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紫铜CMT脉冲焊焊接接头的组织与性能

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-11   来源:河南工学院   作者:冯 振 任大新 任爱梅 周慧琳
冷金属过渡(CMT-cold metal transfer)焊接技术是一种将焊丝送给运动与熔滴过渡过程进行数字化协调的电弧焊方法。本文采用冷金属过渡脉冲焊技术,以镍铝青铜ERCuNiAl 焊丝作为填充材料,对3 mm厚紫铜板进行工艺探索试验。使用万能力学试验机测试焊接接头的力学性能,使用扫描电子显微镜和光学显微镜分析焊接接头的微观组织,在合适的焊接工艺参数下可以获得成形良好、内部无缺陷的焊接接头,拉伸试验时接头断裂在热影响区,接头强度可以达到铜母材的80%。
      紫铜以其优良的导电性、导热性、延展性以及在某些介质中良好的抗腐蚀性能而成为电子、化工、能源动力、交通运输等工业领域中高效导热和换热导管、导电抗腐蚀部件的优选材料[1]。在紫铜连接技术的研究中,A. Durocher[2,3] 等人研究了铜合金Cu-Cr(0.6%~0.9%)-Zr(0.07% ~0.15%)的电子束焊,发现合金元素的含量和焊接速度对热裂纹有较大的影响。王金凤[4]研究了0.1mm厚紫铜板的激光焊焊接工艺,合适的焊接工艺参数可以得到焊缝成形良好、强度与母材相当的焊接接头,焊缝中心区是等轴晶组织,焊缝边缘区为细小的胞状晶。T. Sakthivel[5]等人研究了铜合金(Cu-98.70%,Zn-1.042%)的搅拌摩擦焊焊接接头的微观组织和力学性能,接头可以分为焊核区、热力影响区、热影响区和母材区,焊核区的晶粒最小而热影响区的晶粒最大,同样硬度也是焊核区最小,热影响区的硬度最大,接头的拉伸强度(231MPa)可达铜母材(273MPa)的85%且在热影响区断裂。

        冷金属过渡(CMT-cold metal transfer)焊接技术是一种将焊丝送给运动与熔滴过渡过程进行数字化协调的电弧焊方法。普通的MIG焊,短路过渡主要靠着电磁收缩力爆断短路桥,伴随着大量的热输入(大电流)和飞溅。而冷金属过渡技术(CMT—Cold metal transfer)在熔滴过渡瞬间电流输出几乎为零,主要依靠焊丝回抽抖动和表面张力过渡,从而在焊接过程中大大降低了焊接热输入,开创了MIG焊几乎无飞溅的历史记录[6]。本文在1 mm厚紫铜薄板CMT搭接焊[7]的基础上,采用CMT脉冲焊焊接方法对3mm厚紫铜板进行探索性工艺试验,观察分析焊接接头的组织形态,分析焊接接头的力学性能和断裂行为。
 
1    试验材料与方法
        试验所用的材料为3mm厚的T2紫铜板,其抗拉强度为254MPa,焊接前用剪板机加工成尺寸为100mm(L)×50mm(W)×3mm(T)的试板。填充材料为镍铝青铜(ERCuNiAl)焊丝,其直径为Ф1.2mm。T2紫铜板和镍铝青铜焊丝的化学成分如表1所示。焊前先用不锈钢丝刷除去铜板试件表面的氧化膜,再用丙酮去除铜板上的水渍和油污,电吹风吹干待用。试验采用奥地利Fronius公司生产TransPuls Synergic 4000系列数字化CMT焊机,采用如图1所示的搭接焊接形式。焊机参数设定如下:CMT脉冲模式(CMT-PULSE)下的ERCuSi-A(CuSi3)程序,板厚为3mm,焊接方式为特殊四步(Special 4-step), 高纯氩气(99.9%)流量为17L/min。焊接工艺参数如表2所示,保持焊接速度为6mm/s,改变送丝速度(8.5~11.0m/min),探索工艺参数对焊接接头组织性能的影响。

