P元素對(duì)SCu1898紫銅焊絲焊接抗裂性的影響

唐良喜，李赟豐，吳戈理，徐曉龍，王小君，李幼平

（四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢643010）

P元素對(duì)SCu1898紫銅焊絲焊接抗裂性的影響

唐良喜，李赟豐，吳戈理，徐曉龍，王小君，李幼平

（四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢643010）

為避免SCu1898紫銅焊絲在焊接中出現(xiàn)接頭裂紋，通過(guò)自主熔煉制作SCu1898紫銅焊絲，采用化學(xué)分析、著色滲透試驗(yàn)、金相試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)研究分析了不同P含量對(duì)紫銅焊接接頭抗裂性、組織和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，加P的紫銅焊絲鑄錠及其焊縫熔敷金屬中均會(huì)產(chǎn)生Cu3P脆性相，P元素的增加可增大SCu1898紫銅焊絲的裂紋傾向，隨著P含量逐步增加到0.15%，焊接接頭力學(xué)性能明顯降低。因此，應(yīng)將紫銅焊絲中P元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.07%以下，以減少焊接過(guò)程中熱裂紋傾向。

焊接；SCu1898紫銅焊絲；P元素；抗裂性；力學(xué)性能

紫銅由于其良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性和耐蝕性，在電力、電器、交通運(yùn)輸、化工、制氧及相關(guān)行業(yè)中應(yīng)用廣泛[1-3]。通常認(rèn)為，紫銅焊絲中添加適當(dāng)?shù)腜元素，可以在熔煉和焊接過(guò)程中起到脫氧以及改善熔池流動(dòng)性的作用，并且可以適當(dāng)提高焊縫強(qiáng)度[4]。但近幾年不斷接到用戶(hù)反饋，使用紫銅焊絲在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，影響焊接接頭質(zhì)量，造成大量經(jīng)濟(jì)損失。一般來(lái)說(shuō)，影響紫銅焊絲焊接接頭抗裂性的元素主要有S、Pb、Bi等有害元素[5]，針對(duì)P元素對(duì)抗裂性的影響方面的研究很少。目前，市場(chǎng)上的紫銅焊絲大多都含有少量P，而GB/T 9460《銅及銅合金焊絲》中對(duì)SCu1898型號(hào)焊絲的要求是w（P）≤0.15%。本研究采用上引連鑄工藝生產(chǎn)的SCu1898紫銅焊絲線桿，加工成Φ1.2 mm紫銅焊絲，然后將焊絲進(jìn)行焊接熔敷金屬試驗(yàn)和角焊縫抗裂試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行著色滲透試驗(yàn)、金相試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)，研究P元素對(duì)紫銅成品焊絲組織、抗裂性及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料制備及試驗(yàn)過(guò)程

SCu1898紫銅焊絲中添加的合金元素種類(lèi)較多，其中對(duì)焊接接頭抗裂性有害的元素包括S、Pb、Bi等，本次試驗(yàn)不添加S、Pb、Bi等有害元素，只調(diào)整P元素含量，研究其對(duì)焊接接頭抗裂性的影響。試驗(yàn)分為3組：①紫銅焊絲中不含P；②紫銅焊絲中 w（P）=0.07%； ③紫銅焊絲中 w（P）=0.15%。按照以上分組分別制備直徑1.2 mm的3種成分的紫銅MIG焊絲，再進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。

1.1 紫銅焊絲的制備

本研究采用的紫銅焊絲型號(hào)為GB/T 9460—2008中的SCu1898(CuSn1)。采用工廠現(xiàn)有設(shè)備制備紫銅焊絲，制備工藝流程如圖1所示。

圖1 紫銅焊絲的制備流程

采用工頻感應(yīng)爐對(duì)預(yù)先配好的爐料進(jìn)行熔煉。為了避免不必要的清爐，首先進(jìn)行的是不含P紫銅焊絲原料的熔鑄，然后進(jìn)行含P紫銅焊絲原料的熔鑄。在熔煉過(guò)程中加入一定量的精煉劑，攪拌、靜置后設(shè)定鑄造參數(shù)進(jìn)行上引連鑄[6-7]。

