試樣，求平均值后算出對應(yīng)抗拉強(qiáng)度，采用401MVD顯微維氏硬度計對試樣進(jìn)行硬度測量，載荷為1.96 N，加載時間為10 s，相鄰兩點(diǎn)間距為0.2 mm，沿直線由鋼母材向焊縫、銅母材處連續(xù)取點(diǎn)。

圖1 磁場輔助TIG焊接裝置(a)及拉伸試樣尺寸(b)Fig.1 Magnetic field assisted TIG welding device (a) and tensile specimen size (b)

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫外觀形貌

圖2為焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min時，無磁場和交流磁場時接頭的成形和截面形貌。由圖2(a-1)可以看出，未加磁場時焊縫整體成形較好，但局部未熔合，且有部分凹陷現(xiàn)象。當(dāng)磁場頻率f=30 Hz，磁場電流IE=0.4 A時，焊縫較為飽滿，其表面成形良好，且魚鱗紋明顯，如圖2(b-1)所示。對接頭的截面形貌觀察可知，接頭整體呈X形，但鋼側(cè)熔合線的彎曲曲率比銅側(cè)熔合線大，這是因?yàn)殂~板的熱導(dǎo)率較高，散熱相對較快，其熔化量較少；而鋼板散熱相對較慢，熱量無法快速流動使得鋼側(cè)熔化量多。為表述焊縫的成形質(zhì)量，取焊縫橫截面上部、束腰處、下部的熔寬之和的平均值，即為(B1+B2+B3)/3，測量方式如圖2(a-2)，(b-2)所示。可知添加交變磁場后的焊縫平均熔寬明顯增加，而這種平均熔寬相對較大的焊縫有利于焊接時氣孔逸出[17]，使得焊縫成形表現(xiàn)良好。

圖2 無磁場(a)和交流磁場(b)時接頭焊縫成形(1)和截面形貌(2)Fig.2 Joint forming (1) and section morphology (2) without magnetic field (a) and with alternating magnetic field (b)

2.2 微觀組織分析

圖3分別是焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min時有無交變磁場下接頭鋼側(cè)熱影響區(qū)、焊縫區(qū)和銅側(cè)熱影響區(qū)的組織。由圖3(a-1)，(a-2)可知，添加磁場后鋼側(cè)熱影響區(qū)組織由大塊狀鐵素體向小塊狀鐵素體轉(zhuǎn)化，并逐漸出現(xiàn)側(cè)板條狀和針狀鐵素體[18]。因?yàn)殡S著磁場的加入，此時磁場頻率和磁場電流匹配得當(dāng)，使得電弧存在一定程度的擴(kuò)張[16]，改變了接頭的熱循環(huán)使得鋼側(cè)熱影響區(qū)中的鐵素體發(fā)生細(xì)化，且隨著電弧的旋轉(zhuǎn)與擴(kuò)張，鋼側(cè)熱輸入面積增大，但熱輸入量不變，導(dǎo)致單位面積的熱輸入量下降，使得鐵素體形狀轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)板條狀和針狀鐵素體。由圖3(b-1),(b-2)可知，添加磁場后焊縫區(qū)組織由粗大的平面晶和包狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的包狀樹枝晶。這是由于磁場使得TIG電弧旋轉(zhuǎn)速度加快，電弧中心區(qū)域溫度梯度增大，同時電弧旋轉(zhuǎn)帶動熔池按正反方向規(guī)律性交替運(yùn)動，形成電磁攪拌作用，打斷焊縫處先長大的枝晶，進(jìn)而使得枝晶重熔，大量的枝晶被打斷形成晶核，使得晶粒細(xì)化，小顆粒狀組織細(xì)小、彌散地分布在晶界上，有利于提高焊接接頭的性能。由圖3(c-1),(c-2)明顯看出：添加磁場后銅側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)的平均晶粒明顯變得細(xì)小且數(shù)量增多。這是因?yàn)榇艌鲇绊懭鄢貎?nèi)液態(tài)金屬的流動，而液態(tài)金屬在熔池流動的過程中會不停地沖刷著熔池的邊界，進(jìn)而影響銅側(cè)熱影響區(qū)域，而且銅的導(dǎo)熱率相對較高，使得熱量散失加劇，致使晶粒的平均面積尺寸變小。綜上所述，縱向交變間歇磁場對接頭鋼側(cè)熱影響區(qū)、焊縫區(qū)和銅側(cè)熱影響區(qū)的組織均有不同程度的改變，其中鋼側(cè)熱影響區(qū)受電弧擴(kuò)張影響，鐵素體出現(xiàn)細(xì)化且其形態(tài)由大塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧詈蛡?cè)板條狀；焊縫區(qū)受電磁攪拌作用，其組織由胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪顦渲易兊眉?xì)密均勻；銅側(cè)熱影響區(qū)也有明顯的晶粒細(xì)化現(xiàn)象。

