鉬鑭合金桿焊接質(zhì)量研究

康元芬，郭世貴，陳健雄，徐興松

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，四川 成都 610100)

0 前 言

在鎢鉬深加工行業(yè)中，提高鎢鉬絲單重可以有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和原材料成材率，小單重鎢鉬材料進(jìn)行焊接已成為最快捷、最經(jīng)濟(jì)的常見(jiàn)措施。 Wadswortha J等[1]研究了TIG(鎢極氬弧焊)焊接真空電弧熔煉鍛造態(tài)2.5 mm厚TZM 板焊接接頭的組織和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)焊接接頭附近纖維狀組織消失，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)有明顯的分界，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的組織為明顯的再結(jié)晶態(tài)，熱影響區(qū)的顯微硬度高于焊縫區(qū)，且斷裂起始于焊縫，斷裂模式為沿晶和解理混合斷。羅昌森等[2]研究了摻Si-Al-Kφ2.0 mm鉬絲的電阻焊焊縫組織，發(fā)現(xiàn)最好的組織狀態(tài)為無(wú)明顯的鑄態(tài)和剛發(fā)生再結(jié)晶態(tài)。陳健雄[3]介紹了電阻焊焊接細(xì)純鉬桿的焊縫組織狀態(tài)為無(wú)明顯鑄態(tài)組織，焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度可達(dá)到基材80%，可保證后續(xù)拉絲要求。卜春陽(yáng)等[4]研究了電阻焊焊接φ5.8 mm粗鉬桿的焊縫組織，發(fā)現(xiàn)大部分為趨向于等軸的再結(jié)晶態(tài)，焊點(diǎn)強(qiáng)度為基體的50%左右，且后續(xù)加工良好。

關(guān)于采用國(guó)產(chǎn)鎢鉬對(duì)焊機(jī)對(duì)鉬鑭合金桿焊接質(zhì)量的研究鮮有報(bào)道，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中開(kāi)展該方面的研究工作意義較大。本文對(duì)鉬鑭合金桿焊接接頭的形狀、金相組織、抗拉強(qiáng)度、硬度等主要特性進(jìn)行了重點(diǎn)研究，為從事鎢鉬材料焊接方面的科技工作者提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不同類(lèi)型的鎢鉬對(duì)焊機(jī)對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響較大，本文試驗(yàn)設(shè)備采用深圳市駿騰發(fā)自動(dòng)焊接裝備有限公司生產(chǎn)的多功能鎢鉬對(duì)焊機(jī)，設(shè)備主要參數(shù)：電源(3P380 V、50/60 Hz、100 KVA)、電容柜最大容量1 400 000 Uf、最大充電電壓450 V、焊接變壓器次調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)3、額定負(fù)載持續(xù)率20%、焊接額定截面積27～64 mm2，圖1為多功能鎢鉬對(duì)焊機(jī)工作示意圖[5]。

圖1 多功能鎢鉬對(duì)焊機(jī)工作示意圖

1.2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用的材料為軋制態(tài)鉬鑭合金桿，合金桿的橫截面為正六方形，內(nèi)切圓直徑為7.0 mm。軋制態(tài)鉬鑭合金桿為直徑25 mm、單重約4 kg的粉末冶金燒結(jié)棒經(jīng)12臺(tái)三輥Y型機(jī)架連軋而成的六方型終軋桿,其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

對(duì)加工工藝進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，試驗(yàn)所用鉬鑭合金桿全部取自同根軋制態(tài)鉬鑭合金桿，可以確保鉬鑭合金桿性能穩(wěn)定性良好。通過(guò)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，對(duì)焊接接頭形狀進(jìn)行了有效控制。本文以焊接接頭為中心切取適當(dāng)長(zhǎng)度的試樣，制成標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的拉伸試樣，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣的抗拉強(qiáng)度、焊接接頭形狀、焊接接頭部位的金相組織形貌及硬度等特性進(jìn)行研究分析，評(píng)判鉬鑭合金桿的焊接質(zhì)量情況。

采用線切割加工方法沿縱向中截面對(duì)焊接接頭部位制備金相試樣。金相腐蝕液體采用10%的鐵氰化鉀溶液和10%的氫氧化鈉溶液1∶1混合，采用型號(hào)為SAMSUNG-SDS415的光學(xué)顯微鏡對(duì)基體、焊接接頭及附近區(qū)域微觀組織進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

2.1 焊接接頭形狀與焊接接頭抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系

從圖1可知，焊接參數(shù)主要包含了預(yù)熱功率、預(yù)熱時(shí)間、充電電壓、鍛壓力、沖程、電極之間的距離(電極2與電極4之間的距離)等，通過(guò)調(diào)節(jié)各參數(shù)可以有效控制焊接接頭的形狀，在工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)中，以固定不變的焊接參數(shù)控制焊接接頭質(zhì)量的方法不是很理想，因?yàn)殡S著焊接數(shù)量不斷增大，原料、焊接電極、電阻對(duì)焊機(jī)設(shè)備、儲(chǔ)電電容等狀態(tài)很難穩(wěn)定在原始狀態(tài)，因此，通過(guò)固定對(duì)焊機(jī)一部分參數(shù)，在適宜的范圍內(nèi)有效調(diào)節(jié)關(guān)鍵焊接參數(shù)(通過(guò)前期研究[5]發(fā)現(xiàn)對(duì)焊接接頭形狀影響較大的關(guān)鍵參數(shù)為電極之間的距離、鍛壓力和沖程)，以焊接接頭形狀為最終控制標(biāo)準(zhǔn)的方法更加可靠，表2例舉了其形狀與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。

