交流磁場輔助銅-鋼TIG填絲焊接頭組織和力學性能

王 龍，胡德安，鄒鵬遠，熊震宇，陳益平，程東海

(1 南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌 330063；2 南昌大學 機電工程學院，南昌 330031)

隨著現代工業的飛速發展，復合結構構件由于其低成本、輕量化和高性能等特點而被逐漸關注。銅合金作為被工業廣泛應用的有色金屬材料，通常被用于制造導電部件和熱交換器等，然而其密度相對較高，且價格昂貴；而鋼鐵材料具有強度高、塑韌性好、成本低等優勢，應用最為廣泛。因此，采用T2紫銅與鋼鐵材料組成的銅-鋼復合結構構件可兼具二者的優良性能，并在銅鋼復合導電棒、電機轉子短路環、氧氣槍噴嘴、高壓氧氣管道阻火器、啤酒生產用糊化鍋和航空航天等方面具有較廣的應用范圍，符合現代工業對材料輕量化、節能環保、低成本的需求[1]。

目前，異種材料較為常見的焊接方式主要有釬焊[2]、熔化焊[3-4]、熔釬焊[5]、攪拌摩擦焊[6]、壓焊[7]等。其中，TIG焊由于電弧穩定，熱輸入可調節，可成功焊接易氧化和化學活潑性強的有色金屬及鋼鐵等材料。程東海等[8-9]對銅/鋼異種材料進行等離子弧焊研究，得到了質量較好的接頭，但發現其組織具有明顯團聚現象。而外加磁場由于其具有細化組織、提高接頭性能且設備簡單、成本較低的優點備受國內外學者的關注[10-16]。其中，Chen等[14]通過對鋁/鋼外加磁場輔助激光焊接實驗，發現熔池中洛倫茲力和熱電磁力對焊縫組織影響較大，且添加磁場后接頭顯微硬度降低、抗拉強度提高。王小明[15]通過交變磁場輔助鎂鋼TIG熔釬焊和鋁鋼TIG熔釬焊研究發現，磁場改善了釬料在母材表面的潤濕性，并起到細化接頭組織、提高強度的作用。李軍兆[16]對鋁鈦異種金屬進行磁場輔助MIG熔釬焊研究，結果表明外加縱向磁場后，焊接電弧發生旋轉偏移，并存在一定程度的擴張現象，同時焊縫成形和接頭的拉伸強度得到顯著改善。

由此可見，外加磁場輔助異種材料焊接可通過改變熔池運動和電弧旋轉，從而達到細化組織、提高接頭性能的目的。因此本工作通過添加交流磁場對銅-鋼異種材料進行TIG填絲焊對接實驗，主要研究磁場對接頭成型、接頭各區域微觀組織和力學性能的影響，并獲得最佳工藝參數，通過引入磁場改善銅-鋼TIG焊接頭的組織，提高接頭力學性能，以期為交流磁場輔助銅-鋼TIG焊接技術提供工藝參考和相關數據支撐。

1 實驗材料與方法

選用尺寸均為120 mm×60 mm×2 mm的T2紫銅板和Q235鋼板進行對接實驗，選用直徑為2.5 mm的HS201純銅焊絲。焊機采用WSM-315B型直流氬弧焊機，焊接過程中，用水冷焊槍及15 L/min的純氬氣進行保護，電極采用直徑為2.0 mm的釷鎢極。在做外加磁場實驗時，將勵磁線圈直接套在直柄焊槍上，焊槍與工作臺保持垂直。對勵磁線圈的磁場轉換頻率和磁場電流大小實現控制，進而改變磁場頻率和磁場電流，采用基于單片機為控制核心的數控式外加磁場控制電源，其主要由主電路、控制電路構成，實驗裝置示意圖如圖1所示。經過前期預實驗后，選定最佳焊接工藝參數為：焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min，選定磁場參數范圍在：磁場頻率f=10～50 Hz(每10 Hz為一個遞增單位)，磁場電流IE=0.2～1.0 A(每0.2 A為一個遞增單位)。將焊后得到的試樣，用線切割機沿垂直于焊縫方向截取，對其進行鑲嵌、打磨和拋光。鋼側腐蝕液采用質量分數為4%的硝酸乙醇溶液，腐蝕時間為10 s；銅側采用3 g FeCl3+2 mL HCl+95 mL乙醇溶液，腐蝕時間為60 s。腐蝕完后用清水沖洗，并用乙醇清理、吹干。采用光學顯微鏡(OM)、場發射掃描電子顯微鏡(SEM)對接頭熱影響區(heat affected zone，HAZ)、熔合區(fusion zone，FZ))和焊縫區(weld zone，WZ)進行觀察，并用能譜儀(EDS)對各區域的相成分進行測定。使用WDW-100型電子萬能拉伸試驗機對接頭進行拉伸測試，拉伸速率為0.5 mm/min，每組參數拉伸3組試樣，求平均值后算出對應抗拉強度，采用401MVD顯微維氏硬度計對試樣進行硬度測量，載荷為1.96 N，加載時間為10 s，相鄰兩點間距為0.2 mm，沿直線由鋼母材向焊縫、銅母材處連續取點。

