焊接溫度對(duì)銅合金T型接頭斷裂失效影響分析

曾美揚(yáng)　李儒彬　湯芳　段永華

摘要：銅合金作為導(dǎo)電用材料，在焊接過程中由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不可避免地采用T型搭接接頭形式，該接頭形式在動(dòng)載作用下，接頭拐角熱影響區(qū)容易發(fā)生疲勞斷裂。采用電阻釬焊方法，從焊接接頭斷口顯微分析、組織形貌、硬度測(cè)量等方面，分析焊接接頭斷裂原因，發(fā)現(xiàn)焊接溫度過高、高溫停留時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使得接頭受熱區(qū)組織粗大，粗大的熱影響區(qū)組織會(huì)使焊接接頭軟化，降低屈服強(qiáng)度等機(jī)械性能，焊接接頭在動(dòng)載及交變溫度場(chǎng)的反復(fù)作用下，會(huì)造成焊接接頭疲勞斷裂失效，因此控制焊接溫度和高溫處焊接時(shí)間是保證焊接接頭質(zhì)量的重要手段。

關(guān)鍵詞：T型接頭;焊接溫度;影響分析

中圖分類號(hào)：TG457.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2303（2020）02-0103-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.21

0 前言

銅及其合金的焊接是電器產(chǎn)品制造的特殊工序，其焊接質(zhì)量的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命，焊接時(shí)一般采用Ⅰ型、T型搭接接頭形式。由于銅合金T型搭接接頭形式一般會(huì)在接頭根部位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)者盡量避免采用，但是由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，T型搭接接頭形式有時(shí)不可避免，焊接接頭質(zhì)量的控制成為制造者的關(guān)注焦點(diǎn)。T型搭接接頭斷裂通常發(fā)生在T型接頭導(dǎo)線根部，斷口為疲勞斷口，斷裂失效既與運(yùn)行過程中的產(chǎn)品振動(dòng)、導(dǎo)電熱循環(huán)有關(guān)，也與焊接過程中引線焊接區(qū)和熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大，塑性、硬度和強(qiáng)度下降有關(guān)。因此，研究銅及其合金在釬焊[1]過程中焊接溫度對(duì)焊接接頭性能的影響并控制焊接溫度，避免接頭熱影響區(qū)組織粗大非常必要。

1 焊接接頭形式

銅導(dǎo)線焊接接頭T型搭接形式如圖1所示，由于在接頭拐角處存在應(yīng)力集中，在動(dòng)載及交變溫度場(chǎng)聯(lián)合作用下，該處容易發(fā)生多次反復(fù)擺動(dòng)而引起疲勞失效，斷裂位置通常在T型接頭的導(dǎo)線根部，如圖2所示。

2 試樣斷口形貌

采用清洗液將斷裂試樣清理干凈后，采用微觀顯微鏡觀察斷口形貌，發(fā)現(xiàn)斷口特征為疲勞斷口，疲勞回紋較為清晰，如圖3中箭頭所示。

進(jìn)一步觀察斷口組織特征，焊接區(qū)域及熱影響區(qū)組織粗大，非熱影響區(qū)組織與母材保持一致。由此可見，過高的焊接溫度及較長(zhǎng)的焊接時(shí)間會(huì)造成接頭組織粗大，而粗大的組織導(dǎo)致焊接接頭機(jī)械性能降低，造成焊接接頭失效。

3 模擬產(chǎn)品試樣焊接方法選擇

銅合金的釬焊性能良好，常采用火焰釬焊、感應(yīng)釬焊、電阻釬焊等方法[2]。由于火焰釬焊、感應(yīng)釬焊對(duì)溫度采集存在一定困難，為探究焊接熱循環(huán)對(duì)銅母材組織的影響程度，試驗(yàn)采用電阻釬焊模擬焊接T型接頭，同時(shí)監(jiān)測(cè)焊接溫度[3]，由于電阻釬焊的焊接周期很短，溫度變化很快，溫度測(cè)量采用四通道溫度采集系統(tǒng)，主要采集焊縫中心區(qū)、熱影響區(qū)等影響接頭性能區(qū)域的溫度，焊接試件如圖4所示，焊接接頭中心點(diǎn)、熱影響區(qū)熱循環(huán)曲線如圖5所示。

