不同焊接工藝下銅/鋼異種金屬熔焊接頭性能研究

石玗，侯旭倩，王瑞，李廣

摘要：針對(duì)新型直連電解銅永久陰極板性能要求，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀、電子拉伸試驗(yàn)機(jī)、金屬電導(dǎo)率儀和電化學(xué)工作站分別對(duì)激光焊和鎢極氬弧焊獲得的T2紫銅/316L異種金屬焊接接頭形貌、微觀組織、抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)電性及耐電化學(xué)腐蝕性進(jìn)行對(duì)比研究。發(fā)現(xiàn)兩種焊接工藝所形成的焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度差別不大，激光焊焊接接頭的導(dǎo)電性及耐腐蝕性優(yōu)于鎢極氬弧焊的焊接接頭。激光焊生產(chǎn)制造的直連型電解銅陰極板具有更優(yōu)越的綜合性能。

關(guān)鍵詞：直連型陰極板;激光焊;鎢極氬弧焊;導(dǎo)電性;耐腐蝕性

中圖分類號(hào)：TG457? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）09-0007-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.02

0? ? 前言

在電解銅生產(chǎn)工業(yè)中，其關(guān)鍵部件永久型陰極板制造需采用銅—鋼復(fù)合焊接結(jié)構(gòu)[1-3]。目前銅電解精煉工藝中，陰極板大部分采用鋼銅包覆然后再與不銹鋼焊接的結(jié)構(gòu)，這種工藝不僅制造難度大，而且兩道焊縫增加了陰極板的綜合電阻率，增加了能耗[4]。如果能改變傳統(tǒng)的銅鋼包覆型導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)，直接選用銅作為導(dǎo)電桿。不銹鋼陰極板制造工藝采用銅—鋼直接焊接的結(jié)構(gòu)，不僅方便生產(chǎn)，而且一道焊縫的電阻率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不僅可以提高電能轉(zhuǎn)化效率，而且在降低能耗方面對(duì)銅電解精煉行業(yè)有重要意義。

基于銅/鋼直接焊接的工藝結(jié)構(gòu)，文中選用TIG焊和激光焊兩種不同的熔焊工藝對(duì)銅/鋼異種金屬進(jìn)行焊接對(duì)比研究。為了便于后續(xù)制樣、分析研究，并考慮電解銅陰極板的制造形式，采用對(duì)接焊的形式，焊后分析接頭的焊縫形貌、微觀組織、抗拉強(qiáng)度及電導(dǎo)率。同時(shí)由于陰極板服役于電解腐蝕工作環(huán)境，文中還對(duì)比了兩種焊接方法下所得接頭的耐腐蝕性能，為獲得良好的直連型電解銅陰極板提供理論及技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

采用規(guī)格同為150 mm×50 mm×1 mm 的T2紫銅板和316L不銹鋼板進(jìn)行對(duì)接焊試驗(yàn)。T2紫銅和316L的化學(xué)成分和物理性能分別如表1、表2所示。

TIG焊和激光焊的焊接工藝示意分別如圖1、圖2所示。通過(guò)前期預(yù)焊接試驗(yàn)，最終選擇焊接試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。在焊接前，按要求清理待焊工件，由于銅的熱導(dǎo)率高，易導(dǎo)致在焊接過(guò)程中熱量急劇流失而無(wú)法達(dá)到母材熔化溫度，所以首先采用電弧對(duì)銅板進(jìn)行焊前預(yù)熱。激光焊時(shí)應(yīng)注意保護(hù)好激光頭，激光頭保持合適高度并與焊接方向成105°角度，一定的傾斜角度能有效阻止反射光對(duì)激光頭的傷害。焊接試驗(yàn)完成后，采用線切割機(jī)分別對(duì)兩種不同焊接方法獲得的焊接件進(jìn)行金相制樣及性能分析試樣的切取制備。

2 接頭特征及分析

TIG焊和激光焊兩種不同的焊接方法在光鏡下的銅/鋼接頭橫截面形貌如圖3所示。由鐵-銅二元合金相圖可知，銅/鋼焊接不會(huì)形成金屬間化合物而是通過(guò)銅鋼固溶體形式進(jìn)行連接[5-8]。焊接工藝不同，焊縫也存在明顯不同，激光焊獲得的銅/鋼接頭的焊縫寬度明顯小于TIG焊焊縫寬度。從宏觀晶相組織觀察可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)TIG焊獲得的焊縫組織以γ相為主，ε-Cu以小的顆粒相固溶在鐵相里;通過(guò)激光焊形成的焊縫組織則是以ε-Cu相為主的固溶體。相對(duì)于激光焊接頭，TIG焊接頭中焊縫和銅、鋼母材之間相互交織沒(méi)有明顯界線，這是因?yàn)門IG焊的熱影響區(qū)范圍更大，熔化的母材在電弧攪拌作用下流動(dòng)性更強(qiáng)，冷卻速度相對(duì)較慢，導(dǎo)致銅和鋼在冷卻過(guò)程中完全混合，并充分?jǐn)U散。

