采用Cu-xTi合金焊材的紫銅厚大結(jié)構(gòu)件He-TIG焊縫組織及性能研究

李一楠，彭子龍

（青島理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 青島 266000）

0 前言

紫銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性，以及在某些介質(zhì)中良好的抗腐蝕性能，成為電子、化工、船舶、能源動力、交通等工業(yè)領(lǐng)域中高效導(dǎo)熱和換熱管道、導(dǎo)電、抗腐蝕部件的優(yōu)選材料。長期以來紫銅的焊接主要是氣焊[1]、焊條電弧焊[2]、釬焊[3]、TIG焊[4-5]、埋弧焊、擴散焊等方法。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，又采用了電子束[6]、激光束等高能熱源進行焊接，取得了良好的效果，但受設(shè)備、成本、生產(chǎn)周期等方面的影響而不能得到廣泛的應(yīng)用。目前，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的是Ar-TIG焊。在TIG焊接中，由于紫銅材料具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和凝固收縮率等熱學(xué)特性，熱裂紋是紫銅厚大結(jié)構(gòu)件焊接中出現(xiàn)的主要焊接缺陷，成為制約紫銅材料應(yīng)用的瓶頸。熱裂紋的成因一般認為是電弧焊時大氣中的O2被電弧電離并以O(shè)2-的形式溶于熔池中，在凝固過程中在α-Cu晶界上形成了Cu和Cu2O的低熔共晶液膜，液膜在收縮應(yīng)力作用下被拉開形成熱裂紋。在工程實際中，對于紫銅厚大結(jié)構(gòu)件的Ar-TIG焊一般采取焊前預(yù)熱的方法，一方面可以彌補氬弧熱輸入不足所引起的未熔合問題，另一方面可以降低凝固時的收縮應(yīng)力和應(yīng)變，避免宏觀焊接熱裂紋的出現(xiàn)。但是，由于氧的存在，在焊縫中形成了大量微觀熱裂紋，從而影響了紫銅厚大結(jié)構(gòu)件的使用性能。研究表明，對于10 mm厚紫銅板焊接時，氦弧不預(yù)熱時的溫度場分布接近氬弧預(yù)熱400℃時的溫度場分布。說明氦弧可以實現(xiàn)紫銅厚大結(jié)構(gòu)件的不預(yù)熱TIG焊接。

針對紫銅厚大結(jié)構(gòu)件He-TIG焊微觀熱裂紋嚴重的問題，提出了在銅合金焊材基礎(chǔ)上添加脫氧元素Ti來控制熔池中的氧含量從而達到抑制微觀熱裂紋的效果，自行研發(fā)了新型焊材Cu-xTi合金焊材。本研究首先采用Cu-xTi合金焊材進行厚板剛性拘束熱裂紋實驗對焊縫金屬的熱裂傾向進行測量。其次對焊縫組織的微觀形貌進行觀察，研究合金元素Ti對焊縫組織變化規(guī)律及對熱裂紋的抑制效果的影響。最后對采用Cu-xTi合金焊材的焊縫金屬的力學(xué)性能進行測量和評價。

1 實驗條件

母材選用牌號為T2的紫銅材料，工件尺寸100 mm×250 mm×10 mm。分別采用HS201和研發(fā)的Cu-xTi合金焊材進行剛性拘束熱裂紋實驗（GB13817-92）評價紫銅厚板的熱裂傾向。剛性拘束熱裂紋實驗過程如圖1所示，HS201和Cu-xTi合金焊材成分如表1所示。分別采用HS201和Cu-xTi合金焊材進行了紫銅厚板He-TIG焊焊接實驗，工藝條件如下：對接接頭，30°單V型坡口，焊接電流280 A，保護氣流量10 L/min，三層多道焊。經(jīng)切割、打磨、拋光、腐蝕后的焊縫金屬采用光學(xué)顯微鏡（Olympus-PMG3）、掃描電鏡（S-570）及透射電鏡（Philips CM12）觀察。采用萬用試驗機（Instron-5569）、顯微硬度儀（HXD-1000TM）及擺錘沖擊試驗機測量焊縫金屬的強度、硬度和沖擊韌性。

