銅/鋼角接激光焊工藝和性能研究

任路俊，蔣宏潤，李 廣，石 玗，許有偉，張 晶，侯旭倩，王 瑞

1.蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050

2.柳州柳工液壓件有限公司，廣西 柳州 545006

3.徐州工程機械集團有限公司，江蘇 徐州 221005

0 前言

銅/鋼異種材料因其良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的工況適應(yīng)性，廣泛應(yīng)用于電解冶金、電力電子、汽車制造和航空航天等領(lǐng)域［1］。在電解銅工業(yè)中，銅/鋼復(fù)合永久型陰極板的連接工藝和質(zhì)量直接決定著電解銅的品質(zhì)和能耗［2］。目前，銅電解精煉工藝有ISA、KIDD和OT三種，三種工藝所用陰極板都采用鋼/銅復(fù)合后再與鋼焊接的結(jié)構(gòu)［3-4］。這種銅/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)往往存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、結(jié)合不緊密和接觸電阻大等問題，會導(dǎo)致電能/化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率低、陰極板使用壽命短［5-6］。基于此背景，研究人員探究了以銅作為導(dǎo)電桿，采用銅/不銹鋼直連結(jié)構(gòu)的焊接工藝制造陰極板［7-8］。這種銅/鋼直連型永久陰極板生產(chǎn)工藝更簡單，電阻率更低，擁有良好的應(yīng)用前景。

然而，對于銅/鋼異種金屬焊接接頭而言，焊縫區(qū)依舊是薄弱區(qū)域。在實際生產(chǎn)中，銅/鋼直連型永久陰極板要求高的導(dǎo)電性、承載循環(huán)剝離銅板的載荷和耐硫酸銅的腐蝕。同時，較高的電流和較大的承載載荷又會加速焊接接頭的腐蝕失效［9］。因此，在保證焊接接頭力學(xué)性能的同時，研究其在服役條件下的耐腐蝕性能也具有重要意義。相關(guān)研究表明，激光焊所得銅/鋼接頭的導(dǎo)電性能以及在酸性條件下的抗腐蝕性能均優(yōu)于TIG焊［6-8］。因此，本文選用激光不填絲焊接方法，針對不同激光功率和預(yù)熱后銅/鋼角接焊接接頭的形貌、顯微組織和力學(xué)性能進行了研究，同時對不同浸泡時間下接頭的耐腐蝕性能進行了對比研究，以期為直連型永久陰極板的加工生產(chǎn)和理論研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗設(shè)計

試驗材料采用規(guī)格為150 mm×50 mm×2 mm的316L不銹鋼板材和150 mm×20 mm×15 mm的T2紫銅棒材，二者化學(xué)成分和物理性能分別如表1、表2所示。首先對T2銅棒開槽，再將316L不銹鋼插入銅槽形成角接結(jié)構(gòu)，進行激光不填絲焊接，如圖1所示，焊接參數(shù)如表3所示。

表1 母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions of 316Land T2 Cu（wt.%）

表2 母材物理性能Table 2 Physical property of 316Land T2 Cu

圖1 銅/鋼角焊示意Fig.1 Schematic diagram of copper/stainless steel fillet welding

表3 激光焊接參數(shù)Table 3 Laser welding parameters

焊前使用鋼刷、砂紙對材料進行打磨，以去除氧化膜，并用酒精清洗去除表面油污。使用記號筆將角焊處銅側(cè)部位涂黑，以降低激光的反射。采用連續(xù)焊接的方式預(yù)熱（優(yōu)化）直連型永久陰極板焊接工藝，即在第一道焊縫完成時焊件尚處于預(yù)熱狀態(tài)，隨即對焊件另一側(cè)進行角焊，以減少焊接內(nèi)應(yīng)力，降低接頭開裂風(fēng)險。焊接后，沿焊接方向截取寬10 mm的試樣（見圖1），采用11XD-PC光學(xué)顯微鏡和自帶能譜的Quanta FEG 450場發(fā)射電子顯微鏡（FESEM）對角焊接頭的微觀組織和元素組成進行分析。采用TX-300A智能金屬電導(dǎo)率儀測量接頭的電導(dǎo)率。根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，采用WDW-300J型電子拉伸試驗機進行拉伸性能測試，應(yīng)變率為2×10-4/s，并用名義抗拉強度進行計算。模擬實際工作環(huán)境，根據(jù)ASTM G1—03（2017）標(biāo)準(zhǔn)進行浸沒腐蝕試驗設(shè)計，采用CHI604C型三電極電化學(xué)工作站測試銅/鋼接頭的電化學(xué)性能。工作電極為銅/不銹鋼接頭，裸露面積為60 mm2，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極，溶液為0.1 mol/LH2SO4溶液。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 角接焊接接頭特征

