純銅板大面積搭接疊加電阻釬焊工藝及缺陷檢測

李學浩 朱仁萍

摘要：對不同疊加面積的純銅板進行搭接電阻釬焊工藝試驗和釬縫的超聲波探傷、金相測試研究。結(jié)果表明：施加電極壓力大小和施加壓力的均勻性是釬合率達到要求和焊接質(zhì)量穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，選用合適的電極壓力可以使不同疊加面積的純銅板電阻釬焊獲得理想的釬合率。平均寬度小于78 μm的釬縫內(nèi)部以局部焊縫間隙小形成的未熔合缺陷為主，平均寬度大于78 μm的釬縫內(nèi)部以釬料未填滿形成的“ 疏松 ”和圓形孔洞缺陷為主，超聲波探傷與金相測試的釬合率大小相一致，可以采用超聲波探傷對大面積疊加電阻釬焊的釬合率進行有效的檢測。

關(guān)鍵詞：電阻釬焊;超聲波探傷;釬合率;電極壓力

中圖分類號：TG454 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0081-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.16

0 ? ?前言

目前，國內(nèi)外空冷汽輪發(fā)電機并聯(lián)環(huán)（銅排式環(huán)形引線）和大型電機導(dǎo)電排的環(huán)形銅排和引線搭接疊加焊接以感應(yīng)釬焊和火焰釬焊為主，搭接疊加部分的面積為25 mm×35 mm～100 mm×200 mm，單個工件厚度5～20 mm。釬縫間隙和間隙大小的均勻性是保證釬焊焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，純銅工件散熱較快、釬焊面積大、厚度較厚，若采用火焰釬焊和感應(yīng)釬焊，必須采用專用夾具夾緊來保證釬縫的間隙大小和均勻性。火焰釬焊采用氣體火源加熱工件，無法使整個釬縫達到同一個溫度，純銅在還原性火焰氣氛下釬焊易發(fā)生氫脆[1];感應(yīng)釬焊的溫度均勻性取決于線圈的布置，同時要考慮工件的夾緊[2]，而線圈的布置很難保證在整個釬縫區(qū)域溫度達到均勻。因此，采用火焰釬焊和感應(yīng)釬焊在實際焊接過程中，因工件的夾緊和溫度均勻性問題造成釬合率低而進行二次釬焊的情況頻繁發(fā)生。電阻釬焊無需制作專門夾具，它是利用焊機自身的液壓機構(gòu)將力傳遞給石墨電極將工件夾緊，石墨電極全部覆蓋釬縫區(qū)域，釬縫間隙均勻，通過石墨電極傳熱給工件和工件與釬料之間的電阻熱來熔化釬料，加熱較為均勻。通常電阻焊機功率較小，加熱速度較慢，連接石墨電極的臺面較小，可裝夾的石墨電極面積小，無法覆蓋大的焊接區(qū)域。

本研究為了實現(xiàn)并聯(lián)環(huán)、導(dǎo)電排純銅板大面積搭接疊加的電阻釬焊，定制了一臺160 kW電阻焊機，加大了工作臺和連接石墨電極的臺面，使其可以裝夾200 mm×200 mm的石墨電極。采用電阻焊機對純銅板疊加進行釬焊試驗，對不同尺寸的釬縫（兩件母材疊加覆蓋區(qū)域）施加不同的電極壓力進行釬焊，采用超聲波探傷方式來檢測焊縫釬合率，以此確定壓力大小和焊接效果，并解剖釬縫，來驗證釬焊間隙的均勻性和超聲波探傷檢測釬合率的準確性。

1 焊接材料及設(shè)備

焊接用母材均為T2銅，焊接結(jié)構(gòu)是兩件母材直接搭接疊加，如圖1所示，中間放置片狀釬料。由于電阻釬焊時釬劑易造成導(dǎo)電不良而無法啟動加熱，故選用在空氣中具有自釬作用的含有P元素的BCu80AgP釬料，該釬料在含P的銅基釬料中導(dǎo)電率較高，熔化溫度640～815 ℃[3]，焊接溫度為815～

900 ℃。

電阻釬焊的電阻焊機型號為GKH-160，功率160 kW，焊機的電極為石墨塊，通過石墨電極夾緊工件，通電焊接時，電流經(jīng)過石墨電極傳導(dǎo)至工件，利用通電時石墨電極的傳熱和銅板與釬料之間的電阻熱來加熱銅板和釬料。