圖1 磁場輔助TIG焊接裝置(a)及拉伸試樣尺寸(b)Fig.1 Magnetic field assisted TIG welding device (a) and tensile specimen size (b)

2 結果與分析

2.1 焊縫外觀形貌

圖2為焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min時，無磁場和交流磁場時接頭的成形和截面形貌。由圖2(a-1)可以看出，未加磁場時焊縫整體成形較好，但局部未熔合，且有部分凹陷現象。當磁場頻率f=30 Hz，磁場電流IE=0.4 A時，焊縫較為飽滿，其表面成形良好，且魚鱗紋明顯，如圖2(b-1)所示。對接頭的截面形貌觀察可知，接頭整體呈X形，但鋼側熔合線的彎曲曲率比銅側熔合線大，這是因為銅板的熱導率較高，散熱相對較快，其熔化量較少；而鋼板散熱相對較慢，熱量無法快速流動使得鋼側熔化量多。為表述焊縫的成形質量，取焊縫橫截面上部、束腰處、下部的熔寬之和的平均值，即為(B1+B2+B3)/3，測量方式如圖2(a-2)，(b-2)所示。可知添加交變磁場后的焊縫平均熔寬明顯增加，而這種平均熔寬相對較大的焊縫有利于焊接時氣孔逸出[17]，使得焊縫成形表現良好。

圖2 無磁場(a)和交流磁場(b)時接頭焊縫成形(1)和截面形貌(2)Fig.2 Joint forming (1) and section morphology (2) without magnetic field (a) and with alternating magnetic field (b)

2.2 微觀組織分析

圖3分別是焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min時有無交變磁場下接頭鋼側熱影響區、焊縫區和銅側熱影響區的組織。由圖3(a-1)，(a-2)可知，添加磁場后鋼側熱影響區組織由大塊狀鐵素體向小塊狀鐵素體轉化，并逐漸出現側板條狀和針狀鐵素體[18]。因為隨著磁場的加入，此時磁場頻率和磁場電流匹配得當，使得電弧存在一定程度的擴張[16]，改變了接頭的熱循環使得鋼側熱影響區中的鐵素體發生細化，且隨著電弧的旋轉與擴張，鋼側熱輸入面積增大，但熱輸入量不變，導致單位面積的熱輸入量下降，使得鐵素體形狀轉變為側板條狀和針狀鐵素體。由圖3(b-1),(b-2)可知，添加磁場后焊縫區組織由粗大的平面晶和包狀晶轉變為細小的包狀樹枝晶。這是由于磁場使得TIG電弧旋轉速度加快，電弧中心區域溫度梯度增大，同時電弧旋轉帶動熔池按正反方向規律性交替運動，形成電磁攪拌作用，打斷焊縫處先長大的枝晶，進而使得枝晶重熔，大量的枝晶被打斷形成晶核，使得晶粒細化，小顆粒狀組織細小、彌散地分布在晶界上，有利于提高焊接接頭的性能。由圖3(c-1),(c-2)明顯看出：添加磁場后銅側熱影響區內的平均晶粒明顯變得細小且數量增多。這是因為磁場影響熔池內液態金屬的流動，而液態金屬在熔池流動的過程中會不停地沖刷著熔池的邊界，進而影響銅側熱影響區域，而且銅的導熱率相對較高，使得熱量散失加劇，致使晶粒的平均面積尺寸變小。綜上所述，縱向交變間歇磁場對接頭鋼側熱影響區、焊縫區和銅側熱影響區的組織均有不同程度的改變，其中鋼側熱影響區受電弧擴張影響，鐵素體出現細化且其形態由大塊狀轉變為針狀和側板條狀；焊縫區受電磁攪拌作用，其組織由胞狀晶轉變為胞狀樹枝晶且變得細密均勻；銅側熱影響區也有明顯的晶粒細化現象。

