焊接電流對Q4Sn-6Zn青銅焊縫力學性能和顏色的影響

俞夢冰， 劉新寬， 劉 平， 羅會艷， 陳小紅，梅品修， 李 偉， 何代華

（1. 上海理工大學 材料科學與工程學院，上海 200093；2. 上海船廠銅藝術品制造廠，上海 200120；3. 上海詠凌合金材料有限公司，上海 201802）

自20世紀80年代中期以來，東南亞部分地區及我國許多寺廟紛紛鑄塑了許多銅像。這些銅像特別是一些高達幾十米的大型雕像，不但要求形態逼真、線條流暢平順，還要求能夠保證露天放置，長期經受暴風、地震、鹽霧、酸雨、日曬和霜凍等的破壞[1]。而現代大型銅合金鑄造雕塑大都采用的是分塊鑄造再焊接拼裝的工藝，因此焊接已經成為銅合金雕塑生產的重要工藝環節[2]?，F代銅合金雕塑一般采用錫青銅作為材料。錫青銅的最大特點是鑄造性能好，同時具有優良的加工性能，能夠滿足大型制像產品拼裝時進行局部矯正的需要。傳統焊接錫青銅合金一般采用氬弧焊[3-4]。錫青銅還具有優良的可著色性，一般采用高溫著色、化學著色及涂裝著色，可以實現黑色、暗紅色、藍綠色、古舊色和古銅色等多種顏色需要[5]。而對于焊后母材與焊縫顏色一致性的研究，國內外的相關研究非常匱乏。李寶錦等[6-7]指出，任何物體在一定光照條件下的表面色都在某一三維色空間中有其確定的位置，可以用三維色度坐標來定量描述物體表面的顏色和比較兩種不同物體表面的色差。試驗表明，在CIE1976L*a*b*均勻色空間中分析不同物體表面的色差同真實的視覺效果最為接近。方正春[8]指出，錫青銅是藝術鑄件的常用材料，就普通金屬而言，著色的目的在于防蝕和保色，銅及銅合金的著色意義和其他金屬完全不同，其目的不在于防護，而是給人以藝術感。其拼裝焊接工藝也沒有一個系統和標準，由于焊接相當于二次鑄造，不同的焊接電流直接導致焊接熱輸入量的不同，在焊接過程中，焊縫元素特別是Zn會有燒損，焊縫顏色偏紅，以至于焊后焊縫與母材顏色不一致，而焊接熱輸入量也與焊縫力學性能息息相關。因此，研究焊接電流對焊縫力學性能以及顏色的影響是必要的。

本文設計了5種焊接電流參數對Q4Sn-6Zn青銅進行熔化極氬弧焊（MIG），通過對焊縫硬度和抗拉強度的測試，對比不同電流參數的焊縫微觀組織；通過測量不同電流參數下焊縫與母材的反射率和CIE1976L*a*b*數值對比，系統地表征和闡述了焊接電流對Q4Sn-6Zn青銅焊縫力學性能和顏色的影響，為其用作藝術鑄造錫青銅的焊接提供理論依據及技術支撐。

1 試驗材料的制備與方法

1.1 材料的制備

試樣使用Pulse MIG-350逆變式脈沖MIG/MAG弧焊機，在氬氣保護下焊接板厚度為12 mm的Q4Sn-6Zn青銅，母材焊接坡口為60°，保持焊接速度為平均 30 mm/min，采用 110，130，150，170 和 190 A 的焊接電流進行焊接。

1.2 試驗方法

用電火花線切割機，將母材及不同焊接電流參數焊接的焊縫進行切割取樣，樣品尺寸為20 mm×20 mm×12 mm。拋光后的試樣采用腐蝕液（3 g FeCl3+30 mL HCL+100 mL C2H6O）進行腐蝕。金相組織分析采用偏光顯微鏡；顯微硬度測試采用數顯HXD1000TMC顯微硬度計，載荷1 N，加載時間10 s，每個試樣測試 5個區域，誤差±5%；根據GB/T288.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗辦法》制備拉伸試樣，拉伸試驗在Zwick 50 KN萬能材料試驗機上進行，拉伸速度1 mm/min。

使用Lambda 1050 UV/VIS/NIR紫外可見光光度計及3NH色差儀檢測未著色的不同焊接電流焊縫與母材顏色。再將試樣表面使用氧化著色法進行著色[8]，著色液由120 g硝酸銅和40 mL水配制而成。操作順序：將硝酸銅加入水中，加熱使硝酸銅溶解，再加入2～3 mL溶入了0.5 g硝酸銀的熱水，組成著色液。被著色樣品進行脫脂，然后浸入40～50 ℃的著色液中1～2 min，取出后風干，將其放在干燥爐中緩慢加熱至200 ℃。采用Lambda 1050 UV/VIS/NIR紫外可見光光度計及3NH色差儀測量著色樣品的反射率與CIE1976L*a*b*色差數值。

