φ5.8 mm鉬桿焊接質(zhì)量分析

卜春陽(yáng),王快社,武 洲,莊 飛,楊秦莉

(1.西安建筑科技大學(xué),陜西西安 710055)

(2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心,陜西西安 710077)

0 前言

鉬金屬產(chǎn)品主要有棒、板、異型件等,其中鉬棒主要被加工成鉬絲。鉬絲材主要是用于制造真空管的陰極、陽(yáng)極,電燈泡里的鎢絲托架等,還有一部分直接作為線切割絲成為最終產(chǎn)品得到應(yīng)用?，F(xiàn)鎢鉬制品行業(yè)普遍使用 1 kg左右的坯條,單絲長(zhǎng)度短、單重低,不適應(yīng)多模拉絲及粗絲出口的需要,產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上受到很大限制,制約了企業(yè)的發(fā)展和效益的提高。為了提高鉬絲的生產(chǎn)效率和成品率,更重要的是為了適應(yīng)市場(chǎng)需求,必須增加鉬桿單重,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化。使用大單重坯條和大型軋機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn),達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的目的。但是大單重坯需要較大的成型、燒結(jié)設(shè)備,大型軋機(jī)更是需要巨額投資,多數(shù)企業(yè)無(wú)法辦到。

在生產(chǎn)線中進(jìn)行焊接是最有效的辦法之一,將小單重短鉬桿焊接成滿足要求的大單重長(zhǎng)鉬桿的大樣件,這樣可以有效地解決生產(chǎn)中的問(wèn)題。較常用的焊接方法有電弧焊接、等離子弧焊接、電子束焊接、超聲波焊接等,這些設(shè)備大多數(shù)都價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、技術(shù)要求高、占地面積大,一般中小企業(yè)難以實(shí)施。鎢鉬對(duì)焊機(jī)屬于電阻焊接的一種,價(jià)格低、占地面積小、能滿足鉬桿焊接的要求。

2 對(duì)焊機(jī)工作原理

利用對(duì)焊機(jī)將鉬桿焊接在一起可稱為加壓接觸焊接,其工作原理是借強(qiáng)電流通過(guò) 2個(gè)被焊接坯料的接觸處產(chǎn)生的電阻熱,將接觸部的鉬金屬加熱到熔化狀態(tài),并及時(shí)施加一定的壓力,從而使坯料結(jié)合在一起。

圖 1所示為對(duì)焊機(jī)工作示意圖,施加于上電極之壓力 P1,由液壓系統(tǒng)提供,液壓輸出壓力平穩(wěn)、剛性大,能保證上、下電極與被焊件之間電流傳導(dǎo)良好,有利于穩(wěn)定焊接質(zhì)量。施加于移動(dòng)電極座之壓力 P2,采用氣動(dòng)。在焊前和焊中施加的壓力為初期壓力,以保持 2試件接觸面之間適當(dāng)?shù)碾娮柚怠Ｔ诤附蛹葘⒔Y(jié)束,材料處于即熔狀態(tài)時(shí)施加的力為頂鍛壓力,以加速再結(jié)晶,形成焊接。依材料和尺寸不同規(guī)格可對(duì) 3種壓力方便地進(jìn)行調(diào)整。

圖 1 對(duì)焊機(jī)工作示意圖

進(jìn)行焊接時(shí),首先將需要焊接的 2根鉬桿置于卡槽,左右油缸向下運(yùn)動(dòng)壓緊工件,隨后氣缸前進(jìn),使兩鉬桿端面接觸,即初期壓力。對(duì)焊接部分預(yù)熱一定時(shí)間,氣缸再次向前推進(jìn),使兩工件受壓,即頂鍛壓力,同時(shí)儲(chǔ)能電容向脈沖變壓器放電,使接觸面產(chǎn)生高溫熔融,最終使兩鉬桿焊接在一起。左右兩油缸向上移動(dòng)松開(kāi)工件,同時(shí)氣缸向后回復(fù)至初始位置完成鉬桿焊接過(guò)程。

3 實(shí)驗(yàn)

