P元素對SCu1898紫銅焊絲焊接抗裂性的影響

唐良喜，李赟豐，吳戈理，徐曉龍，王小君，李幼平

（四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢643010）

P元素對SCu1898紫銅焊絲焊接抗裂性的影響

唐良喜，李赟豐，吳戈理，徐曉龍，王小君，李幼平

（四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢643010）

為避免SCu1898紫銅焊絲在焊接中出現接頭裂紋，通過自主熔煉制作SCu1898紫銅焊絲，采用化學分析、著色滲透試驗、金相試驗和拉伸試驗研究分析了不同P含量對紫銅焊接接頭抗裂性、組織和力學性能的影響。試驗結果顯示，加P的紫銅焊絲鑄錠及其焊縫熔敷金屬中均會產生Cu3P脆性相，P元素的增加可增大SCu1898紫銅焊絲的裂紋傾向，隨著P含量逐步增加到0.15%，焊接接頭力學性能明顯降低。因此，應將紫銅焊絲中P元素的質量分數控制在0.07%以下，以減少焊接過程中熱裂紋傾向。

焊接；SCu1898紫銅焊絲；P元素；抗裂性；力學性能

紫銅由于其良好的導熱性、導電性、延展性和耐蝕性，在電力、電器、交通運輸、化工、制氧及相關行業中應用廣泛[1-3]。通常認為，紫銅焊絲中添加適當的P元素，可以在熔煉和焊接過程中起到脫氧以及改善熔池流動性的作用，并且可以適當提高焊縫強度[4]。但近幾年不斷接到用戶反饋，使用紫銅焊絲在焊接過程中容易產生裂紋，影響焊接接頭質量，造成大量經濟損失。一般來說，影響紫銅焊絲焊接接頭抗裂性的元素主要有S、Pb、Bi等有害元素[5]，針對P元素對抗裂性的影響方面的研究很少。目前，市場上的紫銅焊絲大多都含有少量P，而GB/T 9460《銅及銅合金焊絲》中對SCu1898型號焊絲的要求是w（P）≤0.15%。本研究采用上引連鑄工藝生產的SCu1898紫銅焊絲線桿，加工成Φ1.2 mm紫銅焊絲，然后將焊絲進行焊接熔敷金屬試驗和角焊縫抗裂試驗，同時進行著色滲透試驗、金相試驗和拉伸試驗，研究P元素對紫銅成品焊絲組織、抗裂性及力學性能的影響。

1 試驗材料制備及試驗過程

SCu1898紫銅焊絲中添加的合金元素種類較多，其中對焊接接頭抗裂性有害的元素包括S、Pb、Bi等，本次試驗不添加S、Pb、Bi等有害元素，只調整P元素含量，研究其對焊接接頭抗裂性的影響。試驗分為3組：①紫銅焊絲中不含P；②紫銅焊絲中 w（P）=0.07%； ③紫銅焊絲中 w（P）=0.15%。按照以上分組分別制備直徑1.2 mm的3種成分的紫銅MIG焊絲，再進行相應的試驗。

1.1 紫銅焊絲的制備

本研究采用的紫銅焊絲型號為GB/T 9460—2008中的SCu1898(CuSn1)。采用工廠現有設備制備紫銅焊絲，制備工藝流程如圖1所示。

圖1 紫銅焊絲的制備流程

采用工頻感應爐對預先配好的爐料進行熔煉。為了避免不必要的清爐，首先進行的是不含P紫銅焊絲原料的熔鑄，然后進行含P紫銅焊絲原料的熔鑄。在熔煉過程中加入一定量的精煉劑，攪拌、靜置后設定鑄造參數進行上引連鑄[6-7]。

將上引連鑄的桿坯經過10機架Y形三輥冷軋機冷軋后，再經過多道次拉絲和刮削，最終生產出直徑為1.2 mm的成品SCu1898紫銅焊絲，3種焊絲樣品的化學成分見表1。