圖3 無磁場(1)及交流磁場(2)時接頭各區域組織(a)鋼側熱影響區；(b)焊縫區；(c)銅側熱影響區Fig.3 Microstructure of joints without magnetic field (1) and with alternating magnetic field (2) (a)steel side HAZ;(b)weld zone;(c)copper side HAZ

圖4分別為有無磁場下接頭熔合區和焊縫區SEM照片，表1為圖4中各點的EDS分析結果。從圖表及Cu-Fe二元相圖可知，添加磁場前后各點原子占比較為類似，則可推測磁場對接頭各區域相的種類無變化。A點處于鋼側熱影響區，Fe原子分數為80.21%，即可推測A點主要為α-Fe相；B～E點均位于熔合區，其中B點為黑色球狀組織，Fe原子分數為74.49%，則同樣為α-Fe；C點為灰白色的塊狀組織，Cu原子分數為74.19%，與此相同的還有焊縫區中呈灰色片狀的1點，則可判定C點和1點均為銅基固溶體ε-Cu；D點為灰色枝晶狀且夾雜著的細小密集的黑色點狀組織，其中Fe原子分數為40.91%，Cu原子分數為45.25%，同樣存在類似分數的還有E點和2點，則可推測其均為(α-Fe)+(ε-Cu)。綜上所述，添加磁場后，接頭熔合區和焊縫區的相的種類未發生變化，均由(α-Fe)+(ε-Cu)組成；熔合區的溶質偏析現象得到改善，其(α-Fe)+(ε-Cu)顆粒由粗大狀的彌散分布轉變為細小狀的聚集分布；焊縫組織明顯細化，其均勻性明顯提高。

表1 圖4中各點EDS分析結果Table 1 EDS analysis results of each point in fig.4

圖4 無磁場(1)與交流磁場(2)時熔合區和焊縫區SEM照片Fig.4 SEM photos of fusion zone (a) and weld zone (b) without magnetic field (1) and with alternating magnetic field (2)

2.3 力學性能分析

通過拉伸實驗測試可知，無磁場時，當焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min時接頭抗拉強度σbmax=154.7 MPa，且接頭大部分斷裂在銅側，對斷裂接頭的銅側熱影響區晶粒尺寸面積S測量可知，其均大于10000 μm2，表明銅側熱影響區的晶粒平均面積與接頭的抗拉強度關系密切。圖5為磁場電流IE和勵磁頻率f對接頭抗拉強度及銅側熱影響區晶粒平均面積的影響。由圖5(a)可知，當f=30 Hz時，隨著磁場電流的增加，接頭抗拉強度呈現先增大后減小的趨勢。當IE=0.4～0.6 A時，銅側熱影響區的晶粒均小于10000 μm2；接頭抗拉強度均大于210 MPa。這是因為在交流磁場作用下熔池的液態金屬受到間歇式正反攪拌，使得接頭各區域內部的晶粒細化，抗拉強度提高。隨著磁場電流繼續增加，接頭抗拉強度開始降低；當磁場電流升至1.0 A時，接頭抗拉強度降至129.7 MPa，此時銅側熱影響區晶粒變得異常粗大，增至14359 μm2。這是由于磁場電流過大，使得TIG電弧擴張對銅側熱影響區產生重要影響，同時伴隨著熔池內的過強電磁攪拌作用，其晶粒變得粗大，使得強度較低。

圖5 交變磁場參數對接頭性能的影響(a)磁場電流對接頭抗拉強度的影響；(b)勵磁頻率對接頭抗拉強度的影響；(c)接頭界面顯微硬度分析Fig.5 Influence of alternating magnetic field parameters on joint performance(a)influence of excitation current on joint tensile strength;(b)influence of excitation frequency on joint tensile strength;(c)microhardness analysis of joint interface