不同激光功率下的銅/鋼角接焊接接頭宏觀形貌和橫截面SEM形貌分別見圖2、圖3。在2 000 W激光功率下，焊縫表面成形較好，寬度較窄，接頭左側(cè)銅/鋼熔合區(qū)小，右側(cè)出現(xiàn)焊接裂紋（見圖2a、圖3a）。激光功率提高至3 000 W時，焊縫寬度增加，熔深增大，表面出現(xiàn)黑色焊道痕跡，銅/鋼和熔合區(qū)有明顯的分界線，焊接裂紋尺寸和數(shù)量下降（見圖2b、圖3b）。當(dāng)激光功率為4 000 W時，焊縫寬度進一步增加，沿焊接方向出現(xiàn)貫穿性裂紋，黑色焊道明顯（見圖2c），銅/鋼及熔合區(qū)分界線不明顯，焊接裂紋深度和長度增加。這是因為在低激光功率下焊接時，銅/鋼母材熔化量較小，形成的熔合區(qū)域較小，又因為Cu（T2）的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于316L，靠近銅側(cè)區(qū)域優(yōu)先快速降溫冷卻，使得接頭鋼側(cè)區(qū)域殘余應(yīng)力集中，形成大尺寸的焊接裂紋；在3 000 W激光功率下，焊接熱輸入增大，銅/鋼母材的熔合更加充分，焊縫組織內(nèi)熱應(yīng)力較小，焊縫成形良好；激光功率提高至4 000 W時，焊縫處熱輸入過大，熱應(yīng)力累積嚴(yán)重，凝固時熱應(yīng)力未能及時釋放，最終導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生。

為避免產(chǎn)生焊接裂紋，在第一道焊縫完成時，隨即對焊件另一側(cè)進行角焊，此時焊件處于預(yù)熱狀態(tài)，起到了優(yōu)化的作用。基于上述結(jié)果，在3 000 W激光功率預(yù)熱狀態(tài)下進行銅/鋼角接焊接，焊縫形貌和橫截面分別如圖2d、圖3d所示。可以看出，預(yù)熱后的接頭焊縫寬度更寬，表面無裂紋、焊瘤等焊接缺陷，熔合區(qū)呈現(xiàn)出均勻的Fe-Cu互溶波紋，熔深進一步增大。

圖2 銅/鋼接頭焊縫形貌Fig.2 Appearance of weld of copper/stainless steel joint

圖3 銅/鋼接頭橫截面形貌Fig.3 Cross section of copper/stainless steel joint

圖4為在3 000 W激光功率預(yù)熱狀態(tài)下銅/鋼接頭鋼側(cè)與熔合區(qū)金相組織及其放大圖，可以看出銅/鋼接頭成形良好，無焊接裂紋，鋼側(cè)、熔合區(qū)分界線明顯，熔合區(qū)內(nèi)大量球狀和枝晶狀ε-Cu顆粒相均勻分布在γ相為主的（γ+ε）雙相固溶體組織中［9］。研究表明鐵與銅在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶［6，10-11］。在激光焊接時，由于激光密度高，熱量集中，銅鋼母材熔化量得到了有效控制，銅鋼在液態(tài)下均勻互溶。熔池冷卻過程中，兩種金屬導(dǎo)熱系數(shù)差異較大，在溫度梯度和表面張力作用下發(fā)生偏析，形成波紋狀熔合區(qū)。

圖4 預(yù)熱后銅/鋼接頭橫截面組織Fig.4 Cross-sectional organization of copper/stainless steel joint after preheating

2.2 拉伸力學(xué)性能分析

表4、圖5為接頭拉伸試驗結(jié)果。預(yù)熱3 000 W和3 000 W接頭平均名義抗拉強度均高于300 MPa，2 000 W接頭名義抗拉強度較低，為107.23 MPa，4 000 W接頭名義抗拉強度最小，僅為30.19 MPa。圖6為預(yù)熱3 000 W接頭試樣拉伸斷口形貌，斷口粗糙，呈貫穿裂紋，其中斷口b處為鋼側(cè)形貌，呈現(xiàn)為長條狀解理（見圖6b），c處為銅側(cè)形貌，由細(xì)小韌窩組成（見圖6c）。分析認(rèn)為，試樣在焊縫熔合區(qū)發(fā)生開裂的原因與銅、鋼導(dǎo)熱系數(shù)差距較大引起的焊接缺陷有關(guān)。對比接頭拉伸試驗結(jié)果，預(yù)熱后3 000 W焊接接頭名義抗拉強度較高，力學(xué)性能良好，基本滿足電解銅不銹鋼陰極板工件的正常使用要求。

圖5 銅/鋼角焊接頭名義抗拉強度Fig.5 Nominal tensile strength of copper/stainless steel fillet welded joints

圖6 預(yù)熱3 000 W接頭斷口形貌Fig.6 Fracture of copper/stainless steel fillet welded joint in 3 000 W after preheating

表4 銅/鋼角焊接頭名義抗拉強度Table 4 Nominal tensile strength of copper/stainless steel fillet welded joints