圖1 剛性拘束熱裂紋試驗示意

表1 焊接材料成分 %

2 結(jié)果和討論

表2為剛性拘束熱裂紋實驗條件下采用HS201、Cu-2Ti及Cu-4Ti焊材時焊縫金屬的裂紋率。如圖2所示，采用HS201時焊縫表面和斷面的裂紋長度超過了焊縫長度的一半。表面熱裂紋從弧坑中起裂，逆著焊接方向沿焊縫中心擴展，斷面上微觀熱裂紋沿α-Cu晶界開裂紋。說明在不預(yù)熱He-TIG焊工藝條件下，雖然可以實現(xiàn)紫銅厚板焊縫成形，但卻存在著較嚴重的焊接熱裂紋。當在焊材中添加Ti后即采用Cu-2Ti焊材時，焊縫表面和斷面均無熱裂紋出現(xiàn)，當焊材中的Ti含量提高時即采用Cu-4Ti焊材時焊縫斷面上出現(xiàn)了6.5%的微觀熱裂紋，如圖3所示，α-Cu晶界及亞晶界上存在金屬間化合物，裂紋沿著α-Cu晶界擴展。

表2 剛性拘束熱裂紋實驗條件下采用不同成分焊材焊縫金屬裂紋率

圖2 使用HS0201時焊縫中的裂紋

圖3 使用Cu-4Ti合金焊材時焊縫中的裂紋

在He-TIG焊時，空氣中的O2會混入電弧中并被電弧電離，以O(shè)2-的形式溶解進入熔池，另外由于在電弧加熱作用下近縫區(qū)的母材表面被氧化，隨著溫度升高母材表面的氧化層被熔化以O(shè)2-進入熔池。當熔池中有合金元素Ti時，由于高溫作用Ti原子易失去外層電子形成Ti4+，Ti4+與游離在熔池中的O2-結(jié)合生成TiO2，TiO2具有熔點高、密度小的特點，在熔池中不斷上浮，最后存留在焊縫表面以焊渣的形式存在。圖4a為采用Cu-2Ti合金焊材焊接時焊縫表面，表面有灰色焊渣，對焊渣微觀組織進行觀察發(fā)現(xiàn)，焊渣內(nèi)存在條狀組織（圖4b）。對焊渣進行XRD分析可知，焊渣中主要成分是TiO2及銅的氧化物（見圖4c）。結(jié)果說明，在焊材中添加合金元素Ti后可以有效抑制由于熔池氧化而形成的焊接熱裂紋。

圖4 采用Cu-2Ti合金焊材時的焊渣

采用Cu-2Ti合金焊材對10 mm厚紫銅板進行He-TIG焊時焊縫的微觀形貌如圖5所示。從圖5a可知，焊縫組織主要以塊狀α-Cu為主，形貌接近于HS201焊縫組織，唯一不同的是在α-Cu晶粒內(nèi)部存在著點狀分布的組織（見圖5b），通過透射電鏡和衍射花樣分析可知點狀組織為金屬間化合物β-TiCu4。出現(xiàn)β-TiCu4的原因是在焊縫凝固過程中，合金元素Ti首先固溶于α-Cu中，由于冷卻速度快，Ti在α-Cu中的最大固溶度為2.55%，其余的Ti元素偏聚在α-Cu枝晶間，形成顯微偏析。當偏聚的Ti元素達到一定濃度時，冷卻到885℃將發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變（式1）生成β-TiCu4，依附于先結(jié)晶α-Cu生長。雖然包晶反應(yīng)在低于紫銅熔點溫度發(fā)生，但是由于富鈦液相少，凝固前沒有形成連續(xù)分布低熔液態(tài)薄膜，凝固后生成的β-TiCu4以點狀彌散分布在α-Cu枝晶間，沒有造成開裂的裂紋源，因此采用Cu-2Ti合金焊材焊接紫銅時沒有形成熱裂紋。

