T2紫銅/304不銹鋼激光釬焊接頭組織及性能

盧貴鵬， 尹洪澤， 劉威

(長春工業(yè)大學(xué)，長春 130012)

0 前言

銅具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和極佳的延展性與耐蝕性，因而在電子、化工、船舶、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。不銹鋼具有良好的塑性和耐腐蝕性廣泛應(yīng)用于航天、船舶等領(lǐng)域[1-2]。銅/不銹鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠最大限度的發(fā)揮材料各自的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以降低成本、減輕結(jié)構(gòu)重量，還可以滿足不同工況條件下使用性能的需求。因此，近幾年來異種金屬焊接的研究逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3-4]。傳統(tǒng)的銅與不銹鋼的焊接方式有氣焊[5]、爐中釬焊[6]和真空釬焊[7]，但是傳統(tǒng)的焊接方法對工藝條件要求比較高，如真空環(huán)境或氣體保護(hù)等，而且焊接成本高、效率低。相對于傳統(tǒng)焊接而言，激光焊具有能量密度高、效率高、焊接變形小、焊后冷卻快等諸多優(yōu)點(diǎn)[8-10]，已成為近年來銅/鋼焊接領(lǐng)域重點(diǎn)的研究方向。

雷振等人[11]利用激光-電弧復(fù)合焊實(shí)現(xiàn)了T2紫銅與鍍鋅不銹鋼的優(yōu)質(zhì)連接。研究結(jié)果表明，焊接接頭鋼側(cè)未發(fā)生熔化而銅合金母材熔化，其焊縫與鋼母材為釬焊連接；許為柏[12]利用不銹鋼對激光吸收率比銅大的特點(diǎn)，將不銹鋼薄片作為釬料焊接較厚的銅。結(jié)果表明使用不銹鋼作為釬料可以實(shí)現(xiàn)小功率激光器焊接較厚紫銅的目的，釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的80%以上；Suga等人[13]研究了銅鋼搭接接頭的最佳釬焊工藝和合適的釬料。發(fā)現(xiàn)，抗剪強(qiáng)度隨著激光光斑直徑或激光照射角度的增加而增大，采用Ni-Cu型釬料可以獲得相對較高的接頭強(qiáng)度；Li等人[14]使用激光焊接SUS304不銹鋼和T2紫銅，系統(tǒng)的研究了熔合區(qū)多邊形氣孔和熱影響區(qū)開裂的形成機(jī)理。認(rèn)為氣孔的產(chǎn)生是焊接過程中小孔失穩(wěn)和成分偏析引起的，通過控制熱輸入可以有效降低裂紋敏感性。

上述研究主要集中于焊后的潤濕和晶粒的長大，對焊接后的力學(xué)性能與元素?cái)U(kuò)散的研究相對較少，而異種材料連接時界面間元素的擴(kuò)散對焊縫的性能影響很大。因此，開展力學(xué)性能和界面元素之間擴(kuò)散的研究是有一定的意義。該文使用激光焊機(jī)對紫銅和不銹鋼材料進(jìn)行焊接，利用正交試驗(yàn)方法研究了焊接參數(shù)對釬縫組織形貌、力學(xué)性能及與元素?cái)U(kuò)散的影響，為銅和不銹鋼的激光釬焊提供一定的參考。

1 試驗(yàn)方法及材料

試驗(yàn)用材料為304奧氏體不銹鋼板和T2紫銅板，尺寸為100 mm×10 mm×1 mm，釬料為銅錳鎳釬料(熔點(diǎn)880～925 ℃)，加入1%Si來降低釬料熔點(diǎn)和提高釬料潤濕性，材料的主要化學(xué)成分見表1，焊接試樣裝配示意圖如圖1所示。

采用Nd:YAG激光脈沖焊機(jī)(輸出功率500 W，激光波長1 064 nm)，焊前用砂紙和丙酮清理被焊材料表面，將丙酮稀釋的銅錳鎳釬料均勻涂在清理好的待焊區(qū)。采用氬氣作為保護(hù)氣體(氣體流量為15 L/min),離焦量為-1 mm。采用正交試驗(yàn)進(jìn)行焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化，試驗(yàn)參數(shù)見表2和表3。采用WDW-200電子萬能拉伸機(jī)對不同焊接工藝參數(shù)下的試樣進(jìn)行拉剪試驗(yàn)(每組取3試樣平均值，拉剪速度為1 mm/min)。利用LeicaDIM3000型金相顯微鏡、JSM-5500LV型掃描電子顯微鏡(SEM)和EDAX-FaLcon型能譜儀(EDX)觀察分析釬縫的微觀組織和元素分布。

表1 T2紫銅、304不銹鋼和釬料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 試樣裝配示意圖

表2 水平因素表

表3 激光焊工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

抗剪強(qiáng)度是反映力學(xué)性能的重要指標(biāo)，所以選擇抗剪強(qiáng)度做為正交試驗(yàn)的指標(biāo)來進(jìn)行力學(xué)性能分析。表4為極差分析結(jié)果表，使用正交試驗(yàn)[15]極差分析法計(jì)算了焊接電流、脈沖寬度和脈沖頻率3個因素對抗剪強(qiáng)度的影響。其中Ij，IIj，IIIj分別表示每個影響因素在相應(yīng)參數(shù)下所對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度數(shù)值之和(例如：Ij行109.60 MPa是焊接電流在160 A時對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度數(shù)值之和；IIj行116.52 MPa是脈寬在5 ms時對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度數(shù)值和；IIIj行121.6 MPa是頻率在19 Hz時所對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度數(shù)值和)，Rj表示在一種影響因素下，每個焊接參數(shù)的抗剪強(qiáng)度數(shù)值和的最大極差值，從表中可知焊接電流的極差值R為17.35，脈沖頻率R值為15.66，脈沖寬度R值為7.91，由以上正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)焊接電流水平變動時，指標(biāo)波動最大，脈沖寬度水平變動時，指標(biāo)波動最小，由此可以根據(jù)極差值排出因素主次為：焊接電流>脈沖頻率>脈沖寬度。