采用CTS-23A超聲波探傷儀和2 MHz的K2K直探頭對釬縫進行超聲波檢測，以判斷釬縫的釬合率情況。

2 釬焊過程

電阻釬焊示意如圖2所示，焊機石墨電極的面積不小于兩件銅板的疊加釬焊面積，工件的放置必須保證釬焊面積全部在電極的覆蓋范圍內(nèi)。在兩銅板之間預(yù)置0.2 mm厚的BCu80AgP片狀釬料，設(shè)置焊機電極壓力，移動焊機上下電極夾緊銅板，焊接時測試電極溫度。通過試驗得知，銅板工件的溫度比電極溫度低60～80 ℃，電極的設(shè)定溫度比焊接溫度高60～80 ℃，實際焊接過程中電極設(shè)定溫度為940 ℃。加壓完成后，通電加熱，焊接過程中可根據(jù)釬料熔化情況適當小幅度調(diào)節(jié)溫度，觀察側(cè)面釬縫釬料熔化情況，待側(cè)面釬縫的箔狀釬料全部熔化后，使用φ2 mm的BCu80AgP焊絲補充四周釬料不充分的地方，補充完成后斷電停止加熱，壓力繼續(xù)保持一段時間，待溫度降至550 ℃以下，釬縫穩(wěn)定后，再卸載壓力，取下工件。

文中對不同厚度及不同搭接面積的工件進行試驗，母材搭接疊加面積分別為20 mm×35 mm、60 mm×60 mm、100 mm×100 mm，單件母材厚度5～15 mm，設(shè)置壓力0.5～4 MPa，焊后檢測表面壓痕、釬合率。

3 釬縫釬合率檢測及結(jié)果分析

3.1 釬縫釬合率超聲波檢測方式

利用超聲波通過銅母材后在釬焊層的反射和透射率不同，表現(xiàn)為反射波幅度的大小，對釬焊層進行探傷。銅的聲阻抗和銅銀釬料的聲阻抗接近，若銅銀釬料層與銅母材結(jié)合良好，超聲波縱波幾乎全部從銅母材透射到銅銀釬料層，無雜波反射;當銅銀釬料層和銅母材結(jié)合不良時，就會產(chǎn)生空氣間隙、夾渣等，銅母材或銅銀釬料與間隙或夾渣之間為異質(zhì)界面，超聲波在異質(zhì)界面處會產(chǎn)生較強的反射波。因此，可以根據(jù)釬縫界面處反射波幅度的大小來判斷釬焊質(zhì)量的好壞[4-6]。

參考西門子公司PS-84357JE《定子上下接頭連接超聲波探傷規(guī)范》對釬縫釬合率的判定方式，釬焊后靠近釬縫處銅板的內(nèi)部組織和釬縫處銅板的內(nèi)部組織最相近，底波的回波高度一致，因此選擇在單件銅板靠近釬縫處進行超聲波探傷靈敏度的調(diào)節(jié)。將探頭放置在此位置，使一次底波的反射訊號達到最大，并調(diào)整波幅至屏高的80%，在此基礎(chǔ)上增加12 dB作為探傷靈敏度，以兩個銅板之間釬接面反射波幅大于或等于80%的區(qū)域為釬接不良區(qū)域，其余區(qū)域為釬接良好區(qū)域。在實際操作過程中，探傷檢測前將釬縫覆蓋區(qū)域劃分成若干個方格，如圖3所示，每個方格尺寸為10 mm×10 mm，對每一個方格探傷，釬接良好的方格數(shù)與總方格的比值即為釬合率的百分比。

3.2 不同疊加尺寸工件試驗結(jié)果

選取20 mm×35 mm、60 mm×60 mm、100 mm×

100 mm三種疊加尺寸進行電阻釬焊試驗，兩件母材厚度為7.5 mm、15 mm，電極壓力分別為0.5～1.5 MPa、1.5～3.5 MPa、2～3.5 MPa，按上述超聲波探傷靈敏度進行釬縫檢測。在不同壓力下，試驗釬縫的超聲波探傷釬合率和銅板表面電極壓痕情況結(jié)果如表1所示，可以看出，疊加尺寸較小的工件（20 mm×35 mm）施加0.5 MPa的電極壓力即可獲得較好的釬合率，當壓力增加到1.5 MPa時，工件表面在高溫環(huán)境下開始發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生明顯的電極壓痕;當疊加尺寸為60 mm×60 mm、100 mm×100 mm時，電極壓力達到2 MPa時，釬合率仍較低，隨著壓力的加大釬合率不斷增加，但當工件表面發(fā)生明顯變形時，釬合率仍未達到100%。由此可以得出，電阻釬焊的釬合率與搭接疊加尺寸和電極壓力相關(guān)，選擇合適的電極壓力能夠使電阻疊加釬焊獲得較高的釬合率;同一搭接疊加尺寸，在銅板未有明顯變形的情況下，電極壓力越大釬合率越高;搭接疊加尺寸較小時，施加較小的電極壓力就可以得到較高的釬合率，這是因為搭接疊加尺寸越小、銅板的不平整度越小，施加較小的壓力即可得到均勻的釬縫間隙，從而得到較高的釬合率;搭接疊加尺寸越大，銅板的不平整度越大，要想獲得理想的釬合率必須加大電極壓力來消除銅板的不平整度，使兩銅板之間間隙趨于均勻。當工件表面發(fā)生明顯變形而釬合率仍未達到100%的可能原因有：銅板疊加面積較大，很難使兩銅板之間的間隙完全均勻，間隙大的部位釬料不易充滿，在加熱釬料熔化過程氣體排出路徑較長，氣體未完全排出。