由表2可見(jiàn)：外徑為10.5～14 mm左右的焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度為124 MPa，大約為基體抗拉強(qiáng)度的18%，在拉伸試驗(yàn)中全部為焊縫處斷裂，觀察斷裂部位可以發(fā)現(xiàn)焊接部位只有較少的連接，造成該現(xiàn)象的主要原因?yàn)闆_程或鍛壓力過(guò)小，造成焊接桿料兩端面組織未能充分熔合并在合適的鍛壓力作用下進(jìn)行有效塑性變形，因此焊接接頭表現(xiàn)為虛焊狀態(tài)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，用較小的力度敲擊或者在去飛邊過(guò)程中稍微用力就可發(fā)生斷裂。因此在焊接過(guò)程中應(yīng)避免焊接接頭形狀過(guò)小，通過(guò)調(diào)節(jié)鍛壓力和沖程等關(guān)鍵參數(shù)，有效控制焊接接頭的形狀尺寸。

表2 焊接接頭形狀與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系

外徑為17～18.5 mm左右的焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度為272 MPa，大約為基體抗拉強(qiáng)度的40%，在拉伸試驗(yàn)中焊接接頭處易斷，宏觀上焊接接頭處存在較多深入到根部的裂口，焊接接頭抗拉強(qiáng)度波動(dòng)幅度較大，通過(guò)降低鍛壓力和沖程可明顯減少該現(xiàn)象，主要原因可能為焊接熔合金屬在鍛壓力和沖程綜合作用下變形失穩(wěn)產(chǎn)生較多裂紋。

外徑為19～23 mm左右的焊接接頭形狀大，桿料焊接端頭處熔合金屬幾乎全被擠出，抗拉強(qiáng)度為基體的20%左右，拉伸試樣主要在焊縫處或焊接接頭根部斷裂，焊縫及其根部強(qiáng)度低，采用機(jī)械敲擊容易斷裂。

外徑為14.5～16.5 mm左右的焊接接頭抗拉強(qiáng)度較穩(wěn)定，而且形狀穩(wěn)定性高，抗拉強(qiáng)度可達(dá)基體強(qiáng)度的57%～70%，適合工業(yè)化生產(chǎn)的需要。

2.2 焊接接頭的金相組織及硬度分析

為了更深入了解抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定可靠的焊接接頭內(nèi)部組織狀態(tài)，對(duì)B類(lèi)焊接接頭縱向及橫向都進(jìn)行了金相分析。圖2為焊接接頭縱向焊縫(a)、距焊縫約3 mm(b)、基體組織與熱影響區(qū)組織分界處(c)的金相組織照片，從圖2(a)可以看出焊縫處的組織方向與圖2(b)、圖2(c)的組織方向近似垂直成90°，說(shuō)明在對(duì)焊機(jī)縱向方向的瞬間鍛壓力作用下，焊縫處的組織被劇烈擠壓，組織呈縱向壓扁縮短、橫向延伸拉長(zhǎng)，沿縱向呈長(zhǎng)條狀的基體纖維狀組織完全消失，大部分組織呈橫向長(zhǎng)，縱向短的擠扁狀態(tài)，同時(shí)也存在較多的細(xì)小等軸晶組織。焊縫處呈再結(jié)晶態(tài)說(shuō)明所焊鉬桿兩端面經(jīng)歷瞬間高溫，兩端面的組織進(jìn)行了熔合過(guò)程，再經(jīng)過(guò)對(duì)焊機(jī)的瞬間鍛壓力作用，兩端面組織在再結(jié)晶溫度以上發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，因此出現(xiàn)較多的細(xì)小等軸晶組織，未發(fā)現(xiàn)焊縫處組織有未焊透、孔洞、夾雜物、氣孔、裂紋等缺陷。

圖2 焊接接頭部位縱向金相組織(箭頭方向?yàn)榭v向)