圖3 無磁場(1)及交流磁場(2)時接頭各區(qū)域組織(a)鋼側(cè)熱影響區(qū)；(b)焊縫區(qū)；(c)銅側(cè)熱影響區(qū)Fig.3 Microstructure of joints without magnetic field (1) and with alternating magnetic field (2) (a)steel side HAZ;(b)weld zone;(c)copper side HAZ

圖4分別為有無磁場下接頭熔合區(qū)和焊縫區(qū)SEM照片，表1為圖4中各點(diǎn)的EDS分析結(jié)果。從圖表及Cu-Fe二元相圖可知，添加磁場前后各點(diǎn)原子占比較為類似，則可推測磁場對接頭各區(qū)域相的種類無變化。A點(diǎn)處于鋼側(cè)熱影響區(qū)，F(xiàn)e原子分?jǐn)?shù)為80.21%，即可推測A點(diǎn)主要為α-Fe相；B～E點(diǎn)均位于熔合區(qū)，其中B點(diǎn)為黑色球狀組織，F(xiàn)e原子分?jǐn)?shù)為74.49%，則同樣為α-Fe；C點(diǎn)為灰白色的塊狀組織，Cu原子分?jǐn)?shù)為74.19%，與此相同的還有焊縫區(qū)中呈灰色片狀的1點(diǎn)，則可判定C點(diǎn)和1點(diǎn)均為銅基固溶體ε-Cu；D點(diǎn)為灰色枝晶狀且夾雜著的細(xì)小密集的黑色點(diǎn)狀組織，其中Fe原子分?jǐn)?shù)為40.91%，Cu原子分?jǐn)?shù)為45.25%，同樣存在類似分?jǐn)?shù)的還有E點(diǎn)和2點(diǎn)，則可推測其均為(α-Fe)+(ε-Cu)。綜上所述，添加磁場后，接頭熔合區(qū)和焊縫區(qū)的相的種類未發(fā)生變化，均由(α-Fe)+(ε-Cu)組成；熔合區(qū)的溶質(zhì)偏析現(xiàn)象得到改善，其(α-Fe)+(ε-Cu)顆粒由粗大狀的彌散分布轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小狀的聚集分布；焊縫組織明顯細(xì)化，其均勻性明顯提高。

表1 圖4中各點(diǎn)EDS分析結(jié)果Table 1 EDS analysis results of each point in fig.4

圖4 無磁場(1)與交流磁場(2)時熔合區(qū)和焊縫區(qū)SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of fusion zone (a) and weld zone (b) without magnetic field (1) and with alternating magnetic field (2)

2.3 力學(xué)性能分析

通過拉伸實(shí)驗(yàn)測試可知，無磁場時，當(dāng)焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min時接頭抗拉強(qiáng)度σbmax=154.7 MPa，且接頭大部分?jǐn)嗔言阢~側(cè)，對斷裂接頭的銅側(cè)熱影響區(qū)晶粒尺寸面積S測量可知，其均大于10000 μm2，表明銅側(cè)熱影響區(qū)的晶粒平均面積與接頭的抗拉強(qiáng)度關(guān)系密切。圖5為磁場電流IE和勵磁頻率f對接頭抗拉強(qiáng)度及銅側(cè)熱影響區(qū)晶粒平均面積的影響。由圖5(a)可知，當(dāng)f=30 Hz時，隨著磁場電流的增加，接頭抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)IE=0.4～0.6 A時，銅側(cè)熱影響區(qū)的晶粒均小于10000 μm2；接頭抗拉強(qiáng)度均大于210 MPa。這是因?yàn)樵诮涣鞔艌鲎饔孟氯鄢氐囊簯B(tài)金屬受到間歇式正反攪拌，使得接頭各區(qū)域內(nèi)部的晶粒細(xì)化，抗拉強(qiáng)度提高。隨著磁場電流繼續(xù)增加，接頭抗拉強(qiáng)度開始降低；當(dāng)磁場電流升至1.0 A時，接頭抗拉強(qiáng)度降至129.7 MPa，此時銅側(cè)熱影響區(qū)晶粒變得異常粗大，增至14359 μm2。這是由于磁場電流過大，使得TIG電弧擴(kuò)張對銅側(cè)熱影響區(qū)產(chǎn)生重要影響，同時伴隨著熔池內(nèi)的過強(qiáng)電磁攪拌作用，其晶粒變得粗大，使得強(qiáng)度較低。

圖5 交變磁場參數(shù)對接頭性能的影響(a)磁場電流對接頭抗拉強(qiáng)度的影響；(b)勵磁頻率對接頭抗拉強(qiáng)度的影響；(c)接頭界面顯微硬度分析Fig.5 Influence of alternating magnetic field parameters on joint performance(a)influence of excitation current on joint tensile strength;(b)influence of excitation frequency on joint tensile strength;(c)microhardness analysis of joint interface