將上引連鑄的桿坯經(jīng)過(guò)10機(jī)架Y形三輥冷軋機(jī)冷軋后，再經(jīng)過(guò)多道次拉絲和刮削，最終生產(chǎn)出直徑為1.2 mm的成品SCu1898紫銅焊絲，3種焊絲樣品的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 SCu1898紫銅焊絲的化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)要求 %

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 紫銅焊絲的焊接工藝

生產(chǎn)的紫銅焊絲為市場(chǎng)上廣泛使用的直徑為1.2 mm的MIG焊絲，因此，采用MIG焊接方法施焊。焊接設(shè)備為唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司生產(chǎn)的YD－500AGⅡ氣體保護(hù)焊機(jī)。3組焊絲施焊均采用相同焊接工藝參數(shù)，具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 SCu1898紫銅焊絲焊接工藝參數(shù)

焊接所用母材Q235鋼板厚20 mm，做熔敷金屬焊接用，墊板厚度為5 mm，裝配間隙為16 mm，在兩母材對(duì)接處采用22.5°陡邊坡口。施焊前，將坡口及其周邊打磨干凈，再預(yù)熱到400℃。為降低焊接熱應(yīng)力，施焊結(jié)束后立即錘擊焊縫兩側(cè)。采用3種成分紫銅焊絲分別焊接一副熔敷金屬試板，用于制取熔敷金屬樣品。為了觀察熔敷金屬的抗裂性，又分別準(zhǔn)備了一副角焊縫試板。

1.2.2 檢測(cè)方法

將焊好的角焊縫試板表面清理干凈，然后噴上著色劑，一段時(shí)間后用清洗劑清洗表面，再?lài)娚巷@影劑，觀察表面是否有裂紋。

按照GB/T 2652—2008將3組平焊縫試板的焊縫金屬加工成標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣，然后在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

在焊縫金屬中間部位截取Φ10 mm×20 mm圓柱試樣，將圓柱試樣的一個(gè)端面進(jìn)行打磨和拋光，然后采用氯化高鐵鹽酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，最后用金相顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 SCu1898紫銅鑄坯線桿金相分析

對(duì)上述3種不同P含量的紫銅鑄造線桿進(jìn)行了金相試驗(yàn)，觀察其金相組織的區(qū)別。圖2（a）為不含P的鑄造線桿，金相組織為α固溶體+少量第二相氧化物；圖2（b）為w（P）=0.07%的鑄造線桿，金相組織為α固溶體+少量Cu3P；圖2（c）為w（P）=0.15%的鑄造線桿，金相組織為α固溶體+Cu3P。從圖2可以看出，隨著鑄造線桿P含量的增加，相應(yīng)Cu3P呈增加狀態(tài)。

圖2 3種不同P含量SCu1898紫銅鑄造線桿金相組織

2.2 角焊縫滲透探傷試驗(yàn)

圖3 3種不同P含量紫銅焊絲角焊縫滲透探傷外觀圖

3種不同P含量紫銅焊絲角焊縫滲透損傷外觀如圖3所示。由于不含P紫銅焊絲焊后其角焊縫無(wú)直觀裂紋，則進(jìn)行了著色滲透試驗(yàn)，而從圖 3（b）和圖3（c）可發(fā)現(xiàn)，焊縫收弧處有直觀表面裂紋，因此未進(jìn)行著色滲透試驗(yàn)。由圖3（a）可以看出，不含P紫銅焊絲角焊縫表面無(wú)裂紋，著色探傷后亦未發(fā)現(xiàn)裂紋；由圖3（b）可看出，w（P）=0.07%紫銅焊絲角焊縫收弧處有表面裂紋；由圖3（c）可看出，w（P）=0.15%紫銅焊絲熔敷金屬的收弧端有明顯的裂紋，裂紋起源于弧坑并沿焊縫金屬縱向發(fā)展。將圖 3（b）、 圖 3（c）和圖 3（a）進(jìn)行對(duì)比可以得知，P的加入會(huì)明顯降低紫銅焊絲的抗裂性能。