2 試驗結果及分析

2.1 焊接電流對焊縫力學性能的影響

試驗設計了5種焊接電流參數，分別為110，130，150，170和 190 A。通過本次試驗，旨在研究焊接電流對焊縫成型及焊縫顏色的影響，最終選取最佳焊接電流參數。根據能量守恒定律，隨著焊接電流的增大，單位時間輸入焊縫的熱能增加，通常采用焊接線能量[9]表示：

式中：E為焊接線能量；?為焊接效率；U為焊接電壓；I為焊接電流；v為焊接速度。

保持焊接電壓和焊接速度不變，焊接線能量與焊接電流成正比關系。增大焊接電流，焊接線能量隨之增大，焊接熱輸入量增加[10]。

圖1為不同焊接電流下Q4Sn-6Zn青銅焊接接頭截面宏觀形貌圖。從圖1中可以發現，當焊接電流為110和130 A時，焊縫未有效熔合：焊接電流為110 A的焊縫熔合比不到60%，而焊接電流為130 A的焊縫熔合比約為80%，焊接接頭有明顯的缺陷。焊接電流過小導致焊接熱輸入量不足以熔透母材，以至于出現未焊透現象，嚴重影響焊接質量。焊接電流為150，170和190 A時，焊縫的熔合比幾乎為100%，焊縫成型較好，沒有明顯的焊接缺陷。

圖1 不同焊接電流下Q4Sn-6Zn青銅焊接接頭截面宏觀形貌照片Fig.1 Macro-photos of the welding joint section in the Q4Sn-6Zn bronze under different welding currents

圖2為Q4Sn-6Zn青銅在不同焊接電流下的焊接熔合線附近區域的顯微硬度變化曲線。從圖2中可以發現，焊接熔合線附近區域的顯微硬度都比母材高。當焊接電流為110 A時，顯微硬度最低，因為在該焊接參數條件下，焊縫側壁未能實現熔合，熱影響區很窄，因此，顯微硬度較低，與母材差距不大。當焊接電流達到150 A時，其顯微硬度達到峰值182（HV），這是由于在該焊接參數下焊接熱輸入量使熱影響區組織由較多排列緊密細小的等軸晶組成，焊接接頭顯微硬度得到很大提高。

圖2 Q4Sn-6Zn青銅在不同焊接電流下的焊接熔合線附近區域的顯微硬度Fig. 2 Microhardness of the area near welding fusion line in the Q4Sn-6Zn bronze under different welding currents

圖3為不同焊接電流下，Q4Sn-6Zn青銅焊接接頭的抗拉強度。焊接電流為150 A時，抗拉強度達到148 MPa，而母材抗拉強度為205 MPa，這說明焊縫能滿足使用要求。Q4Sn-6Zn青銅焊接試樣在拉伸試驗過程中斷裂區域都發生在熱影響區，并且在試驗過程中觀察到縮頸現象都發生在焊縫兩側的熱影響區，原因是熱影響區由于存在軟化和晶粒粗大等問題成為焊接接頭的薄弱區。從圖3中可以看出，隨著焊接電流的增大，低電流焊接接頭抗拉強度逐漸增加，當焊接電流進一步增大時，抗拉強度開始下降。這說明隨著焊接電流的增大，焊接熱輸入量增大，使焊縫熔池存在的時間延長，冶金反應更加充分，焊縫熔合比增大，組織分布更加均勻，從而使抗拉強度增大。但當焊接電流進一步增大后，熱輸入量過大，導致焊接熱影響區晶粒長大，且大小不均勻，焊接接頭的力學性能因此下降。其中，焊接電流為110 A時，焊接接頭的抗拉強度僅有22 MPa的原因是，焊接熱輸入量過小，焊接不充分，有嚴重的焊接缺陷。

圖3 不同焊接電流下Q4Sn-6Zn青銅焊接接頭的抗拉強度Fig.3 Tensile strength of the welding joint in the Q4Sn-6Zn bronze under different welding currents