由圖5(b)可知，當(dāng)IE=0.4 A時，隨著磁場頻率的增加，接頭抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)f=25～35 Hz時，銅側(cè)熱影響區(qū)的晶粒均小于10000 μm2；接頭抗拉強(qiáng)度均大于210 MPa。這是因?yàn)楫?dāng)磁場頻率開始增加時，配合此時的磁場電流，使得銅側(cè)熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫區(qū)的組織尺寸變得細(xì)小，接頭強(qiáng)度提高。而當(dāng)磁場頻率繼續(xù)增加時，抗拉強(qiáng)度開始降低。這是因?yàn)榇艌鲱l率過大會導(dǎo)致磁場方向變化較為頻繁，熔池中液態(tài)金屬發(fā)生紊流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致接頭的外觀形貌變差，并出現(xiàn)氣孔等缺陷；同時磁場頻率過大也會削弱電磁攪拌效應(yīng)，使得晶粒在組織形態(tài)上發(fā)生變化，即從最佳工藝參數(shù)時細(xì)小的聚集分布狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮膹浬⒎植紶顟B(tài)，最終晶粒尺寸變得粗大，接頭強(qiáng)度降低。同時對比圖5(a)，(b)可知，磁場電流對接頭抗拉強(qiáng)度的影響范圍在129.7～223.5 MPa，磁場頻率對接頭抗拉強(qiáng)度的影響范圍在196.8～223.5 MPa，則明顯可知磁場電流對接頭抗拉強(qiáng)度的影響明顯要大于磁場頻率。因此，接頭抗拉強(qiáng)度隨著磁場電流和磁場頻率的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。最佳工藝參數(shù)為：當(dāng)IE=0.4～0.6 A，f=25～35 Hz，銅側(cè)熱影響區(qū)的晶粒平均面積S<10000 μm2時，接頭抗拉強(qiáng)度較高，均大于210 MPa。其中，當(dāng)IE=0.4 A，f=30 Hz時，接頭抗拉強(qiáng)度最高，為223.5 MPa，相比無磁場時抗拉強(qiáng)度提升了44.5%。

由圖5(c)可知，焊縫區(qū)的平均硬度最大，因?yàn)樵诖艌鲚o助TIG焊時，熔化后的鋼母材與銅母材在電磁攪拌作用下無限互溶，使得α-Fe在冷卻后呈球形或枝晶形在焊縫中析出，這些彌散分布的α-Fe固溶體在焊縫中起到了第二相強(qiáng)化的作用，所以焊縫區(qū)的硬度值最高。其中，銅母材和銅側(cè)熱影響區(qū)的硬度梯度最大，接頭也多斷裂在銅側(cè)。這是由于銅側(cè)受焊接熱循環(huán)作用明顯，其晶粒相對粗大，是接頭的薄弱區(qū)。同時從圖5(c)中發(fā)現(xiàn)添加磁場后熔合區(qū)和焊縫區(qū)的硬度梯度相對減小，這是因?yàn)榻涣鞔艌龈纳屏巳酆蠀^(qū)的溶質(zhì)偏析及接頭各區(qū)域的晶粒粗化現(xiàn)象，使得接頭各區(qū)域組織變得均勻化。

3 結(jié)論

(1)添加縱向交流磁場后，焊縫魚鱗紋明顯，其表面成形良好。接頭抗拉強(qiáng)度隨著磁場電流和磁場頻率的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。最佳工藝參數(shù)為：當(dāng)焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min，磁場頻率f=25～35 Hz，磁場電流IE=0.4～0.6 A，接頭性能較好，其抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)223.5 MPa，相比無磁場提高了44.5%。

(2)銅鋼TIG焊接頭主要分為鋼側(cè)熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫區(qū)和銅側(cè)熱影響區(qū)。添加交流磁場后，鋼側(cè)熱影響區(qū)受電弧擴(kuò)張影響，鐵素體出現(xiàn)細(xì)化且其形態(tài)由大塊轉(zhuǎn)狀變?yōu)獒槧詈蛡?cè)板條狀；焊縫區(qū)受電磁攪拌作用，其組織由胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪顦渲易兊眉?xì)密均勻；銅側(cè)熱影響區(qū)也有明顯的晶粒細(xì)化現(xiàn)象，但接頭各區(qū)域相的種類并無明顯變化。

(3)添加磁場后，接頭熔合區(qū)和焊縫區(qū)的相的種類未發(fā)生變化，均由(α-Fe)+(ε-Cu)組成；熔合區(qū)的溶質(zhì)偏析現(xiàn)象得到改善，其(α-Fe)+(ε-Cu)顆粒由粗大的彌散分布狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的聚集分布狀態(tài)；焊縫區(qū)組織細(xì)化，且其均勻性明顯提高，使得接頭熔合區(qū)與焊縫區(qū)的硬度梯度相對減小。