20鋼-鋁青銅焊接接頭的組織和高周次疲勞性能研究

呂堂祺 丁 凱 施睿贇 張?jiān)?李曉虹 高玉來

（1.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；2.上海大學(xué) 先進(jìn)凝固技術(shù)中心，上海 200444；3.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444）

能最大限度利用不同材料特性的異種材料焊接技術(shù)已在航空、航天、造船、汽車等諸多工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［1-3］。鋁青銅具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐磨性、耐蝕性和潤滑性等特性，應(yīng)用廣泛［4-5］。但鋁青銅的強(qiáng)度較低，難以滿足某些結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度要求，因此需與鋼焊接在一起。

將鋁青銅與鋼焊接在一起的制造技術(shù)廣泛用于承受高周次循環(huán)載荷的結(jié)構(gòu)件，如海洋鉆井自升式平臺(tái)X-Y滑移裝置中的鋁青銅與EH36高強(qiáng)鋼的焊接件［6］等。高周次循環(huán)載荷易導(dǎo)致焊接接頭高周疲勞破壞，因此鋁青銅與鋼的焊接構(gòu)件需具有優(yōu)異的高周次疲勞性能。然而，在焊接鋁青銅和鋼時(shí)，二者的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)和力學(xué)性能有較大差異，焊接接頭中易產(chǎn)生焊接缺陷［7］和不均勻組織［8］，從而嚴(yán)重影響其高周次疲勞性能。Shao等［9］研究了9Cr-CrMoV鋼焊接接頭的高周次疲勞性能，發(fā)現(xiàn)焊接接頭中的夾雜和氣孔是導(dǎo)致疲勞斷裂的主要原因。Zhu等［10］研究了微觀組織和顯微缺陷對(duì)CrMoV鋼高周疲勞性能的影響，認(rèn)為組織不均勻?qū)Ω咧芷谛阅艿挠绊懸笥陲@微缺陷?？傊?，研究鋁青銅與鋼的焊接接頭的高周疲勞性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文采用手工鎢極氬弧焊工藝焊接20鋼和鋁青銅；采用光學(xué)顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織；采用掃描電鏡分析高周疲勞斷口形貌，結(jié)合能譜分析判斷引起疲勞斷裂的裂紋源，根據(jù)焊接接頭組織與疲勞性能的關(guān)聯(lián)性，提出有效改善焊接接頭疲勞性能的措施。

1 試驗(yàn)材料與方法

研究用20鋼和鋁青銅以及S214焊絲的化學(xué)成分分別列于表1和表2。焊接工藝為手工鎢極氬弧焊，單層單道次焊接。測定焊接接頭的室溫高周疲勞性能。疲勞試驗(yàn)過程示意圖如圖1所示?；A(chǔ)載荷為44.5 MPa，試驗(yàn)頻率為15 Hz，當(dāng)加載端的位移值達(dá)到1.5 mm時(shí)，系統(tǒng)將判定焊接接頭中已產(chǎn)生裂紋并自動(dòng)停機(jī)。

表1 試驗(yàn)用20鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the tested 20 steel（mass fraction） %

表2 試驗(yàn)用鋁青銅和焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical compositions of the tested albronze and welding wire（mass fraction） %

圖1 20鋼-鋁青銅焊接接頭的疲勞試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic of the fatigue test for the welded joint of 20 steel and albronze

2 結(jié)果與討論

2.1 高周疲勞斷口形貌

圖2為1號(hào)20鋼-鋁青銅焊接接頭高周疲勞試樣斷口的宏觀形貌。從圖2可以看出，疲勞斷口中僅有焊縫和20鋼，說明在高周疲勞試驗(yàn)過程中鋁青銅側(cè)母材和熱影響區(qū)不是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展方向的反推可知，疲勞裂紋起始于焊縫與20鋼的熔合線附近。對(duì)疲勞斷口局部放大后發(fā)現(xiàn)，1號(hào)焊接接頭中存在較嚴(yán)重的銅熔入。鎢極氬弧焊工藝的熱輸入較大［11］，加之在焊接過程中由于手工焊接不穩(wěn)定，進(jìn)一步增大了局部熱輸入，導(dǎo)致20鋼表面局部過熔，嚴(yán)重破壞了20鋼表面的平整，在焊接接頭中形成了尺寸約4.37 mm的過焊銅熔入缺陷（圖2（b））。根據(jù)疲勞裂紋的擴(kuò)展路徑可以斷定，1號(hào)焊接接頭的疲勞裂紋源為過焊導(dǎo)致的銅熔入焊接缺陷。