2.2 焊接電流對焊接接頭的微觀組織的影響

圖4為不同焊接電流下，Q4Sn-6Zn青銅焊接熱影響區的微觀組織照片。從圖4中可以發現，焊接電流為150 A時，焊接熱影響區的組織均勻致密。對比焊接電流從110 A到190 A的焊接熱影響區組織發現，隨著焊接電流的增大，高溫停留時間延長，熱影響區組織出現明顯粗化現象，晶粒嚴重粗大。其組織主要為受焊接熱循環影響形成的大量扭曲變形的模糊片狀α相。處于近焊縫區的熱影響區溫度更高，晶粒長大粗化程度更嚴重。

圖5為不同焊接電流下，Q4Sn-6Zn青銅的焊縫區微觀組織圖。從圖5中可以看出，當焊接電流為110和130 A時，焊縫晶粒呈尺寸不一的塊狀、長條狀，分布不均勻。相比于焊接電流為110 A的焊縫組織，焊接電流為130 A時，焊縫組織有所細化。當焊接電流為150 A時，焊縫晶粒細小，且分布均勻。當焊接電流繼續增大，晶粒開始長大，呈現明顯粗大的柱狀，有較強的方向性。隨著焊接電流的增大，熔池溫度逐漸升高，熔池中液態金屬過熱程度逐漸變大，焊縫金屬在高溫下停留時間延長，導致晶粒長大傾向變強。焊接電流為190 A時，熔池過熱，焊縫金屬處于長時間高溫狀態下，其晶粒長大傾向最為明顯。

由Hall-Petch公式可知，當晶粒細小且均勻時，材料強度較高，并且具有較好的塑性[11]。由圖5可知，各焊接電流下的焊縫組織不同，使焊接接頭在焊接過程中變形不協調，從而降低了焊接接頭抗拉強度和塑性。當焊接電流為150 A時，焊接接頭晶粒細小、均勻，其抗拉強度較高。焊接電流為170和190 A時，焊接接頭抗拉強度有所降低。

圖4 不同焊接電流下Q4Sn-6Zn青銅焊接熱影響區的微觀組織Fig.4 Microstructures of the welding heat-affected zone in the Q4Sn-6Zn bronze under different welding currents

2.3 焊接電流對焊接接頭的微觀組織的影響

圖6為不同焊接電流下的Q4Sn-6Zn青銅的焊縫與母材未著色及著色后的反射率。如圖6（a）所示，焊接電流為150 A的焊縫與母材的反射率曲線幾乎重合，說明焊接電流為150 A時，未經過著色的焊縫與母材顏色最為接近。焊接電流為110 A時，反射率的峰值達到95%，其峰的半寬高的反射率為63%。而焊接電流為190 A時，反射率的峰值僅為86%，其峰的半寬高僅有61%。在光譜學上，峰位代表著波長，決定顏色的色調，峰強決定了材料的明度，而峰的半寬高則決定了材料色彩的飽和度[12-14]，即意味著較寬的峰對應的顏色鮮艷度較低，強度越高的反射峰對應的顏色亮度越高。因此，在可見光下，焊接電流為110和130 A時，焊縫與母材相比顏色偏白亮，鮮艷度較低；而焊接電流為170和190 A時，焊縫與母材相比顏色偏紅，鮮艷度較高。所以可以得出，隨著焊接電流的增加，Zn燒損加劇，焊縫顏色變紅黃，鮮艷度高；當焊接電流為150 A時，焊縫與母材亮度和鮮艷度相符。如圖6（b）所示，焊接電流為190 A時的峰值最大，其峰位中心反射率達到44%，峰的半寬高反射率也達到了36%。而焊接電流為110 A時的峰值則最小，其峰位中心反射率只有38%，峰的半寬高反射率也僅有31%。因此，在可見光下著色后的焊接電流為110和130 A的焊縫與母材相比顏色偏淺藍，鮮艷度較低；而著色后的焊接電流為170和190 A的焊縫與母材相比顏色偏深藍，鮮艷度較高。對比母材的反射率發現，焊接電流為150 A時反射率曲線最為接近。說明當焊接電流為150 A時，經過著色的焊縫與母材顏色最為接近。

對材料的顏色分析除了運用反射率表達外，還可以用CIE1976L*a*b*顏色模型來分析。其中L*表示亮度，L*的值域為0～100，L*=0時材料為黑色，L*=100時材料為白色。a*，b*值為色坐標值，a*表示材料顏色從品紅色至綠色的變化范圍，+a*表示材料顏色向紅色方向變化，-a*表示材料顏色向綠色方向變化；b*表示材料顏色從黃色至藍色的變化范圍，+b*表示材料顏色向黃色方向變化，-b*表示材料顏色向藍色方向變化。a*和b*的值域都為-128～127，a*=127時材料為紅色，逐漸過渡到-128時顏色就變成了綠色；同理，b*=127時材料為黃色，b*=-128時材料為藍色。所有的顏色就以這3個交互變化組成，彩度用色度值E=（a2+b2）1/2表示。與母材的色差用△E=[（△L*）2+（△a*）2+（△b*）2]1/2表示[15-18]。