將重約為 1 kg的 φ17 mm鉬棒采用 203旋鍛開(kāi)坯,經(jīng)串打至 φ5.8 mm左右準(zhǔn)備進(jìn)行焊接。鉬桿焊接直徑選為 φ5.8 mm比較合適,如果直徑過(guò)大則焊接面積大,焊接設(shè)備大小所限,效果不理想。如果直徑太小,后續(xù)加工不易消除焊接部位與產(chǎn)品其他部位的不均勻性,容易導(dǎo)致斷絲、劈絲、空心等質(zhì)量問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用 T MW-200型鎢鉬對(duì)焊機(jī),首先將待焊接部位切割露出新鮮平整表面,按照焊接工藝要求完成焊接,以焊接處為中心截取適當(dāng)長(zhǎng)度的樣,制成標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的拉伸試樣。焊接部位鼓出的部分到砂輪上進(jìn)行打磨,使之平整光滑,與生產(chǎn)時(shí)的要求一致,以便于對(duì)焊接質(zhì)量作出分析。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣的抗拉強(qiáng)度、斷口部位金相組織、斷口 SEM形貌以及雜質(zhì)等項(xiàng)目的分析,對(duì)鉬桿的焊接質(zhì)量進(jìn)行定性評(píng)判。

4 分析討論

4.1 焊接強(qiáng)度分析

拉伸實(shí)驗(yàn)是考核材料強(qiáng)度與塑性最常用的實(shí)驗(yàn)方法之一,進(jìn)行拉伸試驗(yàn)可以直接考核試樣的焊接強(qiáng)度。表 1是焊接試驗(yàn)樣與正常鉬桿樣品的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

焊接樣 3、4是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的焊接不好的試樣,這些試樣抗拉強(qiáng)度很小,甚至用較輕微的機(jī)械震動(dòng)或擊打就會(huì)產(chǎn)生斷裂。主要原因是虛焊,對(duì)斷裂試樣進(jìn)行觀察可發(fā)現(xiàn)焊接部位只有很少的連接。大部分焊接試樣拉伸試驗(yàn)的最大力 Fm與抗拉強(qiáng)度Rm一般在非焊接正常鉬桿的 50%左右,只要強(qiáng)度達(dá)到了這個(gè)范圍后續(xù)加工基本沒(méi)有問(wèn)題,焊接后用機(jī)械震動(dòng)或擊打也不會(huì)產(chǎn)生斷裂。所以鉬桿焊接后,進(jìn)行例行機(jī)械震動(dòng)或擊打檢驗(yàn)就可以避免大部分的焊接質(zhì)量問(wèn)題。

焊接鉬桿的室溫拉伸實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,焊接部位強(qiáng)度僅為普通鉬桿的 50%左右,但并不影響后續(xù)加工。有缺陷的焊接桿經(jīng)簡(jiǎn)單機(jī)械震動(dòng)或擊打檢驗(yàn)就可發(fā)現(xiàn)。

表 1 焊接桿拉伸實(shí)驗(yàn)

4.2 焊接斷口組織分析

焊接部位金相分析是檢查焊接質(zhì)量的有效方法之一,圖 2是鉬桿焊接部位與正常鉬桿的縱向金相組織,焊接部位金相組織下半部分靠近焊接端面。分析圖 2,正常鉬桿的金相組織呈明顯的加工纖維組織,這是φ17 mm鉬棒經(jīng)旋鍛、串打形成主變形方向的加工狀態(tài)纖維組織,是典型的加工組織。纖維組織分布均勻,沒(méi)有明顯的缺陷,對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度亦在正常范圍之內(nèi)。焊接部位金相組織顯示,加工纖維組織大量消失,已無(wú)法清晰看到,大部分已形成了再結(jié)晶,趨向于等軸晶但略偏長(zhǎng),同時(shí)焊接部位不存在未焊透、夾渣、氣孔等明顯缺陷。再結(jié)晶組織說(shuō)明鉬桿兩端面已經(jīng)歷了高溫,熔合為一體。晶粒從上到下逐漸粗大,因兩鉬桿端面焊接時(shí)存在較大溫度梯度,靠近端面溫度很高而離端面遠(yuǎn)的溫度低,從而導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒由上到下逐漸粗大。如果焊接部位的晶粒過(guò)于偏大,應(yīng)是過(guò)熱所致,此時(shí)鉬桿會(huì)表現(xiàn)出脆化,焊接強(qiáng)度反而不高,故焊接能量要適當(dāng)。

焊接部位金相分析表明,焊接良好時(shí)焊接部位不存在未焊透、夾渣、氣孔等明顯缺陷,同時(shí)加工狀態(tài)纖維組織大部分產(chǎn)生了再結(jié)晶,并趨向于等軸晶。

