鍍銅與無鍍銅環保型氣體保護焊用實芯焊絲焊縫金屬組織和性能的對比研究

劉宗坤　李代君　林宇晨　張雪峰　付逸文　張珊珊

摘要：傳統二氧化碳氣體保護焊采用鍍銅焊絲，在工作的過程中產生大量的銅煙霧，吸入銅煙霧可引起金屬煙熱，長期吸入可引起肺部纖維組織增生。無鍍銅焊絲省去鍍銅工序，減少環境污染；焊接時使作業者免受含銅煙霧的損害，是保護環境和人類健康的新產品。本項目采用金相、電子顯微技術、機械性能等手段，測試和研究環保型無鍍銅氣體保護實芯焊絲焊縫金屬顯微組織轉變、合金化、韌化機理分析、機械性能變化，與傳統的鍍銅焊絲的焊縫金屬組織和性能進行對比研究試驗。

關鍵詞：無鍍銅焊絲；焊縫組織和性能；對比研究

0 引言

綠色制造的環保理念將推動焊接材料的革命，傳統的鍍銅焊絲在工作對焊接操作人員造成健康損害，且由于銅的存在對焊縫金屬造成不良影響。無鍍銅焊絲省去鍍銅工序，減少環境污染，焊接時使作業者免受含銅煙霧的損害，是保護環境和人類健康的新產品，有良好的推廣應用前景［1-2］。本項目測試和研究環保型無鍍銅氣體保護實芯焊絲焊縫金屬組織和性能的變化規律并與傳統的鍍銅焊絲進行對比研究試驗［3-5］。

1 項目的研究內容與目的

本研究的主要內容是：采用金相、電子顯微技術、機械性能等手段，測試和研究環保型無鍍銅氣體保護實芯焊絲焊縫金屬顯微組織轉變、合金化、韌化機理分析、機械性能變化［6-8］。主要包括：

① 對比研究鍍銅與無鍍銅環保型氣體保護實芯焊絲焊縫金屬的組織特征及變化規律；

② 對比研究鍍銅與無鍍銅環保型氣體保護實芯焊絲焊縫金屬的合金成分分布及變化規律；

③ 對比研究鍍銅與無鍍銅環保型氣體保護實芯焊絲焊縫金屬的斷口形貌特征；

④ 分析研究鍍銅對實芯焊絲焊縫金屬組織與性能影響。

通過以上測試與分析，為研制無鍍銅環保型氣體保護實芯焊絲提供依據和理論基礎。

2 試驗材料、試驗方法與試驗設備

2.1 試驗主要測試的樣品有和分析內容

本實驗主要對比觀察和研究無鍍銅（2#）和鍍銅（3#）2類焊縫試樣的各種組織、成分與性能的情況。

拉伸斷口，及其對應斷面的顯微組織金相、掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）化學成分、顯微硬度等的觀察與分析；

沖擊斷口，及其對應斷面的顯微組織金相、掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）化學成分、顯微硬度等的觀察與分析；

2.2 金相和SEM樣品制備

初步加工：在砂輪上將樣品的毛邊和飛刺去除，制成平整的外形。

樣品的磨制和拋光：將初步加工后的樣品在金相砂紙上由粗到細磨至1800#，然后再用三氧化二鉻拋光劑拋光，最后沖洗掉拋光劑。

樣品的腐蝕：4％的硝酸酒精溶液。侵蝕后用清水洗凈腐蝕液，再將無水酒精灑在樣品表面，趕除其余水分。最后，用電吹風將樣品吹干，將樣品用干凈的濾紙包好，放入專門的樣品瓶內，以待觀察。

2.3 顯微硬度測試

試驗在上海泰明光學儀器有限公司的HXD-1000TC帶圖像分析手動轉塔顯微硬度計上進行，試驗力為0.980 N（100 g力）；力保持時間15秒；試驗10次算平均值。

2.4 主要研究用設備

1） 荷蘭FEI公司的Sirion型“場離子發射槍超高分辨掃描電鏡（HRSEM）”（點分辨率1.5nm，帶EDAX公司的EDS＋EBSD一體化附件）。主要用于材料的顯微組織、化學成分、斷口等觀察和分析。

2） 日本Nikon公司Epiphot 300型臥式金相顯微鏡、Olympus BX51型正立式金相顯微鏡。主要用于金相組織（宏觀50倍－1000倍）的分析、氧化腐蝕物鑒別等。

3） 上海泰明光學儀器有限公司HXD-1000TC型帶圖像分析手動轉塔顯微硬度計。主要用于材料及焊縫部位在高溫服役過程中的顯微硬度變化測試。

3 試驗結果與分析

3.1 維氏顯微硬度（Hv）

3.2 樣品之間硬度值差別的解釋

1）沖擊和拉伸樣品的硬度差別可能與取樣位置有關，因為多層焊的焊縫區，由于受多次熱循環的作用，有的部位晶粒細小，如前幾次的焊道，其對應的硬度要高一些；而有些部位晶粒較粗大，如后焊的焊道部分，其對應的硬度要低一些。