2.3 熔敷金屬金相分析

圖4為3組不同P含量紫銅焊絲熔敷金屬的金相組織。通過(guò)對(duì)比銅及銅合金金相圖譜[8-9]可以判斷熔敷金屬中的氧化物夾雜及第二相的化學(xué)成分。由圖4（a）可以看出，熔敷金屬含有較多彌散氣孔和以Cu2O為主的氧化夾雜，正上方的黑色圓點(diǎn)為焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡，由于不含P元素，因此氧化夾雜較多。由圖4（b）可以看出，熔敷金屬中也出現(xiàn)了以Cu2O為主的氧化夾雜，但是較圖 4（a）少， 這是由于焊絲中 w（P）=0.07%，P有一定的脫氧作用，P元素與熔敷金屬中的一部分氧反應(yīng)，將這部分氧元素消耗掉，從而使熔敷金屬中的氧化物夾雜減少，圖4（b）左上方的黑色圓點(diǎn)為焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡。圖4（c）是w（P）=0.15%的紫銅焊絲焊接的熔敷金屬，對(duì)比熔敷金屬金相圖譜[8-9]可以判斷圖中的第二相為Cu3P，且第二相Cu3P尺寸較大，晶界偏聚了一定的雜質(zhì)元素。 將圖 4（b）、 圖 4（c）和圖 4（a）對(duì)比可知，在紫銅焊絲中適當(dāng)添加P元素可以減少氧化雜質(zhì)的數(shù)量，但隨著P含量的增加會(huì)帶來(lái)熔敷金屬中Cu3P脆性第二相的產(chǎn)生，而且使晶界偏聚較多的雜質(zhì)元素。

圖4 不同P含量紫銅焊絲熔敷金屬金相組織

2.4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

將焊縫熔敷金屬加工成棒狀試樣并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 3組熔敷金屬試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比表3中3組結(jié)果可以看出，加入P元素后熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率都有明顯的下降，尤其第3組紫銅焊絲尤為明顯，這主要是由于加入P元素后形成了不均勻分布的金屬間化合物，以及增加脆性的氧化夾雜造成的[10]。

圖5 不同P含量紫銅焊絲熔敷金屬拉伸試驗(yàn)后形貌

圖5為3組紫銅焊絲熔敷金屬拉伸試驗(yàn)后形貌。從圖5（a）可以看出，不含P的熔敷金屬試樣表面未發(fā)現(xiàn)有拉伸試驗(yàn)產(chǎn)生的裂紋。而圖5（b）、圖5（c）的熔敷金屬表面均出現(xiàn)了拉伸試驗(yàn)產(chǎn)生的不同程度的裂紋，且w（P）=0.15%焊絲的熔敷金屬的裂紋傾向較w（P）=0.07%焊絲更明顯。

3 結(jié) 論

（1）SCu1898紫銅焊絲中加P會(huì)使其焊接接頭產(chǎn)生裂紋，降低接頭的抗裂性能。原因是加P的紫銅焊絲鑄坯組織和焊接接頭組織中均有不同程度的Cu3P脆性相，該組織的存在會(huì)使焊接接頭的抗裂性降低。

（2）SCu1898紫銅焊絲中加入P元素，會(huì)降低焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率，隨著P元素加入量的增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均降低。

（3）經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，SCu1898紫銅焊絲的P元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.07%以下，以減少焊接過(guò)程中熱裂紋的傾向。

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The Effect of Phosphorus on Welding Cracking Resistance of SCu1898 Red Copper Wire

TANG Liangxi， LI Yunfeng， WU Geli， XU Xiaolong， WANG Xiaojun，LI Youping
（Atlantic China Welding Consumables， Inc.， Zigong 643010， Sichuan， China）

In order to avoid welded joint crack appeared in SCu1898 red copper wire welding，the influences of different content of phosphorus on welded joint cracking resistance，structure and mechanical property were analyzed by chemical analysis，dye penetration test,metallographic test and tensile test with Independent smelting production of SCu1898 red copper wire.The test results showed that Cu3P brittle phase appeared in P-containing red copper wire ingot and deposited metal，P content increasing raised cracking tendency of SCu1898 red copper wire，and mechanical properties were declined significantly with P content increasing to 0.15%.Therefore，P mass fraction should be kept below 0.07%to reduce the tendency hot crack in welding process.

welding；SCu1898 red copper wire； phosphorus； cracking resistance； mechanical property

TG407

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.004

唐良喜（1984—），大學(xué)本科，主要從事有色金屬焊接材料的研發(fā)和技術(shù)服務(wù)工作。

2017－07－12

黃蔚莉