圖 2 焊接部位與正常鉬桿組織

圖 3 焊接部位與正常鉬桿斷口 SEM

圖 3是焊接鉬桿與正常鉬桿的斷口 SEM。正常鉬桿發(fā)生了冷脆性斷裂,斷口呈穿晶解理斷裂。鉬是體心立方金屬,經(jīng)旋鍛、串打后形成纖維組織,做室溫拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)在脆塑轉(zhuǎn)變溫度以下,沿解理面開(kāi)裂所消耗的應(yīng)變能最小,因而會(huì)出現(xiàn)穿晶解理斷裂。焊接鉬桿均是在焊接部位斷裂,呈沿晶斷裂,晶粒明顯趨向于等軸晶。在焊接的瞬間,接觸面產(chǎn)生高溫能將鉬桿短時(shí)熔融,使兩鉬桿焊接在一起。焊接的同時(shí),亦等于對(duì)焊接部位進(jìn)行了一次高溫退火,產(chǎn)生大量再結(jié)晶。再結(jié)晶晶界間結(jié)合力弱,在較小的應(yīng)變及較低的能量下就易形成裂紋源,很快就會(huì)形成沿晶脆性斷裂。

焊接鉬桿與正常鉬桿的斷口 SEM表明,在室溫拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)普通鉬桿產(chǎn)生穿晶解理斷裂,焊接鉬桿在焊接部位產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

4.3 焊接斷口雜質(zhì)分析

雜質(zhì)對(duì)鉬材的拉伸加工有較大的影響。如果雜質(zhì)含量過(guò)高,尤其是氧含量偏高,雜質(zhì)以氧化物形式聚集在晶界上,在形變時(shí)阻礙晶界滑動(dòng),使延伸性能變差。加工時(shí)形成的纖維組織必然向加工方向伸長(zhǎng),由于雜質(zhì)的阻礙,纖維不能充分伸長(zhǎng),從而產(chǎn)生各向異性,發(fā)生斷裂,導(dǎo)致鉬絲加工無(wú)法進(jìn)行。

表2 焊接鉬桿與正常鉬桿斷口能譜分析 %

表 2是焊接鉬桿與正常鉬桿斷口原子能譜分析結(jié)果,經(jīng)過(guò)對(duì)不同部位的點(diǎn)分析及區(qū)域分析,可以看出不論是焊接鉬桿還是普通鉬桿,在能譜可分析的范圍內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì),只是在微裂紋部位有少量的氧。點(diǎn)分析的氧含稍高一些,而微區(qū)分析氧含量較低。一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)樣品吸附了一些雜質(zhì),另一方面是微裂紋本身就是氧化物雜質(zhì)富集的地方。再者與分析點(diǎn)的選擇亦有較大的關(guān)系,點(diǎn)分析是打在微裂紋上,所以氧含量較高,微區(qū)分析選擇了較大的區(qū)域,氧含量較低。

斷口原子能譜分析表明,焊接并未引入過(guò)多的雜質(zhì),可以滿足后續(xù)加工要求。

5 結(jié)論

焊接是生產(chǎn)大單重鉬桿、鉬絲較為經(jīng)濟(jì)的方法。通過(guò)分析表明,雖然焊接部位強(qiáng)度僅為普通鉬桿強(qiáng)度 50%左右,但并不影響后續(xù)加工。有缺陷的焊接桿經(jīng)簡(jiǎn)單機(jī)械震動(dòng)或擊打檢驗(yàn)就可發(fā)現(xiàn)。焊接良好時(shí)焊接部位不存在未焊透、夾渣、氣孔等明顯缺陷,同時(shí)加工狀態(tài)纖維組織大部分產(chǎn)生了再結(jié)晶,并趨向于等軸晶。在室溫拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)普通鉬桿產(chǎn)生穿晶解理斷裂,焊接鉬桿產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。斷口界面除氧以外沒(méi)有能譜可探測(cè)到的其他雜質(zhì)。

[1] 向鐵根.鉬冶金[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社,2002,15 -17.

[2] 黃培云.粉末冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社, 1997.

[3] 陳健雄.鉬桿焊接的研究[J].中國(guó)鉬業(yè),2004,28(4)：40-42.

[4] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè) (第 2版) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001.