2.3 導(dǎo)電性能分析

對銅/鋼角焊焊接接頭導(dǎo)電性能進行測試，結(jié)果如表5、圖7所示，接頭相對電導(dǎo)率由大到小分別是：預(yù)熱3 000 W>3 000 W>2 000 W>4 000 W。這是因為焊接裂紋的存在和異種金屬固溶體的形成共同影響了焊接接頭的導(dǎo)電效率［12-14］。從形貌上看，預(yù)熱3 000 W、3 000 W和2 000 W接頭試樣內(nèi)部裂紋較少，電導(dǎo)率較高，導(dǎo)電性能良好。4 000 W下接頭內(nèi)出現(xiàn)明顯的貫穿裂紋，使得焊縫部分區(qū)域接觸面積驟減，接觸電阻升高，電導(dǎo)率下降。焊縫組織中的裂紋對銅/鋼接頭導(dǎo)電性能影響較大，因此在銅/鋼焊接過程中應(yīng)避免焊接裂紋的出現(xiàn)。

表5 銅/鋼角焊接頭的導(dǎo)電性Table 5 Conductivity of copper/stainless steel fillet welded joints

圖7 銅/鋼角焊接頭的導(dǎo)電性Fig.7 Conductivity of copper/stainless steel fillet welded joints

2.4 腐蝕性能分析

銅/鋼焊接接頭在電解銅溶液中浸泡2 h和6 h后表面腐蝕形貌如圖8所示。在不同浸泡時間下，接頭不同區(qū)域腐蝕程度不同。浸泡6 h后，接頭腐蝕更為嚴(yán)重，鋼側(cè)富鐵區(qū)條狀腐蝕坑數(shù)量增加，ε-Cu相發(fā)生腐蝕溶解，如圖8c所示，銅側(cè)區(qū)出現(xiàn)球狀枝晶，ε-Cu相腐蝕溶解嚴(yán)重，如圖8d所示。

圖8 銅/鋼接頭腐蝕形貌Fig.8 Corrosion profile of copper/stainless steel joint

銅/鋼焊接接頭在電解銅溶液中浸泡2 h和6 h后的EIS曲線如圖9所示。圖9a、9c和圖9b、9d分別為接頭不同區(qū)域的Nyquist圖和Bode圖。可以看出，鋼側(cè)在電解銅溶液中浸泡2 h和6 h后的阻抗弧基本一致，相位角均大于80°，這意味著不銹鋼側(cè)的鈍化傾向較高。隨浸泡時間的增加，銅側(cè)阻抗弧在低頻區(qū)出現(xiàn)了收縮的電感特性，接頭熔合區(qū)的阻抗弧半徑減小，電荷轉(zhuǎn)移電阻減小。這與銅/鋼接頭處的電偶腐蝕效應(yīng)有關(guān)，相比于銅側(cè)和熔合區(qū)，鋼側(cè)的耐腐蝕性能更好，在腐蝕電偶中充當(dāng)陰極，因此接頭中的Cu易于發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移形成亞穩(wěn)態(tài)的Cu+，進一步氧化為Cu2+，透過腐蝕膜向溶液中擴散溶解，引起銅側(cè)的嚴(yán)重腐蝕［15-16］。因此可以認(rèn)為，在腐蝕介質(zhì)中，接頭銅側(cè)區(qū)域更容易腐蝕失效，降低接頭壽命，限制了銅/鋼直連型永久陰極板的應(yīng)用。

圖9 銅/鋼接頭腐蝕EIS曲線Fig.9 EIS curves of copper/stainless steel joints

3 結(jié)論

（1）采用不同激光功率對銅/鋼角接結(jié)構(gòu)進行焊接，得到的焊縫成形質(zhì)量表現(xiàn)為：預(yù)熱3 000 W>3 000 W>2 000 W>4 000 W。激光功率3 000 W預(yù)熱狀態(tài)下的接頭焊縫寬度較寬，內(nèi)部焊接裂紋少，預(yù)熱的接頭成形良好，無焊接裂紋，鋼側(cè)和熔合區(qū)分界明顯，熔合區(qū)內(nèi)大量球狀和枝晶狀ε-Cu顆粒相均勻分布在γ相為主的（γ+ε）雙相固溶體組織中。

（2）銅/鋼角接接頭電導(dǎo)率、名義抗拉強度隨激光功率的增大先增加后減小，預(yù)熱接頭的電導(dǎo)率和名義抗拉強度均高于未預(yù)熱，其平均電導(dǎo)率為19.15%IACS，平均名義抗拉強度達到398.3 MPa，能夠滿足陰極板工況要求。

（3）銅/鋼角接接頭處存在腐蝕微電偶，焊縫富鐵區(qū)為陰極，富銅區(qū)為陽極，在電偶腐蝕作用下ε-Cu相優(yōu)先腐蝕溶解，導(dǎo)致γ相脫落，形成大量腐蝕坑；隨浸泡時間的延長，接頭腐蝕程度加劇，不利于陰極板在重腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用。