圖3為2號(hào)20鋼-鋁青銅焊接接頭高周疲勞試樣斷口的TEM形貌。從圖3可以看出，導(dǎo)致2號(hào)接頭高周疲勞斷裂的裂紋源為焊接產(chǎn)生的氣孔，氣孔區(qū)具有典型的枝晶形貌，氣孔尺寸約為227.7μm。對(duì)氣孔周圍進(jìn)行能譜面掃描發(fā)現(xiàn)，氣孔位于鄰近20鋼熔合線的焊縫。由于鋁青銅中含有一定量的氧，焊接過程中氫向銅中擴(kuò)散，高溫下形成了H2和H2O氣體，且不溶解于銅，快速凝固時(shí)聚集，來不及逸出，導(dǎo)致焊縫中形成了氣孔［12］。根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展路徑判定，2號(hào)焊接接頭的疲勞裂紋源為氣孔缺陷。

圖2 1號(hào)焊接接頭高周疲勞試樣斷口的宏觀形貌Fig.2 Micrographs of fracture of the high-cycle fatigue test specimen for the joint No.1

圖3 2號(hào)焊接接頭高周疲勞試樣斷口的微觀形貌Fig.3 Micrographs of fracture of the high-cycle fatigue test specimen for the joint No.2

圖4為3號(hào)焊接接頭高周疲勞試樣斷口的微觀形貌。從圖4可以看出，焊接接頭疲勞斷裂起始于20鋼側(cè)熔合線附近。能譜mapping模式檢測發(fā)現(xiàn)，3號(hào)焊接接頭疲勞斷裂的裂紋源為鄰近熔合線的焊縫中的鐵熔入，是由于焊接過程中局部焊接熱輸入過大所致。

2.2 顯微組織

采用相同工藝焊接的20鋼-鋁青銅焊接接頭高周次疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，20鋼側(cè)的熔合線區(qū)域的疲勞性能較差，其顯微組織如圖5所示。從圖5可以看出，在鄰近熔合線的焊縫區(qū)有明顯的鐵熔入和焊接缺陷。20鋼側(cè)熔合線區(qū)域的局部組織如圖6所示，可以看出，接頭中在鄰近20鋼熔合線的焊縫區(qū)存在未熔合和氣孔等焊接缺陷（圖6（c、d）），以及因焊接熱輸入過大導(dǎo)致的鐵熔入（圖6（e））。圖6（f）為 20鋼母材的顯微組織，為珠光體和鐵素體［13］。受焊接熱影響，20鋼熱影響區(qū)的組織為貝氏體。

3 結(jié)論

（1）20鋼-鋁青銅焊接接頭焊縫區(qū)的組織為α-Cu，熱影響區(qū)20鋼的組織為貝氏體，存在未熔合、氣孔、過焊銅熔入、過焊鐵熔入等焊接缺陷。

圖4 3號(hào)焊接接頭高周疲勞試樣斷口的微觀形貌Fig.4 Micrographs of fracture of the high-cycle fatigue test specimen for the joint No.3

圖5 20鋼-鋁青銅焊接接頭截面的全貌圖Fig.5 Overall view of cross-section of the welded joint of 20 steel and albronze

（2）20鋼-鋁青銅焊接接頭高周疲勞試樣斷口均無熱影響區(qū)鋁青銅和母材鋁青銅，疲勞斷裂起始于20鋼側(cè)熔合線附近，氣孔、過焊導(dǎo)致的銅、鐵熔入等焊接缺陷是疲勞斷裂的裂紋源。

（3）銅與鋼的熱導(dǎo)率差異、鎢極氬弧焊工藝的焊接熱輸入較大和手工焊穩(wěn)定性差，是造成20鋼-鋁青銅焊接接頭中產(chǎn)生焊接缺陷和不均勻組織并最終導(dǎo)致接頭疲勞斷裂的主要原因。降低焊接熱輸入、提高焊接過程的穩(wěn)定性可減少甚至消除20鋼-鋁青銅焊接接頭中的焊接缺陷，提高焊接接頭的高周疲勞性能。

圖6 20鋼-鋁青銅焊接接頭鄰近熔合線的20鋼腐蝕前（a，c）、后（b，d）的顯微組織和20鋼熱影響區(qū)（e）、20鋼母材（f）的顯微組織Fig.6 Microstructures of 20 steel adjacent to the fusion line before（a，c）and after（b，d）being etched，and microstructures of the 20 steel in HAZ（e）and the parent20 steel（f）