銥與鎳基合金焊接接頭的組織與性能分析

張建軍 杜德魁 楊輝睦 陳小雙 趙仕方

摘要：為解決原有火花塞中心電極焊接工藝造成的貴金屬用量多、焊接不牢靠以及易產(chǎn)生裂紋、氣孔等問(wèn)題，通過(guò)電子探針（EPMA）研究了不同焊件結(jié)構(gòu)對(duì)焊接區(qū)域的元素的擴(kuò)散、材料之間的冶金結(jié)合的影響，通過(guò)掃描電鏡（SEM）研究了不同結(jié)構(gòu)對(duì)焊接區(qū)域斷口界面組織的影響，同時(shí)測(cè)試了不同結(jié)構(gòu)焊件樣品的電阻率及彎折強(qiáng)度。結(jié)果表明，采用平面結(jié)構(gòu)焊接，確保了焊接端面的接觸，有利于材料的冶金結(jié)合，雖然彎折強(qiáng)度降低了11.6%，但是整體焊接穩(wěn)定性有所提升，同時(shí)大幅度降低了焊接氣孔生成的幾率，降低了平均電阻率，提高了整體性能。

關(guān)鍵詞：貴金屬焊接; 火花塞電極; 微觀組織; 焊接性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 406

Abstract：In order to solve the problems?such as cost of precious metals?unstable welding strength and welding defects like crack and pores?existing spark plug center electrode welding process?the influence of different structures on the element diffusion and metallurgical combination between two materials was studied by electron probe micro-analyzer （EPMA）and the welding area fracture morphology was studied by scanning electron microscopy （SEM）. Besides?the resistivity and welding strength of samples were tested. The results showed that the flat welding structure ensured the welding contact area?which was beneficial to the metallurgical bonding of the material. Although the bending strength reduced by 11.6%?the overall welding stability was improved and probaility of welding porosity was greatly reduced. Meanwhile?the average resistivity reduced and the overall performance was improved.

Key words：precious metal welding; spark plug electrode; microstructure; welding performance

0?前言

銥合金具有高熔點(diǎn)、高溫抗氧化性好、抗腐蝕性好、高溫韌性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域[1]。尤其在火花塞上的使用，銥合金可使火花塞點(diǎn)火間隙更小、點(diǎn)火溫度更高，并有可能獲得比鉑合金較高的性價(jià)比，故而在汽油機(jī)火花塞商用市場(chǎng)的應(yīng)用發(fā)展迅速[2]。近年來(lái)，銥合金的高溫抗蠕變性能和焊接性能方面的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展[3-4]。許多新型銥合金材料已經(jīng)能夠在高溫下具有比銥更高的延展性能和高溫抗氧化性能，同時(shí)銥合金在加工性能和加工手段上也獲得了明顯發(fā)展，并因此促進(jìn)了高溫合金材料的研究[5-6]。

銥金火花塞是新一代高性價(jià)比火花塞，它的電極是用鎳基合金（NiCrMnSi）電極上焊接銥合金材料形成的[7-9]?，F(xiàn)有的焊接方法通常為孔焊法[10]，即在鎳基電極上鉆一小孔，將銥絲中的一小段插入孔中進(jìn)行焊接，通常有孔洞結(jié)構(gòu)和錐孔結(jié)構(gòu)。此種焊接方法銥與鎳電極連接牢固，不會(huì)產(chǎn)生銥的脫落，但在孔中往往會(huì)形成空洞及氣孔，增加電極的電阻，影響電極的使用性能，此外，埋入的銥也增加了銥的用量。而采用平面結(jié)構(gòu)，即直接將銥的橫截面焊接在鎳電極端面上，該工藝在保證銥與鎳電極連接牢固的前提下，可解決孔焊工藝存在的上述問(wèn)題。

現(xiàn)階段針對(duì)銥及其合金與鎳基合金焊接方面的研究較少，主要集中在貴金屬與貴金屬的焊接研究[8，11]，或者關(guān)于鎳基合金焊接方面的研究[12-13]，因此有必要針對(duì)貴賤金屬焊接機(jī)理進(jìn)行研究。