4 焊接溫度導(dǎo)致斷裂失效原因分析

為模擬焊接過程中溫度對(duì)導(dǎo)線機(jī)械性能的影響，選擇未焊接的銅導(dǎo)線研究其在不同溫度退火后的機(jī)械性能與退火溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。首先對(duì)銅導(dǎo)線分別進(jìn)行900 ℃、850 ℃、800 ℃、750 ℃、700 ℃、650 ℃、600 ℃、550 ℃、400 ℃退火，且高溫保溫20 min并采用空冷方式獲得試件，退火后觀察金相組織，測(cè)試硬度和抗拉強(qiáng)度。結(jié)果表明，銅導(dǎo)線在未退火情況下，抗拉強(qiáng)度為240 MPa;退火溫度低于650 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度基本大于220 MPa;退火溫度超過750 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度低于200 MPa，且隨退火溫度的上升抗拉強(qiáng)度不斷下降。

微觀金相檢驗(yàn)如圖6所示?？梢钥闯?，隨著溫度的提升，組織越來越粗大[4]，導(dǎo)線軟化，硬度值隨退火溫度的升高而降低。

基于模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際焊接接頭進(jìn)行焊接，并對(duì)其進(jìn)行微觀檢驗(yàn)和硬度測(cè)量，比較接頭焊接區(qū)與非受熱區(qū)的晶粒大小，如圖7所示。導(dǎo)線焊后焊接區(qū)域平均晶粒尺寸約為80 μm，可以明顯看出，經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后，導(dǎo)線組織完成了較為充分的再結(jié)晶，晶界較為清晰完整。引線的非受熱區(qū)平均晶粒尺寸小于20 μm。通常銅的再結(jié)晶溫度區(qū)間為450～650 ℃，再結(jié)晶后，塑性變形造成的晶體缺陷和破碎晶粒大部分消失，形成完整的大角度晶界，溫度繼續(xù)升高，晶粒開始明顯長(zhǎng)大，影響其長(zhǎng)大的最主要因素是溫度，其次是高溫停留時(shí)間。

T型搭接接頭在電阻釬焊后，焊接區(qū)晶粒尺寸最大，其長(zhǎng)大程度約為未受熱影響區(qū)晶粒尺寸的3～4倍，按Hall-Petch關(guān)系，多晶材料的室溫屈服極限隨晶粒尺寸的增加而降低，因此，焊接接頭焊接區(qū)和熱影響區(qū)均發(fā)生了軟化。為驗(yàn)證接頭及熱影響區(qū)的軟化程度，測(cè)量焊接接頭焊接區(qū)和熱影響區(qū)及母材硬度，焊接區(qū)硬度為50～60 HV，熱影響區(qū)硬度從靠近焊縫至母材方向，硬度值由60 HV升至接近母材硬度值86 HV?？梢钥闯?，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度值比非熱影響區(qū)下降明顯，屈服極限也必然下降。

綜上可知，對(duì)于微線規(guī)銅導(dǎo)線的焊接，由于焊接區(qū)域空間狹小，無法通過測(cè)溫系統(tǒng)控制焊接溫度，只能通過操作人員目測(cè)控制焊接溫度，存在溫度過高的現(xiàn)象。過高的焊接溫度會(huì)造成導(dǎo)線軟化、組織晶粒粗大、硬度降低、機(jī)械性能下降，特別是對(duì)于T型導(dǎo)線接頭，在交變載荷和溫度場(chǎng)的反復(fù)作用下，容易發(fā)生疲勞斷裂[5]。為避免焊接溫度對(duì)接頭質(zhì)量的影響，在焊接操作過程中須對(duì)焊接溫度和高溫停留時(shí)間進(jìn)行有效的控制。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 陳祝年. 焊接工程師手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.