帶你了解無氧銅電子束焊接接頭的顯微組織及力學(xué)性能,涉及焊接方式有攪拌摩擦焊、激光焊、氬弧焊、釬焊等
發(fā)布時(shí)間:2020-11-23點(diǎn)擊:2294
無氧銅(OFC)作為一種高純度銅材料,有著極好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性和良好的耐蝕、加工、焊接性?;阢~在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用,其焊接性能越來越受到關(guān)注。
但是,銅在焊接過程中會(huì)出現(xiàn)以下幾種問題:
1.焊縫難熔合,成形差;
2.容易發(fā)生焊接變形,熱裂傾向大;
3.熱輸入量大導(dǎo)致晶粒粗大,焊接接頭性能下降。
解決方法:電子束焊接熱效率高、能量集中、熱輸入量小,使得焊縫金屬冷卻快,能有效避免晶粒粗大。
近年來,有學(xué)者針對(duì)銅及銅合金與異種金屬的焊接性能進(jìn)行了一些研究,主要焊接方式有攪拌摩擦焊、激光焊、氬弧焊、釬焊等,而關(guān)于無氧銅電子束焊接的研究較少。為此,筆者選取了合理的電子束焊接工藝,研究了大厚度無氧銅板材焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能,為銅及銅合金的電子束焊接應(yīng)用提供參考依據(jù)。
一、試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料:
牌號(hào)為TU1的國(guó)產(chǎn)退火態(tài)無氧銅板,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)為:99.97Cu+Ag,0.002P,0.004Fe,0.003Pb,0.003Zn,0.002O,0.004S。
試驗(yàn)設(shè)備:
高壓真空電子束焊機(jī)ZD150-15A、Leica DM6000M光學(xué)顯微鏡、DMH-2顯微硬度計(jì)、Zeiss Supra 55掃描電鏡、日本島津AG-100kNG電子萬能試驗(yàn)機(jī)
工藝方式:臨界穿透焊,焊接參數(shù)為加速
使用標(biāo)準(zhǔn):
GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》
二、試驗(yàn)結(jié)果與討論
1.顯微組織
由圖1可見無氧銅厚板焊接接頭橫截面表面形貌良好,無明顯缺陷。焊縫為深寬比很大的釘形焊縫,***大寬度約為1mm。焊縫與母材組織分界明顯,而焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)很窄與母材分界不明顯。
由圖2可見,母材為單相α-Cu組織,由于銅的層錯(cuò)能較低,導(dǎo)致晶內(nèi)生成大量退火孿晶;焊縫熔池在凝固過程中形成了大量等軸晶粒;熱影響區(qū)受焊接熱影響,越靠近母材,過冷度和冷卻速率越小,導(dǎo)致晶粒粗化長(zhǎng)大,焊縫與母材的顯微組織同為α-Cu相。
由圖3可見,隨著與焊縫上表面距離的增大,焊縫等軸晶晶粒尺寸逐漸減小。
2.顯微硬度
由圖4可知,3個(gè)位置的硬度均在50~60HV0.025。對(duì)于同一位置的焊接接頭來說,硬度在焊縫、熱影響區(qū)和母材處沒有明顯區(qū)別;對(duì)于上、中、下3個(gè)位置的接頭來說,組織晶粒尺寸不同沒有給材料的顯微硬度帶來明顯差異,即上、中、下3個(gè)位置抵抗局部變形能力相同。無氧銅純度很高,焊接過程中,熔池內(nèi)外幾乎沒有成分差異,凝固時(shí)不發(fā)生相變,因此焊縫內(nèi)外的晶體結(jié)構(gòu)相同。雖然焊縫上、下部位顯微組織的晶粒尺寸相差較大,但測(cè)得材料的顯微硬度沒有太大變化。
3. 拉伸性能
由表1可見,電子束焊接接頭的抗拉強(qiáng)度稍低于母材的,約為母材的97%,屈服強(qiáng)度則與母材的相當(dāng)。對(duì)比母材與接頭的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率,可知接頭的斷后伸長(zhǎng)率相比于母材的稍有下降,而斷面收縮率幾乎一致,說明焊接接頭塑性無明顯降低,在使用要求范圍內(nèi)。
圖5所示為焊接接頭分別斷于母材與焊縫的斷口縱截面顯微組織形貌??梢娔覆臄嗔亚埃Я1焕L(zhǎng)呈纖維狀,晶內(nèi)出現(xiàn)大量裂紋;焊縫斷裂前,斷口處部分等軸晶粒沒有較大變形,說明等軸晶粒的塑性變形能力不如母材的,這也解釋了焊接接頭平均斷后伸長(zhǎng)率相比母材的稍有下降的原因。
圖6為母材和焊接接頭拉伸斷口掃描電鏡微觀形貌,可見無氧銅母材與焊接接頭光滑試樣的拉伸斷裂均為韌性斷裂,并發(fā)生明顯頸縮,斷口外形呈杯錐狀,錐面與主應(yīng)力成45°。母材斷口表面較為平整,大量等軸韌窩在表面均勻分布。斷口側(cè)面出現(xiàn)大量蛇行滑動(dòng)花樣,這是拉伸開動(dòng)時(shí)多個(gè)滑移系交互作用的結(jié)果。焊縫斷口表面較為凹凸不平,韌窩分布不均勻,局部有剪切形成的拉長(zhǎng)韌窩。
三、結(jié)論
1.電子束焊接能量集中、熱輸入量小,且無氧銅導(dǎo)熱率高,因此焊接接頭焊縫狹窄且表面無明顯缺陷。焊縫區(qū)顯微組織為αGC鑄態(tài)等軸組織,母材顯微組織為αGCu退火孿晶組織,熱影響區(qū)顯微組織為母材晶粒粗長(zhǎng)大的組織,且與母材的區(qū)別不明顯。
2.無氧銅焊接接頭從焊縫到母材,顯微硬度沒有發(fā)生明顯變化,說明焊縫和母材抵微區(qū)變形的能力相當(dāng)。
3.無氧銅焊接接頭經(jīng)室溫拉伸發(fā)生明顯塑性變形,在母材和焊縫處均有斷裂,其抗拉強(qiáng)度和塑性與母材的相當(dāng)。
來源:《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》微信公眾號(hào) 選自:《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》 Vol.54 2018.3作者:丁尋,助理工程師,中國(guó)航空制造技術(shù)研究院