1?試驗(yàn)材料與方法

1.1?樣品制備

分別制備孔洞結(jié)構(gòu)、錐孔結(jié)構(gòu)以及平面結(jié)構(gòu)，如圖1所示，樣品3組各20個(gè)。三種結(jié)構(gòu)均先采用電阻焊接（焊接電流400 A±40 A，時(shí)間4 s±0.2 s）后激光焊接（功率230 W±15 W，時(shí)間1 000 ms±200 ms）的方法，電阻焊在焊接時(shí)會(huì)在電極垂直方向施加一定的壓力，再采用激光焊在焊接位置一圈進(jìn)行加固焊接。在相同焊接參數(shù)下將不同結(jié)構(gòu)的銥金電極（純度>99.9%）頭與鎳基基座電極（NiCrMn10Si）或基板焊接，各組中的20個(gè)樣品，取其中的10個(gè)樣品直接焊接在鎳基電極上，用于焊接橫截面微觀形貌分析以及電阻率分析;取另10個(gè)樣品直接焊接在試驗(yàn)用的鎳基基板上，用于焊接強(qiáng)度分析以及斷口形貌分析。

1.2?試驗(yàn)方法

分別制取3種不同結(jié)構(gòu)樣品的截面樣品，通過(guò)EPMA（EPMA-1600）對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行元素面掃描，獲得上述區(qū)域的元素面分布情況，同時(shí)對(duì)焊接區(qū)域有較大成分差異的焊接層進(jìn)行厚度測(cè)定。

采用直流電阻測(cè)試儀（CHT3540-1），小電流脈沖測(cè)試模式，溫度補(bǔ)償內(nèi)部觸發(fā)方式，對(duì)比不同樣品的電阻率。

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6791—2012《道路車(chē)輛 火花塞及其氣缸蓋安裝孔 基本特征及尺寸》與GB/T 34586—2017《道路車(chē)輛燃?xì)饣鸹ㄈ?試驗(yàn)方法和要求》中對(duì)火花塞絕緣體彎折強(qiáng)度試驗(yàn)方法，通過(guò)拉壓力測(cè)試儀（SH-2000N）及專用工裝測(cè)試樣件焊接后的彎折強(qiáng)度。取折斷力最高與最低的兩個(gè)樣品，對(duì)樣品斷口截面進(jìn)行低倍SEM形貌分析以及EPMA分析。

2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?焊接截面EPMA測(cè)試分析

圖2為3種銥合金電極焊接結(jié)構(gòu)樣品豎剖面的二次電子相。由圖2可看出，孔焊在鎳基體電極孔的底部區(qū)域與銥線材因不可能完全匹配而產(chǎn)生空洞，這種空洞會(huì)影響電極的導(dǎo)電性、結(jié)合強(qiáng)度，此外，Ir和Ni元素都沒(méi)有熔化，界限分明，說(shuō)明該電極焊接工藝未能使Ir，Ni元素達(dá)到融熔狀態(tài)，Ir和Ni沒(méi)有形成冶金結(jié)合;錐孔結(jié)構(gòu)焊接的銥電極尖端在焊接過(guò)后壓入了大約200 μm到鎳基體電極中;而平面結(jié)構(gòu)焊接是銥電極與鎳基座交界處Ir元素有明顯的熔化現(xiàn)象。

圖3為銥合金電極孔洞結(jié)構(gòu)焊接豎剖面元素分布，孔洞結(jié)構(gòu)焊接工藝因?yàn)榭锥吹拇嬖谑沟煤附訒r(shí)兩種金屬斷面接觸面較小，在壓入過(guò)程中兩側(cè)面的摩擦減小了接觸面的壓力，使得焊后接觸斷面的熔融區(qū)減少，因此主要通過(guò)側(cè)面的Ir元素和鎳基座發(fā)生熔融而實(shí)現(xiàn)連接。同時(shí)，焊接后融合區(qū)域較少同時(shí)出現(xiàn)了焊接不均的現(xiàn)象。

圖4為銥合金電極錐孔結(jié)構(gòu)焊接豎剖面元素分布，在銥電極和鎳基座兩種基體材料中均有的Cr元素的存在，銥與鎳基材料形成擴(kuò)散偶，Ir元素沒(méi)有發(fā)生向鎳基座一側(cè)的擴(kuò)散，但I(xiàn)r元素的濃度突變界線很明顯。在互擴(kuò)散區(qū)有均勻的Ir+Ni元素的固溶體，同時(shí)亦可確定，互擴(kuò)散區(qū)中Ni元素的濃度較Ir元素的濃度高。在高溫和一定壓力下兩種基體的擴(kuò)散焊，銥和鎳基座通過(guò)表面接觸發(fā)生蠕變和擴(kuò)散作用而實(shí)現(xiàn)兩種材料的冶金結(jié)合。