表1 SCu1898紫銅焊絲的化學成分及標準要求 %

1.2 試驗過程

1.2.1 紫銅焊絲的焊接工藝

生產的紫銅焊絲為市場上廣泛使用的直徑為1.2 mm的MIG焊絲，因此，采用MIG焊接方法施焊。焊接設備為唐山松下產業機器有限公司生產的YD－500AGⅡ氣體保護焊機。3組焊絲施焊均采用相同焊接工藝參數，具體焊接工藝參數見表2。

表2 SCu1898紫銅焊絲焊接工藝參數

焊接所用母材Q235鋼板厚20 mm，做熔敷金屬焊接用，墊板厚度為5 mm，裝配間隙為16 mm，在兩母材對接處采用22.5°陡邊坡口。施焊前，將坡口及其周邊打磨干凈，再預熱到400℃。為降低焊接熱應力，施焊結束后立即錘擊焊縫兩側。采用3種成分紫銅焊絲分別焊接一副熔敷金屬試板，用于制取熔敷金屬樣品。為了觀察熔敷金屬的抗裂性，又分別準備了一副角焊縫試板。

1.2.2 檢測方法

將焊好的角焊縫試板表面清理干凈，然后噴上著色劑，一段時間后用清洗劑清洗表面，再噴上顯影劑，觀察表面是否有裂紋。

按照GB/T 2652—2008將3組平焊縫試板的焊縫金屬加工成標準圓棒拉伸試樣，然后在拉伸試驗機上進行拉伸試驗。

在焊縫金屬中間部位截取Φ10 mm×20 mm圓柱試樣，將圓柱試樣的一個端面進行打磨和拋光，然后采用氯化高鐵鹽酸酒精溶液進行腐蝕，最后用金相顯微鏡進行觀察。

2 試驗結果及分析

2.1 SCu1898紫銅鑄坯線桿金相分析

對上述3種不同P含量的紫銅鑄造線桿進行了金相試驗，觀察其金相組織的區別。圖2（a）為不含P的鑄造線桿，金相組織為α固溶體+少量第二相氧化物；圖2（b）為w（P）=0.07%的鑄造線桿，金相組織為α固溶體+少量Cu3P；圖2（c）為w（P）=0.15%的鑄造線桿，金相組織為α固溶體+Cu3P。從圖2可以看出，隨著鑄造線桿P含量的增加，相應Cu3P呈增加狀態。

圖2 3種不同P含量SCu1898紫銅鑄造線桿金相組織

2.2 角焊縫滲透探傷試驗

圖3 3種不同P含量紫銅焊絲角焊縫滲透探傷外觀圖

3種不同P含量紫銅焊絲角焊縫滲透損傷外觀如圖3所示。由于不含P紫銅焊絲焊后其角焊縫無直觀裂紋，則進行了著色滲透試驗，而從圖 3（b）和圖3（c）可發現，焊縫收弧處有直觀表面裂紋，因此未進行著色滲透試驗。由圖3（a）可以看出，不含P紫銅焊絲角焊縫表面無裂紋，著色探傷后亦未發現裂紋；由圖3（b）可看出，w（P）=0.07%紫銅焊絲角焊縫收弧處有表面裂紋；由圖3（c）可看出，w（P）=0.15%紫銅焊絲熔敷金屬的收弧端有明顯的裂紋，裂紋起源于弧坑并沿焊縫金屬縱向發展。將圖 3（b）、 圖 3（c）和圖 3（a）進行對比可以得知，P的加入會明顯降低紫銅焊絲的抗裂性能。