3.3 金相分析

選擇1-2#（20 mm×35 mm、壓力1 MPa）、2-3#（60 mm×60 mm、壓力2.5 MPa）釬焊后試樣各2件進行解剖，如圖4所示，縱向和橫向沿6條黑線位置將試樣剖開，1-2#、2-3#各做6條釬縫的金相。平均寬度為61 μm的釬縫金相組織如圖5所示，未釬合的局部微觀區(qū)域的間隙都小于10 μm，形成未釬合的原因可能為：釬料熔化后，電極壓力作用使母材不平整的局部微觀區(qū)域釬縫間隙過小，釬縫內(nèi)釬料量較少，對釬縫兩側(cè)母材未能形成有效的自釬作用，潤濕能力差，造成了釬料的流失，在釬縫內(nèi)形成夾渣和未釬透。因間隙過小形成釬料缺失的單個缺陷的長度不超過400 μm，累計總長度不超過所有釬縫長度的1.5%。

平均寬度達到78 μm的釬縫金相組織如圖6所示，釬縫存在“ 疏松 ”缺陷，平均寬度為143 μm的釬縫金相組織如圖7所示，釬縫內(nèi)存在的主要缺陷為“ 疏松 ”和“ 疏松 ”集中形成的“ 縮孔 ”，焊縫的致密度降低。分析產(chǎn)生“ 疏松 ”和“ 縮孔 ”的原因為：BCu80AgP釬料固液區(qū)間相對較大，凝固過程中熔池金屬的液體收縮和凝固收縮之和大于固態(tài)收縮，當釬縫間隙較大時，毛細作用減弱，兩者收縮之差引起的孔洞得不到外部液體釬料的補充，在相應(yīng)部位形成的分散而細小的孔洞稱為“ 疏松 ”，大而集中的孔洞為“ 縮孔 ”。因此，銅磷釬料比固液區(qū)間小的銀基、銅鋅等釬料的釬焊間隙要小。

1-2#最大釬縫寬度143 μm，而2-3#最大釬縫寬度200 μm，超過78 μm長度的占6條，總體焊縫長度的比例遠高于1-2#，金相測試寬度結(jié)果與搭接疊加面積越大釬縫間隙越不均勻的分析相吻合。

測量1-2#和2-3#釬縫的缺陷長度（各6條），1-2#的總體釬合率為96%，2-3#總體釬合率為84%。由表1可知，2-3#釬縫超聲波探傷的釬合率為81%、83%，與金相分析結(jié)果基本一致;1-2#釬縫超聲波探傷的釬合率為100%，與金相分析相差4%，出現(xiàn)偏差的原因為：1-2#內(nèi)部缺陷基本都以單個極小缺陷出現(xiàn)，單個缺陷長度較短，對超聲波探傷釬縫界面波影響很小。小缺陷超聲波探傷波形示意如圖8所示，釬縫界面回波高度為滿屏刻度的25%，未達到80%，判定為釬焊良好區(qū)域，因此，存在小缺陷超聲波探傷的釬合率好于金相測量的釬合率，因本身釬合率較高，超聲波探傷出現(xiàn)4%的偏差，對釬合質(zhì)量的判定不會產(chǎn)生大的影響。2-3#釬縫中的密集型“ 疏松 ”或孔洞缺陷占缺陷的比例較大，這類缺陷使超聲波探傷釬縫界面波的回波幅度較大，如圖9所示，一次底波衰減，釬縫界面回波高度超過了滿屏刻度的80%，判定為釬焊不良區(qū)域，因此，超聲波探傷釬合率與金相測試結(jié)果更接近。從以上分析來看，采用PS-84357JE規(guī)范中的靈敏度進行純銅大面積疊加電阻釬焊超聲波探傷釬合率的測試是較為可靠的。

4 結(jié)論

（1）由20 mm×35 mm、60 mm×60 mm、100 mm×100 mm三種疊加尺寸純銅板電阻釬焊超聲波探傷結(jié)果顯示，選用合適的電極壓力均可獲得80%以上的釬合率。

（2）在對純銅板大面積搭接疊加電阻釬焊過程中，施加壓力大小和施加壓力的均勻性是釬合率達到要求和焊接質(zhì)量穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

（3）釬縫的金相測試結(jié)果顯示，平均寬度小于78 μm的釬縫內(nèi)部以局部焊縫間隙小形成的未熔合缺陷為主，平均寬度大于78 μm的釬縫內(nèi)部以釬料未填滿形成的“ 疏松 ”和圓形孔洞缺陷為主。

（4）金相測試缺陷長度的釬合率與超聲波探傷測試的釬合率大小相一致，選用合適的靈敏度，可以采用超聲波探傷對大面積疊加電阻釬焊的釬合率進行有效的檢測。

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收稿日期：2020-12-02

作者簡介：李學浩（1981—），男，碩士，高級工程師，主要從事有色金屬（特種銅合金）及特種焊接的研究。E-mail：lxh4402916@163.com。