圖5為平面結(jié)構(gòu)銥合金電極樣品的豎剖面元素分布。在銥、鎳兩種基體材料中均有的Cr元素的存在，Ir元素沒(méi)有發(fā)生向鎳基座一側(cè)的擴(kuò)散，而Ni元素卻發(fā)生了向銥基體的單向擴(kuò)散，隨與鎳基體距離的增加，其濃度近似呈現(xiàn)漸變，沒(méi)有發(fā)生突然下降的趨勢(shì)。錐孔結(jié)構(gòu)與平面結(jié)構(gòu)均為在高溫和一定壓力下兩種基體的擴(kuò)散焊，Ir和鎳基材料通過(guò)表面接觸發(fā)生蠕變和擴(kuò)散作用而實(shí)現(xiàn)兩種材料的冶金結(jié)合。相對(duì)于上述兩種結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)銥電極的焊接受壓接觸面較多，鎳基材料發(fā)生了向銥基體的單向擴(kuò)散，Cr元素、Mn元素?cái)U(kuò)散至銥基體中以Ir元素為熔劑，容易形成Ir的固溶體而不容易形成Cr3Ir，Mn3Ir，MnIr等金屬間化合物。

2.2?SEM斷口形貌分析及EDS分析

圖6為典型平面結(jié)構(gòu)焊接的斷口SEM形貌。圖6a中的樣件斷裂發(fā)生在以（Ni，Ir）相為主體的區(qū)域，斷口處較為光滑，斷裂面呈亮白色圓形狀，結(jié)構(gòu)致密，焊接區(qū)域（銥直徑）外有熔融的Ir元素存在，鎳基基體無(wú)裂紋存在。而圖6b中的樣件斷裂面是Ir和Ni元素的結(jié)合界面，斷口處凹凸不平，亮白色的為Ir，也有部分的Ni裸露出來(lái)。根據(jù)圖6a及表1可將整個(gè)樣品分為兩個(gè)區(qū)域，首先是鎳電極基體與銥絲接觸焊接面，該區(qū)域內(nèi)主要為（Ir，Ni）相為主的擴(kuò)散區(qū)，其中，Ir∶Ni=98.49∶1.51（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）（表1）;在外圈是因焊接熱傳導(dǎo)而形成的（Ir，Ni）相為主的擴(kuò)散區(qū)，其中，Ir∶Ni=98.49∶1.51（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）（表1）;在外圈是因焊接熱傳導(dǎo)而形成的Ni與Ir元素的熔融表面及部分Ni，Ir元素互擴(kuò)散區(qū)，該區(qū)域內(nèi)主要以（Ni，Ir）相為主，其中，Ir∶Ni=7.23∶87.36（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%），并呈不規(guī)則形狀。同時(shí)亦可確定，基體中的元素如Cr，Mn?Si等沒(méi)有擴(kuò)散到鎳基基體與銥絲接觸的（Ir，Ni）相焊接面中。

圖6b斷口處有部分的Ir，也有部分的Ni裸露出來(lái)，該斷裂面是Ir和Ni的結(jié)合界面，斷裂的發(fā)生既有以（Ir，Ni）相為主的區(qū)域，其中，Ir∶Ni=96.23∶3.77（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%），Ni向Ir中的擴(kuò)散增加;也有以（Ni，Ir）相為主的區(qū)域，其中，Ir∶Ni=6.54∶89.56（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%），Ir向Ni中的擴(kuò)散減少。因Ni較Ir的熔點(diǎn)低了1 000 ℃以上，脆斷是由結(jié)合界面處靠Ni一邊的（Ni，Ir）相晶粒長(zhǎng)大造成的，如圖7所示。銥在鎳基體上有清皙分界線，由圖7可看出，斷口凹凸不平，焊接區(qū)域（銥直徑）外有熔融的Ir存在，鎳電極基體存在大量裂紋，有嚴(yán)重?zé)龘p痕跡。

根據(jù)表2可將鎳電極基體與銥絲接觸焊接面分為兩種擴(kuò)散過(guò)程：①Ni元素向銥基體中的擴(kuò)散形成的（Ni，Ir）相層區(qū)域;②Ir元素向鎳基體中的擴(kuò)散形成的（Ir，Ni）相層區(qū)域。同時(shí)亦可確定，基體中的元素如Cr，Mn，Si等沒(méi)有擴(kuò)散到鎳電極基體與銥絲接觸的（Ir，Ni）相焊接面中。2.3?電阻率測(cè)試分析