有觀點(diǎn)表示焊接部位趨向于等軸晶狀態(tài)為良好，本文發(fā)現(xiàn)焊縫處可以達(dá)到該狀態(tài)，但在距離焊縫7 mm內(nèi)的熱影響區(qū)很難達(dá)到該狀態(tài)，對(duì)A、B、C、D類(lèi)焊接接頭各區(qū)域都進(jìn)行了金相組織觀察，發(fā)現(xiàn)無(wú)論哪類(lèi)焊接接頭，熱影響區(qū)的金相組織都為完全再結(jié)晶組織，C、D類(lèi)熱影響區(qū)的異常長(zhǎng)大的再結(jié)晶組織更明顯，這也是C、D類(lèi)焊接接頭為什么容易在焊接接頭附件出現(xiàn)斷的根本原因。圖2(b)為B類(lèi)焊接接頭根部組織狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)該位置的組織狀態(tài)與焊縫處的組織狀態(tài)差異大，組織沿縱向都已經(jīng)發(fā)生了再結(jié)晶長(zhǎng)大狀態(tài)，在近焊縫端組織向焊疤方向彎曲，說(shuō)明對(duì)焊機(jī)的瞬時(shí)鍛壓力對(duì)熱影響區(qū)近焊縫端組織有一定擠壓力，該部分組織發(fā)生了部分塑性變形，因此鍛壓力不能超過(guò)該部分組織的變形抗力，鍛壓力過(guò)大焊接接頭就會(huì)出現(xiàn)深入到根部的裂紋，同時(shí)該部分組織的位移也不能超過(guò)材料在該溫度下的最大延伸量，也再次說(shuō)明對(duì)焊機(jī)的鍛壓力和沖程為兩個(gè)非常重要的關(guān)鍵參數(shù)。

圖2(c)為B類(lèi)焊接接頭距焊縫約7 mm處的組織狀態(tài)，能明顯發(fā)現(xiàn)該位置為基體纖維狀組織與熱影響區(qū)的長(zhǎng)條狀再結(jié)晶組織的交界處，可以發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)的組織都為再結(jié)晶狀態(tài)，因?yàn)闂U料端面焊接溫度都達(dá)到了材料的熔點(diǎn)溫度，而摻鑭鉬的再結(jié)晶溫度不超過(guò)1 650 ℃，因此離焊縫越近組織的再結(jié)晶長(zhǎng)大程度越大，為了保證焊縫根部組織不會(huì)因組織過(guò)燒而發(fā)脆先斷，對(duì)焊機(jī)的輸出能量也至關(guān)重要。

圖3為焊接接頭橫截面金相組織，其中圖3(a)為焊縫處橫截面金相組織，可發(fā)現(xiàn)大部分組織為再結(jié)晶長(zhǎng)大狀態(tài)，部分為等軸的細(xì)小動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，未發(fā)現(xiàn)組織有未焊透、孔洞、夾雜物、氣孔、裂紋等缺陷，這與圖2(a)組織能很好對(duì)應(yīng)起來(lái)。圖3(b)為距焊縫3 mm處橫截面金相組織，可發(fā)現(xiàn)該位置大部分組織為長(zhǎng)大的再結(jié)晶長(zhǎng)大狀態(tài)，也有較少部分為等軸的再結(jié)晶細(xì)小組織，與焊縫處金相組織相比，該位置再結(jié)晶程度偏大，從圖3(c)可知距焊縫約7mm處的橫截面金相組織未見(jiàn)明顯的再結(jié)晶長(zhǎng)大組織，趨向于基體狀態(tài)。

圖3 焊接接頭橫截面金相組織

運(yùn)用HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度檢測(cè)，如圖4所示。由圖4可知：焊接接頭沿縱向距焊縫不同距離位置的HRB硬度，發(fā)現(xiàn)焊縫處的硬度最低，熱影響區(qū)的硬度相差不大，距焊縫8 mm左右的硬度已經(jīng)接近基體硬度，這些數(shù)據(jù)再次說(shuō)明內(nèi)部組織狀態(tài)發(fā)生變化也直接影響到材料的硬度，對(duì)焊縫從上到下進(jìn)行硬度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)硬度比較穩(wěn)定，基本無(wú)差異，說(shuō)明焊縫組織均勻性較好。

圖4 距焊縫不同距離位置的HRB硬度

綜上可知，影響焊接接頭質(zhì)量的主要控制難點(diǎn)為焊縫的組織狀態(tài)及焊縫根部的組織狀態(tài)，焊縫處大部分組織呈橫向長(zhǎng)，縱向短的擠扁狀態(tài)，同時(shí)也存在較多的細(xì)小等軸晶組織，焊縫根部組織呈再結(jié)晶但未過(guò)燒狀態(tài)時(shí)為較好狀態(tài)；同時(shí)影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)為焊接能量參數(shù)、鍛壓力及沖程參數(shù)，B類(lèi)焊疤所對(duì)應(yīng)的主要參數(shù)為：焊接能量參數(shù)預(yù)熱功率65%～73%、預(yù)熱時(shí)間28～33 ms、鍛壓力0.28～0.4 MPa、沖程8.5～12 mm。

3 結(jié) 論

(1)影響焊接接頭質(zhì)量的主要控制難點(diǎn)為焊縫的組織狀態(tài)及焊縫根部的組織狀態(tài)，焊縫處大部分組織呈橫向長(zhǎng)，縱向短的擠扁狀態(tài)，同時(shí)也存在較多的細(xì)小等軸晶組織，焊縫根部組織呈再結(jié)晶但未過(guò)燒狀態(tài)時(shí)為較好狀態(tài)。

(2)對(duì)焊機(jī)中的焊接能量、鍛壓力、沖程為影響焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素。