2）拉伸變形也會是其硬度提高，這就是為什么拉伸試樣的硬度整體高于沖擊試樣的原因之一。

3）總的來說，無鍍銅焊縫的硬度要更均勻一些，這可能與無鍍銅時，氧的作用使得熔滴過渡更加均勻，從而造成組織也更加均勻有關。

3.3 拉伸樣品的斷口和組織特征及分析

實驗將拉伸斷口樣品切割后，一半用于觀察斷口形貌，另一半磨成金相樣品用于觀察顯微組織。

1） 拉伸試樣的斷口形貌

對比無鍍銅（2#）與鍍銅（3#）2個焊縫試樣的斷口形貌，沒有差別，均有細小均勻的韌窩組成，如圖1、圖2、圖3所示。韌窩中的細小夾雜物主要由Mn、Si等元素組成（見第2部分分析）。說明焊縫區的韌性較高，微量和細小的夾雜物的存在是正常的，它們對材料的性能并沒有壞的影響。

2） 拉伸試樣的顯微組織形貌

對比無鍍銅（2#）與鍍銅（3#）2個焊縫試樣的斷口對應的顯微組織形貌，也基本沒有差別，為柱狀晶，且鐵素體晶粒較細小，上面有細小的碳化物析出。其中鍍銅焊縫中有較大的異常夾雜物，這可能與鍍銅層殘留在焊接熔池中有關，如圖4、圖5、圖6所示。

3.4 沖擊樣品的斷口和組織特征及分析

由于沖擊樣品的斷口為兩半，實驗取一半用于觀察斷口形貌，另一半磨成金相樣品用于觀察顯微組織，它們之間還有密切的對應關系。

1） 沖擊樣品的斷口形貌特征

對比無鍍銅（2#）與鍍銅（3#）2個焊縫試樣的斷口形貌，沒有差別。斷口主要有解理面河流花樣組成，解理面之間有少量的二次裂紋，且彎曲較多。但該斷口的撕裂棱明顯，對裂紋擴展有一定阻力韌性較好。如圖7和圖8。在高倍下可以看到在解理面上存在一些非常小的孔洞，如圖9所示。它們可能是氣體沒有排除而留下來的痕跡，由于其尺寸很小，對性能沒有壞的影響，可能還有好的作用，但需要進一步工作的深入研究。總的來說材料具有較好的韌性。

2） 沖擊試樣的顯微組織形貌

對比無鍍銅（2#）與鍍銅（3#）2個焊縫沖擊試樣的斷口對應的顯微組織形貌，也基本沒有差別，為柱狀晶，且鐵素體晶粒較細小，上面有細小的碳化物析出和珠光體組織。其中鍍銅焊縫中沒有看到再拉伸試樣中的較大的異常夾雜物，這也說明是偶然產生的，如圖10、圖11所示。另外，與圖9對應的顯微組織中也看到了微小氣孔，如圖12和圖13所示。

3.5 焊縫試樣的化學成分測試與分析

在無鍍銅和鍍銅2種拉伸樣品斷口的韌窩中，均有一些較小的析出物，測量其成分主要有Mn、Si、O、S等元素組成，應該是MnS和SiO2夾雜物，如圖14所示。屬于正常組織和成分，對焊縫的性能沒有影響。

同樣測量無鍍銅樣品（2#）顯微組織中夾雜物的化學成分，與斷口中的基本一致（圖15）。說明夾雜物的類型是一樣的。成分定量上面的差別主要來源于測量方法，因為SEM中的能譜測量時，有一個“水滴”擴展效應，即實際測量的范圍要大于電子束打在樣品表面上的范圍，這與X-射線的激發寬度和深度有關（具體原理可以參閱相關文獻）。

另外，圖16中測量鍍銅樣品中夾雜物的化學成分，與無鍍銅樣品有一些差別，也是由于測量誤差造成的。根據實際測量經驗和公認的標準，它們的成分應該是一樣的。即夾雜物的性質是相同的。

4 結論

通過以上對比觀察和分析無鍍銅與鍍銅焊絲所焊接的焊縫斷口、顯微組織和化學成分，以及顯微硬度測量，可以認為兩者的差別較小，均具有較高的韌性，無鍍銅環保型氣體保護實芯焊絲焊縫金屬組織和性能指標能滿足焊接工藝需求，具備推廣使用的價值。

參考文獻

［1］ 王杭安. 無鍍銅MAG焊絲的應用現狀及發展趨勢［J］. 機械工人（熱加工）， 2003（08）：19-30.

［2］ 陳邦固，謝晉平，金立鴻. 環保型非鍍銅實芯焊絲的特點及應用前景［J］. 機械工人（熱加工），2003（05）：26-28.

［3］ 賈軍，王煒. 環保型無鍍銅CO2氣體保護焊實心焊絲的生產及應用［J］. 電焊機，2011，41（02）：27-31.

［4］ 韓振仙，孫遠方，王晨陽. CO2焊用無鍍銅實芯焊絲的工藝性能研究［J］. 金屬加工（熱加工），2012（14）：65-66.

［5］ 李欣雨. 環保型無鍍銅實芯焊絲的研制［D］. 重慶：重慶大學， 2009.

［6］ 張文鉞. 焊接冶金學（基本原理）［M］. 北京：機械工業出版社，2012.

［7］ 邱葭菲，蔡郴英. 金屬熔焊原理［M］. 北京：高等教育出版社，2009.

［8］ 溫家伶，王強，陳明清，等. 自保護藥芯焊絲研究的現狀［J］. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2002（06）：733-736.

作者簡介：劉宗坤，男，生于1980年2月，籍貫山東青島，工程師，主要研究電力鋼結構加工制造技術。電子郵箱：13606303961@163.com。