兩種焊接工藝所獲得的銅/鋼接頭鋼側(cè)焊縫組織形貌如圖4a、4b所示，均在鋼側(cè)有著明顯的界線，這是T2紫銅和316L不銹鋼的化學(xué)和物理性能不同所致[9]。TIG焊的銅/鋼接頭鋼側(cè)處存在更多帶狀ε-Cu顆粒相，這是因?yàn)門IG焊時(shí)能量比較分散，TIG焊焊縫區(qū)的鋼側(cè)母材溫度會(huì)較高，使得銅元素更容易向母材擴(kuò)散。兩種焊接方法都會(huì)在銅/鋼接頭鋼側(cè)界面形成一塊銅/鋼互溶組織區(qū)，這是由于銅、鋼熱導(dǎo)率的相對(duì)差異使得在熔池中鋼側(cè)界面的液態(tài)銅存在時(shí)間非常短，高熱導(dǎo)率的銅先發(fā)生凝固，在表面張力和高強(qiáng)度紊流作用下形成銅鋼互溶組織[10]。銅/鋼焊接接頭的焊縫中心區(qū)域微觀形貌如圖4c、4d、4e、4f所示，其中圖4c、4d焊縫組織主要是顆粒狀ε-Cu相分散在γ相為主的（γ+ε）雙相固溶體組織結(jié)構(gòu)，通過(guò)TIG焊獲得的銅/鋼焊接接頭中彌散分布著球狀和小枝晶狀的銅相，而在銅相中又存在著枝狀和球狀富鐵相。圖4e、4f焊縫區(qū)球形顆粒狀γ相分散在ε-Cu相為主的（γ+ε）雙相固溶體中的組織結(jié)構(gòu)。由鐵-銅二元合金相圖可知，鐵銅兩相固態(tài)有限互溶，液態(tài)無(wú)限互溶，室溫下形成固溶體，溶解度特別小，因此在焊接過(guò)程中液態(tài)熔池中銅、鐵溶液會(huì)彼此互溶，在焊后熔池冷卻時(shí)，互溶液相中銅溶質(zhì)的融化量大于在鐵溶劑中的固溶量時(shí)，過(guò)飽和的銅會(huì)以表面能最低的球狀富銅相的組織析出。隨銅熔入量的增加，會(huì)形成更大的富銅相，并且會(huì)有一定量鐵熔入富銅相里，當(dāng)鐵的熔入量增加到一定水平時(shí)，會(huì)造成銅對(duì)鐵的固溶度不足，由于冷卻速度過(guò)快，各元素來(lái)不及擴(kuò)散，溶于富銅相中的富鐵相來(lái)不及析出，因此形成球狀富銅相中包含著球狀和枝狀富鐵相的組織。圖4g、4h是接頭銅側(cè)焊縫區(qū)域的微觀形貌，可以看出，兩種焊接方法下鐵元素都在焊縫銅側(cè)區(qū)域發(fā)生了擴(kuò)散，并且相對(duì)于TIG焊，激光焊獲得的銅/鋼焊接接頭銅側(cè)界面區(qū)域擴(kuò)散著更多更密集的鐵元素，形成了一塊較為明顯的鐵相過(guò)渡帶區(qū)域。在焊接過(guò)程中，熔融狀態(tài)的母材在熔池?cái)嚢枳饔孟聰U(kuò)散彼此混合，根據(jù)凝固界面形態(tài)穩(wěn)定性原理分析，在電弧力的劇烈攪拌作用下焊接熔池中因攪拌形成的初生組織旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將提高液—固界面穩(wěn)定性，使凝固過(guò)程中更偏向球狀生長(zhǎng)趨勢(shì)，有利于球狀組織的形成[11]，所以在焊縫和銅側(cè)界面處，許多的球狀富鐵顆粒相聚集，最終形成圖中的富鐵過(guò)渡區(qū)。

基于以上組織形貌還采用X射線能譜儀進(jìn)行面掃描檢測(cè)，進(jìn)一步研究分析了兩種銅/鋼焊接接頭界面處銅、鐵元素的擴(kuò)散，結(jié)果如圖5所示。兩種焊接工藝獲得的銅/鋼接頭鋼側(cè)界面處均有銅擴(kuò)散進(jìn)入，并且相較于激光焊，TIG焊獲得的接頭銅向鋼基體擴(kuò)散的更明顯，這與前面觀察到的結(jié)果一致。

3 接頭強(qiáng)度測(cè)試

通過(guò)拉伸試驗(yàn)來(lái)表征不同焊接工藝下接頭的力學(xué)性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)兩種焊接接頭斷裂位置均在銅側(cè)熱影響區(qū)，兩種不同焊接工藝下的接頭各取3個(gè)接頭試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，最后取其平均值作為接頭的抗拉強(qiáng)度，如表4和圖6所示。