        根据标准GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》,焊后使焊缝在试样的中部,沿着垂直于焊缝的方向用电火花线切割机切取如图2所示的拉伸试样,用WDW-100D微机控制电子式万能试验机测试接头的拉伸强度。横向切取焊接接头制作金相试样,经打磨、抛光和腐蚀(腐蚀液为FeCl35g,HCl 10ml,C2H5OH 100ml)后,采用KYKY—EM3900M型扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)和MEF-3型金相显微镜对接头的显微组织进行观察分析。
 
2    试验结果分析
2.1    接头的力学性能分析
        室温(20℃)下以1mm/min的速率在WDW -100E型微机控制电子式万能试验机上对图2试样做横向拉伸试验。如图3(a)所示,对于搭接接头,拉伸时两个拉力不在同一轴线上,在拉伸时会有一个扭矩M的作用,如此就会使试样的拉伸强度测不准;为了准确测试试样强度,减小扭矩的作用,在拉伸试样两端各加一块同样厚度的垫板,如图3(b)所示,使两拉力在同一轴线上。拉伸实验测定结果如图4所示,同时也把接头拉伸试样的典型断裂位置记录于图5。结果显示,1#试样(送丝速度为9.5m/min,焊接电压为25.1V,焊接电流为254A),拉伸试验时断裂载荷只有3.7kN,断裂在铜侧界面如图5(a)所示,主要是由于焊接热输入较小,下边铜板不能充分熔化而不能形成良好的焊接接头;2#、3#、4#试样(送丝速度为10.0~11.0m/min,焊接电压为25.6~27.4V,焊接电流为266~294A),拉伸试验时在热影响区断裂并伴有明显的颈缩现象如图5(b-d)所示。从图4可以看出,铜母材的断裂载荷最大可达6.60kN,而2#、3#、4#试样的断裂载荷依次为4.95kN、4.90kN、5.20kN,可达铜母材的75%~80%,满足实际应用要求。


 
        为了研究热影响区的断裂原因,采用扫描电子显微镜对4#试样的热影响区和母材区进行微观组织分析,如图6所示。可以看出热影响区的晶粒比铜母材大很多,这是因为在电弧热的作用下,热影响区的组织发生了回复再结晶,晶粒长大。为了进一步说明热影响区的组织结构发生变化,对4#号试样的接头区进行显微硬度测试,结果如图7所示,热影响区的硬度约为母材硬度的60%,热影响区发生了软化,热影响区的宽度约为10mm。

2.2    接头微观组织分析
        由力学性能分析优化出4#试样是最佳的焊接接头,下边对4#试样进行微观组织分析。图8是4#试样焊接接头不同区域的微观组织照片。图8(a)是上边铜板与焊缝的界面组织,从图中可以看出焊缝区与热影响区的界面十分明显,二者连接良好,没有明显的未熔合、裂纹等缺陷,焊缝区有大量黑色析出物,热影响区是典型的过热组织,晶粒较粗大;图8(b)是下边铜板与焊缝的界面组织,焊丝和铜母材在电弧的作用下熔化形成熔池,凝固后形成铜-焊缝界面区组织。图8(c)是焊缝区组织,焊丝中含有铝、镍、铁元素熔化凝固后形成析出相,因此在焊缝区有大量的析出相。
 





 
3    结束语
        本文通过冷金属过渡脉冲焊技术对3mm紫铜板进行了焊接工艺性试验,分析得出如下结论:
3.1    紫铜搭接焊的最佳焊接工艺参数为:焊接速度为6mm/s,送丝速度为10.0~11.0m/min,焊接电压为25.6~27.4V,焊接电流为266~294A。
3.2    优化焊接接头的拉伸强度为5.20kN且在接头热影响区断裂,可以达到母材铜板的80%,满足实际应用。
3.3    拉伸试验时接头热影响区断裂的原因是在电弧热作用下热影响区晶粒长大,导致其软化而使强度降低。
 
 
 
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