紫銅和低碳鋼異種材料焊接工藝研究

上官蕓娟

（常州大學懷德學院，江蘇 靖江 214513）

銅合金和鋼都是生產中常用的材料，銅合金由于其優(yōu)異的導電導熱性能而在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用，但是為了節(jié)約成本，生產中常常只是在關鍵部位采用銅合金，而其他部位則采用價格相對低廉的鋼材料。如航空發(fā)動機柱塞泵柱塞采用錫青銅與合金鋼異種金屬連接而成[1]。銅合金和鋼連接，可以充分利用鋼的強度和銅的高導電、高熱導的特性，也可以降低成本。所以，銅合金與鋼之間的焊接顯得尤為重要。

本文主要研究紫銅和鋼在TIG氬弧釬焊的焊接工藝，分析其接頭的組織成分特點，研究接頭的力學性能，找到相對合適的焊接工藝參數。

1 試驗過程

試驗材料為紫銅（T2）與低碳鋼（Q235），試件尺寸：400×150×3mm3，接頭形式采用對接。焊接時采用φ3mm的HS201焊絲，使用Panosonic焊機進行TIG焊，分別采用焊接電流140A（不預熱）、140A預熱400℃及180A進行焊接。開V型不對稱坡口（鋼側40゜坡口，銅側30゜坡口），短弧焊接，斜“之“字形運條方法。焊后沿焊縫橫截面方向截取金相、拉伸與彎曲試樣，采用不同的腐蝕液腐蝕接頭的不同部位進行金相組織觀察和分析。彎曲試樣打磨余高，每試驗組工件取三組拉伸和彎曲試樣。試樣拉斷后，每試驗組取一斷口，分析斷裂機制。

2 試驗結果及分析

2.1 接頭顯微組織分析

圖1為接頭宏觀圖片，從圖中可以看出，140A和140A預熱工藝條件下，鋼側為釬焊接頭，鋼在焊接過程中未熔化；在180A電流的工藝條件下，鋼側母材近縫處的表層部分熔化，但是在焊縫根部由于熱量不足并未熔化。三種焊接電流下銅側母材在焊接過程中均熔化，形成了良好的熔焊接頭。

圖1 接頭宏觀照片

2.1.1 銅側及焊縫組織分析

三種焊接參數下銅側均實現了熔焊，以焊接電流為140A不進行預熱的接頭為例進行分析，如圖2所示。從2a)可以看出，銅側熱影響區(qū)晶粒明顯粗大。在熔合線處，晶粒處于半熔化狀態(tài)，在凝固過程中，晶粒通過聯生結晶的方式向焊縫中生長，同時觀察熔合線兩側晶粒特點可以發(fā)現，在焊縫中的晶粒存在一定的偏析。圖2b）為焊縫中晶粒照片，可以看出焊縫中的晶粒粗大，在同一晶粒中存在合金元素的偏析。由于在這個工藝條件下鋼側未熔化，所以焊縫中的組織比較簡單，基本為銅的α固溶體。

圖2 焊縫顯微組織

2.1.2 鋼側顯微組織分析

圖3 180A電流鋼側顯微組織

圖3為180A電流不預熱工藝條件下鋼側顯微組織。在此工藝條件下，只在鋼表層有少量的熔化，大部分區(qū)域鋼母材都未熔化。圖中可以明顯看到枝晶狀和球狀析出物，對該部位進行成分分析，如圖3中1所示位置，析出的樹枝晶成分為80.72%的Fe元素和19.28%的Cu元素，同時在焊縫中也觀察到了球狀的析出物，如圖中2位置處，為76.63%的Fe元素和23.37%的Cu元素。經過分析認為，是鋼發(fā)生熔化后，Fe元素大量浸入焊縫，在局部達到飽和、過飽和冷卻過程中，由于溶解度下降，Fe元素析出，形成圖中的樹枝狀，由于焊接熱過程短，有部分Fe未溶解在焊縫中，則形成銅的鐵固溶體，保持球形[2]。圖3-2b)為同一工藝條件下鋼未發(fā)生熔化的區(qū)域，在界面處存在一塊較黑的區(qū)域，對此區(qū)域進行成分分析，如圖3中3所示位置，成分為64.14%的Fe元素和19.93%的Cu元素，形成該界面的原因是，在未熔化的界面Fe元素主要通過溶解進入焊縫，由于Fe元素向焊縫中發(fā)生擴散，形成Fe的固溶體。從圖中還可以看出，Cu元素向Fe的固溶體區(qū)域發(fā)生滲透。

圖4為140A電流預熱和140A電流不預熱兩種工藝條件下，鋼側界面金相組織形貌。對比可以看出，在相同電流下，采用預熱工藝后，鋼側Fe元素向焊縫中溶解明顯增強，在4a)圖中可以明顯看到由于Fe向焊縫中擴散而形成的泛鐵層，而在4b)中，鋼與焊縫界面明顯，說明Fe元素擴散很少。

圖4 不同工藝條件下鋼側界面照片

2.2 力學性能測試

表1為不同工藝條件下接頭抗拉強度值，可以看出，預熱條件下的焊接接頭抗拉強度要優(yōu)于不預熱焊接，增大焊接電流，接頭的抗拉力學性能同樣得到改善，增加預熱工藝可以在較小電流條件下獲得大電流焊接接頭的力學性能。三組試樣斷口都在銅側母材上，觀察其宏觀斷口，可以發(fā)現有明顯的剪切唇和滑移線。斷口形貌如圖5所示，三種參數下的斷口均存在韌窩，說明了斷裂屬于延性斷裂，但預熱試樣韌窩數量多且大小均勻，韌性更好。在彎曲過程中，試件被彎處由焊縫向銅側滑移。彎曲結果顯示，接頭的塑性良好，在彎曲過程中未發(fā)現裂紋。

表1 不同工藝條件下拉伸力學性能（強度單位：MPa）

圖5 斷口照片

3 結論

①通過試驗論證，使用HS201焊絲進行氬弧釬焊紫銅和Q235鋼可以得到質量良好的焊接接頭，具有較高的抗拉強度和好的塑性。②通過對焊接接頭的金相觀察和成分分析，在焊縫中發(fā)現了鐵固溶體，并且固溶體在焊縫中有多種存在形式。③預熱條件下的焊接接頭力學性能要優(yōu)于不預熱焊接接頭，增大焊接電流，接頭的力學性能同樣得到改善。增加預熱工藝可以在較小電流條件下獲得大電流焊接接頭的力學性能。

[1]韓彩霞,張柯柯,楊蘊林,徐東.鋼與銅及銅合金的焊接研究現狀,熱加工工藝,2003,（6）：53-55.

[2]王海濤,孫清潔,楊春利,呂世雄.熱絲冷體TIG堆焊中的HS201焊絲潤濕鋪展研究,焊接,2008,（12）：40-42.