由于火花塞點(diǎn)火電壓可到達(dá)30 000 V以上，電阻率的高低可對(duì)點(diǎn)火能量造成顯著影響，且引起電阻率變化的主要原因?yàn)闅饪茁始皻饪椎拇笮　Ｈ绫?所示，正常情況下標(biāo)準(zhǔn)電阻率應(yīng)該在7.1×10-8 Ω·m左右，由于孔洞與錐孔結(jié)構(gòu)焊接容易出現(xiàn)氣孔與焊接不均等不良現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)較大氣孔現(xiàn)象時(shí)，即焊接時(shí)焊件由于洞壁的阻礙，端面未完全接觸，冶金結(jié)合面積降低，焊件電阻率出現(xiàn)明顯增加，從7.1×10-8 Ω·m左右上升到12.5×10-8 Ω·m以上，同時(shí)從表3可以推斷孔洞結(jié)構(gòu)與錐孔結(jié)構(gòu)均有可能形成不同大小的氣孔，根據(jù)氣孔大小不同，電阻率范圍在7.8×10-8 ～9.8×10-8 Ω·m之內(nèi)。雖然平面結(jié)構(gòu)焊接樣品也有可能出現(xiàn)氣孔，電阻率升至7.4×10-8 Ω·m，說(shuō)明氣孔大小明顯小于上述兩種結(jié)構(gòu)，因此平面結(jié)構(gòu)焊件的整體焊接穩(wěn)定性明顯高于其它兩種焊接結(jié)構(gòu)。

2.4?銥合金焊接強(qiáng)度測(cè)試分析

表4為3種焊接結(jié)構(gòu)的彎折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。在焊接正常的情況下，由于有洞壁的支撐，孔洞焊接結(jié)構(gòu)有最高的彎折強(qiáng)度，在0.74 MPa左右，錐孔結(jié)構(gòu)在0.69 MPa左右，平焊結(jié)構(gòu)在0.65 MPa左右，但孔洞結(jié)構(gòu)焊接次品率較高，最差的彎折強(qiáng)度僅有0.10 MPa，說(shuō)明因此該樣品焊件端面沒(méi)有結(jié)合，或焊接后出現(xiàn)裂紋，大幅度的降低了焊接面積?？锥唇Y(jié)構(gòu)樣品平均彎折強(qiáng)度為0.600 MPa，錐孔結(jié)構(gòu)樣品平均彎折強(qiáng)度為0.620 MPa，而平面結(jié)構(gòu)樣品平均彎折強(qiáng)度為0.617 MPa。盡管平面結(jié)構(gòu)樣品在正常焊接情況下的標(biāo)準(zhǔn)彎折強(qiáng)度降低了11.6%，但平均彎折強(qiáng)度提升了2.8%，且有缺陷的焊接樣品產(chǎn)生幾率明顯下降。因此平焊結(jié)構(gòu)更加有利于質(zhì)量把控。

3?結(jié)論

（1）EPMA結(jié)果表明，3種焊接結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了不同程度的擴(kuò)散焊，但平焊結(jié)構(gòu)冶金結(jié)合的體積明顯大于其它兩種，Ir元素向鎳基體擴(kuò)散更多。

（2）平焊結(jié)構(gòu)具有低彎折強(qiáng)度是出現(xiàn)大量微裂紋，且結(jié)合界面處靠Ni一邊的（Ni，Ir）相晶粒長(zhǎng)大造成的，Ir元素未能足夠的向鎳基體擴(kuò)散導(dǎo)致結(jié)合力變差是產(chǎn)生裂紋的主要原因。同時(shí)由于焊接工藝不穩(wěn)定會(huì)造成燒蝕過(guò)度的現(xiàn)象，鎳電極基體存在大量裂紋等不良現(xiàn)象。

（3）平面結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于其它兩種結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)特性，大氣孔不可能產(chǎn)生，從而降低了整體的電阻率，雖然彎折強(qiáng)度下降了11.6%，但焊接質(zhì)量質(zhì)量更加穩(wěn)定，成品率明顯增加，綜合性能明顯優(yōu)于另外兩種結(jié)構(gòu)。

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