圖5 不同焊接電流下Q4Sn-6Zn青銅焊縫區的微觀組織Fig.5 Microstructures of the welding joints in the Q4Sn-6Zn bronze under different welding currents

表1為不同焊接電流下Q4Sn-6Zn青銅焊縫與母材未著色的CIE1976L*a*b*數值。由表1中數值可以發現，隨著焊接電流的增大，L*隨之下降，焊縫亮度降低，電流為110 A時亮度最高為90.65，190 A時亮度最低為85.43；a*隨電流增加而變大，焊縫顏色變紅；b*隨電流增加而變大，焊縫顏色變黃。這是因為隨著焊接電流的增大，焊接熱輸入量過大，使焊縫金屬在高溫下的時間延長，Zn燒損嚴重，因此焊接電流為190 A時焊縫顏色比110 A時明顯偏紅黃，鮮艷度增加，亮度降低。對比各焊接電流下的△E值發現，當焊接電流為150 A時，焊縫色差與母材最為接近，數值僅為0.73。因此在未著色情況下，焊接電流為150 A能夠滿足焊縫顏色與母材顏色一致的要求。其結論與反射率分析相符。

圖6 不同焊接電流下Q4Sn-6Zn青銅焊縫與母材未著色及著色后的反射率Fig. 6 Reflectivity of colored and unpainted joints and the base metal in the Q4Sn-6Zn bronze under different welding currents

表2為不同焊接電流下Q4Sn-6Zn青銅焊縫與母材著色后的CIE1976L*a*b*數值。從表2中可發現，焊縫與母材顏色偏藍色，隨著焊接電流的增大，著色后的焊縫亮度增加，焊接電流增大，焊縫藍色變淺。說明焊接電流的增加使焊縫中Zn含量降低，影響了焊縫的著色效果。對比色差值△E發現，當焊接電流為150 A時，色差值最低為1.00，著色后的焊縫顏色與母材最為接近。因此在著色情況下，焊接電流為150 A也能夠滿足焊縫顏色與母材顏色一致的要求。其結論與反射率分析相符。

表1 不同焊接電流下Q4Sn-6Zn青銅焊縫與母材未著色CIE1976L*a*b*數值Tab.1 CIE1976L*a*b* values of unpainted joints and the base metal in the Q4Sn-6Zn bronze under different welding currents

表2 不同焊接電流下Q4Sn-6Zn青銅焊縫與母材著色后CIE1976L*a*b*數值Tab.2 CIE1976L*a*b* values of colored joints and the base metal in the Q4Sn-6Zn bronze under different welding currents

3 結 論

（1）隨著焊接電流的增大，顯微硬度呈現先升高后降低的趨勢。焊接電流為150 A時，焊縫顯微硬度達到峰值 182（HV）。

（2）不同焊接電流的焊縫的抗拉強度同樣呈現先升高后降低的趨勢。隨著焊接電流的增大，原本由于熱輸入量的缺乏導致焊縫未熔合的現象得以改善。當焊接電流為150 A時，焊縫的抗拉強度達到峰值148 MPa。但繼續增大焊接電流會導致熱輸入量過大，使焊接熱影響區晶粒長大，且大小不均勻，焊接接頭的力學性能降低。

（3）對比不同焊接電流條件下焊縫與母材未經過著色處理的反射率及CIE1976L*a*b*數值，電流較低時，反射率曲線峰強較大，半寬高較高，顏色偏白亮，鮮艷度較低；隨著焊接電流的增大，反射率曲線峰強變弱，半寬高降低，L*隨之下降，焊縫亮度降低，a*，b*值變大，焊縫顏色變紅變黃，鮮艷度增加；焊接電流為150 A時，焊縫顏色與母材顏色最為接近。

（4）對比不同焊接電流條件下焊縫與母材經過氧化著色處理后的反射率及CIE1976L*a*b*數值，焊接電流大時，反射率曲線峰強較大，半寬高較高，顏色偏深藍，鮮艷度較高；隨著焊接電流的降低，反射率曲線峰強變弱，半寬高降低，L*隨之下降，焊縫亮度降低，a*，b*值減小，焊縫顏色變淺，鮮艷度下降；焊接電流為150 A時，焊縫顏色與母材顏色最為接近。