采用Cu-4Ti合金焊材進行焊接時焊縫中出現(xiàn)了微觀熱裂紋。圖6a是Cu-4Ti焊縫金屬的微觀組織形貌，可以看出除了α-Cu外焊縫中還存在著連續(xù)的網(wǎng)狀分布的金屬間化合物，經(jīng)過投射電鏡和衍射花樣分析可以判斷焊縫中存在著TiCu2和β-TiCu4兩種金屬間化合物（圖 6c、6d）。Cu-4Ti焊縫金屬的結(jié)晶過程與Cu-2Ti焊縫金屬的有所不同。在凝固過程中，熔池中Ti元素含量較高，除了固溶到α-Cu中的Ti以外，大量的Ti元素偏聚在α-Cu的枝晶間。凝固進行到約875℃時，發(fā)生了共晶反應(yīng)（見式2），由于Ti含量較高，共晶液相較多，形成了連續(xù)的網(wǎng)狀分布的TiCu2和β－TiCu4共晶組織。凝固時連續(xù)分布的TiCu2+（β-TiCu4）低熔共晶液相形成了熱裂紋的裂紋源，在收縮應(yīng)力和應(yīng)變的作用下，TiCu2+（β－TiCu4）低熔共晶液相被拉開形成了不同于采用HS201焊接時的熱裂紋。

圖5 Cu-2Ti焊縫金屬的微觀形貌

圖7為采用不同焊材時焊縫金屬和接頭的力學(xué)性能檢測結(jié)果?？梢钥闯觯褂肏S201時由于焊縫中存在微觀熱裂紋使得焊縫金屬的強度較低，當使用Cu-2Ti合金焊材時，抗拉強度和屈服強度均高于母材；當使用Cu-4Ti合金焊材焊接時，微觀熱裂紋的存在使得抗拉強度下降至100 MPa。從接頭的硬度分布可以看出，當使用Cu-2Ti合金焊材時，焊縫中心硬度最高位90HV，略高于HS201焊縫；使用Cu-2Ti合金焊材時焊縫硬度有大幅度提高，升至153 HV；使用Cu-xTi合金與HS201相比強度和硬度高主要與焊縫金屬中Ti的分布有關(guān)。合金元素Ti通過以下兩種方式對焊縫金屬進行強化，一是固溶強化，使用Cu-2Ti合金焊材時凝固到室溫時α-Cu中固溶了2.55%的Ti，Ti的固溶引起了α-Cu的晶格畸變從而達到強化效果。二是第二相強化，凝固時焊縫中生成了第二相質(zhì)子TiCu2和β-TiCu4，強度和硬度均高于基體。從圖7中還可以看出，當采用Cu-2Ti合金焊材時焊縫金屬的沖擊韌性和接頭的彎曲塑性均接近于母材；采用Cu-4Ti合金焊材沖擊韌性和彎曲塑性均有大幅度下降。綜上，當采用Cu-2Ti合金焊材時，硬度和強度有所提高，沖擊韌性和彎曲塑性與母材相比下降很少。由于Ti的添加，焊縫在提高強度和硬度的同時，仍具有良好塑性和沖擊韌性，具有廣泛的應(yīng)用價值。

圖6 Cu-4Ti焊縫金屬的微觀形貌

圖7 不同焊材焊接時焊縫金屬及接頭的力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）在He-TIG焊條件下采用Cu-2Ti合金焊材可以實現(xiàn)紫銅厚大結(jié)構(gòu)件無熱裂紋的焊縫成形。

（2）嚴格控制焊材中的Ti含量，當Ti含量增加到4%時，在焊縫中會形成連續(xù)分布的（TiCu2+β-TiCu4）低熔共晶液相，形成裂紋源導(dǎo)致開裂。

（3）Ti的添加既提高焊縫金屬和接頭的強度和韌性，沖擊韌性和塑性也接近于母材，具有廣泛的使用價值。

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