由圖5(b)可知，當IE=0.4 A時，隨著磁場頻率的增加，接頭抗拉強度呈現先增大后減小的趨勢。當f=25～35 Hz時，銅側熱影響區的晶粒均小于10000 μm2；接頭抗拉強度均大于210 MPa。這是因為當磁場頻率開始增加時，配合此時的磁場電流，使得銅側熱影響區、熔合區和焊縫區的組織尺寸變得細小，接頭強度提高。而當磁場頻率繼續增加時，抗拉強度開始降低。這是因為磁場頻率過大會導致磁場方向變化較為頻繁，熔池中液態金屬發生紊流現象，從而導致接頭的外觀形貌變差，并出現氣孔等缺陷；同時磁場頻率過大也會削弱電磁攪拌效應，使得晶粒在組織形態上發生變化，即從最佳工藝參數時細小的聚集分布狀態轉變為粗大的彌散分布狀態，最終晶粒尺寸變得粗大，接頭強度降低。同時對比圖5(a)，(b)可知，磁場電流對接頭抗拉強度的影響范圍在129.7～223.5 MPa，磁場頻率對接頭抗拉強度的影響范圍在196.8～223.5 MPa，則明顯可知磁場電流對接頭抗拉強度的影響明顯要大于磁場頻率。因此，接頭抗拉強度隨著磁場電流和磁場頻率的增加均呈現先增大后減小的趨勢。最佳工藝參數為：當IE=0.4～0.6 A，f=25～35 Hz，銅側熱影響區的晶粒平均面積S<10000 μm2時，接頭抗拉強度較高，均大于210 MPa。其中，當IE=0.4 A，f=30 Hz時，接頭抗拉強度最高，為223.5 MPa，相比無磁場時抗拉強度提升了44.5%。

由圖5(c)可知，焊縫區的平均硬度最大，因為在磁場輔助TIG焊時，熔化后的鋼母材與銅母材在電磁攪拌作用下無限互溶，使得α-Fe在冷卻后呈球形或枝晶形在焊縫中析出，這些彌散分布的α-Fe固溶體在焊縫中起到了第二相強化的作用，所以焊縫區的硬度值最高。其中，銅母材和銅側熱影響區的硬度梯度最大，接頭也多斷裂在銅側。這是由于銅側受焊接熱循環作用明顯，其晶粒相對粗大，是接頭的薄弱區。同時從圖5(c)中發現添加磁場后熔合區和焊縫區的硬度梯度相對減小，這是因為交流磁場改善了熔合區的溶質偏析及接頭各區域的晶粒粗化現象，使得接頭各區域組織變得均勻化。

3 結論

(1)添加縱向交流磁場后，焊縫魚鱗紋明顯，其表面成形良好。接頭抗拉強度隨著磁場電流和磁場頻率的增加均呈現先增大后減小的趨勢。最佳工藝參數為：當焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min，磁場頻率f=25～35 Hz，磁場電流IE=0.4～0.6 A，接頭性能較好，其抗拉強度最高可達223.5 MPa，相比無磁場提高了44.5%。

(2)銅鋼TIG焊接頭主要分為鋼側熱影響區、熔合區、焊縫區和銅側熱影響區。添加交流磁場后，鋼側熱影響區受電弧擴張影響，鐵素體出現細化且其形態由大塊轉狀變為針狀和側板條狀；焊縫區受電磁攪拌作用，其組織由胞狀晶轉變為胞狀樹枝晶且變得細密均勻；銅側熱影響區也有明顯的晶粒細化現象，但接頭各區域相的種類并無明顯變化。

(3)添加磁場后，接頭熔合區和焊縫區的相的種類未發生變化，均由(α-Fe)+(ε-Cu)組成；熔合區的溶質偏析現象得到改善，其(α-Fe)+(ε-Cu)顆粒由粗大的彌散分布狀態轉變為細小的聚集分布狀態；焊縫區組織細化，且其均勻性明顯提高，使得接頭熔合區與焊縫區的硬度梯度相對減小。