表4 極差分析結(jié)果表

由此可以得出焊接電流對釬縫影響最大，其次是脈沖頻率，最后是脈沖寬度。所以在試驗(yàn)生產(chǎn)過程中要特別注意對焊接電流的控制，至于脈沖寬度和脈沖頻率只需和焊接電流搭配使用即可。

2.2 釬縫組織

該試驗(yàn)僅對抗剪強(qiáng)度較高的5號試樣進(jìn)行分析。圖2為5號試件的釬縫截面金相圖片，從圖2中可以觀察到，在激光束作用下釬料全部熔化，鋼和銅部分熔化，和釬料混合后形成類似熔焊焊縫。由于3種成分的材料成分差異較大，可見層狀組織結(jié)構(gòu)，熔化的釬料與紫銅和不銹鋼母材結(jié)合良好未見缺陷。圖2中a區(qū)域是銅母材與銅錳鎳釬料的結(jié)合形貌，從其放大金相圖中可明顯觀察到熔化的釬料與紫銅呈片層狀分布，釬料與銅側(cè)存在明顯過渡層，由此推斷釬料熔化后在銅表面有效潤濕，高流動性的釬料在濃度梯度的推動下沿銅晶界擴(kuò)散與紫銅形成冶金結(jié)合，還可以觀察到釬料與母材的熔合線處有均勻的柱狀晶存在，釬縫組織較為均勻，成形狀態(tài)良好。圖2中b處可明顯觀察到熔合線處的柱狀晶組織比a處粗大，這是因?yàn)閍區(qū)位于釬縫邊緣，焊后散熱快，b區(qū)位于釬縫中心，焊后冷卻速度較a區(qū)慢，致使晶粒長大。c區(qū)是鋼側(cè)與釬料的結(jié)合區(qū)，可明顯觀察到鋼側(cè)與釬料結(jié)合良好，無缺陷產(chǎn)生，結(jié)合處微熔的鋼與熔化的釬料相互結(jié)合形成熔焊接頭。圖3為圖2中a，b，c區(qū)域的放大組織形貌。

圖2 釬焊釬縫金相圖片

圖3 圖2中a，b，c處放大圖

2.3 釬縫能譜分析

為研究釬縫的元素分布，對釬縫進(jìn)行了線掃描(圖2掃描方向)和定點(diǎn)能譜分析。線掃描結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出Fe與Cr元素?cái)U(kuò)散明顯，說明在焊接過程中微熔的不銹鋼與熔化的釬料發(fā)生了相互擴(kuò)散；在銅母材與不銹鋼側(cè)中均檢測到Mn與Ni，說明熔化的釬料向兩側(cè)的母材中發(fā)生擴(kuò)散，Cu在銅母材/釬料/不銹鋼母材含量呈逐漸下降的趨勢。

圖4 線掃描分析結(jié)果(圖2中掃描方向)

為確定釬縫中特定位置的成分與含量，對釬縫進(jìn)行定點(diǎn)掃描分析，如圖5所示。其中1點(diǎn)位于釬料熔化區(qū)域，2點(diǎn)為釬縫中的條塊狀組織，3點(diǎn)位于銅側(cè)的釬縫處。從3點(diǎn)位置的點(diǎn)掃描結(jié)果(表5)可以得出，從釬料到銅側(cè)母材，F(xiàn)e，Cr，Mn，Ni和Si元素呈減少分布，根據(jù)銅錳鎳三元相圖[16]，可以推斷在焊接冷卻的過程中生成Fe基固溶體[17]；越靠近銅側(cè)，銅元素的含量也會隨之增加，2點(diǎn)的條塊狀組織是因?yàn)樵诤附雍罄鋮s過程中釬料中銅的過剩相，導(dǎo)致形成條塊狀的富鐵銅基固溶體。從線掃描結(jié)果可知，在釬料中檢測到了Fe，Cr元素，在鋼側(cè)也檢測到了釬料中元素，從而驗(yàn)證上述所分析的鋼側(cè)是熔焊接頭。

圖5 釬縫區(qū)點(diǎn)掃描圖片(圖2b區(qū)域)

表5 釬縫區(qū)域點(diǎn)掃描分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 結(jié)論

(1)正交試驗(yàn)結(jié)果表明焊接電流是最主要的影響因素，其次是脈沖頻率，再次是脈沖寬度。

(2)銅錳鎳釬料熔化后與紫銅和不銹鋼母材良好結(jié)合并生成固溶體，釬縫成形良好。

(3)通過SEM能譜分析，發(fā)現(xiàn)不銹鋼中Fe，Cr元素與釬料元素發(fā)生互擴(kuò)散并形成冶金結(jié)合。其中Fe，Cr元素?cái)U(kuò)散明顯，釬料中的Mn，Ni元素也向銅側(cè)擴(kuò)散，釬縫中出現(xiàn)銅基固溶體。