結(jié)合表4數(shù)據(jù)，激光焊接頭的抗拉強(qiáng)度比TIG焊接頭的抗拉強(qiáng)度高1.04 MPa，TIG焊接頭平均抗拉強(qiáng)度為205.23 MPa，激光焊接頭平均抗拉強(qiáng)度為206.27 MPa，兩種接頭都可以滿足電解銅不銹鋼陰極板工件正常使用要求。宏觀斷裂形貌如圖7所示，接頭存在明顯的頸縮變形現(xiàn)象，判定其斷裂方式為韌性斷裂。斷裂在銅側(cè)熱影響區(qū)是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中銅側(cè)熱影響區(qū)受熱導(dǎo)致晶粒粗化長(zhǎng)大，粗化的銅晶粒引起晶界密度減小，形變抗力下降。

4 接頭導(dǎo)電性分析

為表征不同焊接工藝下銅/鋼接頭試樣的電導(dǎo)性能，使用電導(dǎo)率儀對(duì)焊接接頭進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表5所示。

由表5可知，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，激光焊獲得的銅/鋼接頭平均電導(dǎo)率為14.29%IACS，大于TIG焊獲得的銅/鋼接頭電導(dǎo)率。根據(jù)金屬導(dǎo)電理論可知，純金屬電導(dǎo)率一般比固溶體高[12-13]。激光焊接頭焊縫區(qū)域的微觀組織是鐵元素分布在以銅為主的銅鋼固溶體中，銅的電導(dǎo)率要明顯優(yōu)于鐵的電導(dǎo)率;激光焊的固溶區(qū)域相對(duì)TIG焊較小;同時(shí)焊接接頭處的雜質(zhì)和缺陷是整個(gè)焊接件上最多的區(qū)域，而且激光焊焊縫寬度相對(duì)較窄，所以激光焊獲得的銅/鋼接頭組織的電導(dǎo)率大于TIG焊獲得的銅/鋼接頭。

5 接頭電化學(xué)腐蝕性能分析

電解銅陰極板在實(shí)際服役過(guò)程中，除了要具有高的導(dǎo)電性和力學(xué)性能外，還應(yīng)具有一定的耐腐蝕性。因此，必須深入研究分析Cu/316L異種金屬焊接接頭在電解銅服役環(huán)境中的的腐蝕行為。

兩種不同焊接方法下銅/鋼接頭在0.1 mol/L 硫酸溶液中的腐蝕極化曲線和相應(yīng)的電化學(xué)參數(shù)如圖8、表6所示，TIG焊的Ecorr和Icorr分別為-0.319 7 V、

0.282 6 μA/mm2，激光焊的Ecorr和Icorr為-0.302 1 V、0.183 2 μA/mm2。激光焊的銅/鋼接頭腐蝕電位高于TIG焊，腐蝕電流密度低于TIG焊，從電化學(xué)腐蝕角度分析可知，銅/鋼激光焊接頭在實(shí)際工作環(huán)境中耐腐蝕性能比TIG焊接頭好。分析認(rèn)為相比于TIG焊，激光焊能量密度大、熱量更集中，熱影響區(qū)更小，焊縫及熱影響區(qū)晶粒粗化不嚴(yán)重，組織晶粒相比較小，細(xì)小晶粒有利于改善夾雜物等缺陷的分布，并使晶界強(qiáng)化，導(dǎo)致激光焊接頭的耐腐蝕性要優(yōu)于TIG焊接頭。

陰極板的使用性能取決于自身的導(dǎo)電性，導(dǎo)電性越好，即額外能耗越低，使用性能越好。使用壽命則取決于它的強(qiáng)度和在實(shí)際工作環(huán)境下的耐腐蝕性。兩種焊接方法下的接頭力學(xué)性能差別不大，均能滿足實(shí)際工況使用要求，但從導(dǎo)電性和耐腐蝕角度比較，激光焊接頭的導(dǎo)電性和抗腐蝕性能優(yōu)于TIG焊接頭。綜上所述，在滿足直連型陰極板應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)情況下，采用激光焊接直連型電解銅陰極板，可獲得更優(yōu)性能。

6 結(jié)論

（1）顯微組織觀察，TIG焊和激光焊兩種焊接方法分別形成以鐵元素為主的銅鋼固溶體組織和以銅相為主的固溶體組織，無(wú)金屬間化合物生成。

（2）對(duì)于陰極板，拉伸試驗(yàn)表明，兩種焊接方法所得銅/鋼接頭的力學(xué)性能相當(dāng)，激光焊接接頭性能較好一點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)到206 MPa，力學(xué)性能均能滿足服役工況條件下的使用要求。接頭試樣斷裂處在銅側(cè)熱影響區(qū)，并判定其斷裂方式為韌性斷裂。

（3）由于焊縫寬度的差異，以及激光焊的焊縫組織主要是以銅為溶劑的固溶體，所以激光焊獲得的銅/鋼接頭的電導(dǎo)率也略優(yōu)于TIG焊焊接接頭。通過(guò)對(duì)兩種不同銅/鋼焊接接頭在酸性環(huán)境下的電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)激光焊獲得的銅/鋼接頭的耐腐蝕性更好。

（4）針對(duì)直連型陰極板應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)，激光焊接的銅/鋼接頭具有較好的綜合性能。

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