2.3 熔敷金屬金相分析

圖4為3組不同P含量紫銅焊絲熔敷金屬的金相組織。通過對比銅及銅合金金相圖譜[8-9]可以判斷熔敷金屬中的氧化物夾雜及第二相的化學成分。由圖4（a）可以看出，熔敷金屬含有較多彌散氣孔和以Cu2O為主的氧化夾雜，正上方的黑色圓點為焊接過程中產生的氣泡，由于不含P元素，因此氧化夾雜較多。由圖4（b）可以看出，熔敷金屬中也出現了以Cu2O為主的氧化夾雜，但是較圖 4（a）少， 這是由于焊絲中 w（P）=0.07%，P有一定的脫氧作用，P元素與熔敷金屬中的一部分氧反應，將這部分氧元素消耗掉，從而使熔敷金屬中的氧化物夾雜減少，圖4（b）左上方的黑色圓點為焊接過程中產生的氣泡。圖4（c）是w（P）=0.15%的紫銅焊絲焊接的熔敷金屬，對比熔敷金屬金相圖譜[8-9]可以判斷圖中的第二相為Cu3P，且第二相Cu3P尺寸較大，晶界偏聚了一定的雜質元素。 將圖 4（b）、 圖 4（c）和圖 4（a）對比可知，在紫銅焊絲中適當添加P元素可以減少氧化雜質的數量，但隨著P含量的增加會帶來熔敷金屬中Cu3P脆性第二相的產生，而且使晶界偏聚較多的雜質元素。

圖4 不同P含量紫銅焊絲熔敷金屬金相組織

2.4 拉伸試驗結果分析

將焊縫熔敷金屬加工成棒狀試樣并進行拉伸試驗，試驗結果見表3。

表3 3組熔敷金屬試樣拉伸試驗結果

對比表3中3組結果可以看出，加入P元素后熔敷金屬的抗拉強度、屈服強度和延伸率都有明顯的下降，尤其第3組紫銅焊絲尤為明顯，這主要是由于加入P元素后形成了不均勻分布的金屬間化合物，以及增加脆性的氧化夾雜造成的[10]。

圖5 不同P含量紫銅焊絲熔敷金屬拉伸試驗后形貌

圖5為3組紫銅焊絲熔敷金屬拉伸試驗后形貌。從圖5（a）可以看出，不含P的熔敷金屬試樣表面未發現有拉伸試驗產生的裂紋。而圖5（b）、圖5（c）的熔敷金屬表面均出現了拉伸試驗產生的不同程度的裂紋，且w（P）=0.15%焊絲的熔敷金屬的裂紋傾向較w（P）=0.07%焊絲更明顯。

3 結 論

（1）SCu1898紫銅焊絲中加P會使其焊接接頭產生裂紋，降低接頭的抗裂性能。原因是加P的紫銅焊絲鑄坯組織和焊接接頭組織中均有不同程度的Cu3P脆性相，該組織的存在會使焊接接頭的抗裂性降低。

（2）SCu1898紫銅焊絲中加入P元素，會降低焊接接頭的抗拉強度、屈服強度和延伸率，隨著P元素加入量的增加，抗拉強度、屈服強度和延伸率均降低。

（3）經試驗測定，SCu1898紫銅焊絲的P元素的質量分數應控制在0.07%以下，以減少焊接過程中熱裂紋的傾向。

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The Effect of Phosphorus on Welding Cracking Resistance of SCu1898 Red Copper Wire

TANG Liangxi， LI Yunfeng， WU Geli， XU Xiaolong， WANG Xiaojun，LI Youping
（Atlantic China Welding Consumables， Inc.， Zigong 643010， Sichuan， China）

In order to avoid welded joint crack appeared in SCu1898 red copper wire welding，the influences of different content of phosphorus on welded joint cracking resistance，structure and mechanical property were analyzed by chemical analysis，dye penetration test,metallographic test and tensile test with Independent smelting production of SCu1898 red copper wire.The test results showed that Cu3P brittle phase appeared in P-containing red copper wire ingot and deposited metal，P content increasing raised cracking tendency of SCu1898 red copper wire，and mechanical properties were declined significantly with P content increasing to 0.15%.Therefore，P mass fraction should be kept below 0.07%to reduce the tendency hot crack in welding process.

welding；SCu1898 red copper wire； phosphorus； cracking resistance； mechanical property

TG407

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.004

唐良喜（1984—），大學本科，主要從事有色金屬焊接材料的研發和技術服務工作。

2017－07－12

黃蔚莉