向 陽,謝耀征

(湘電集團(tuán)有限公司結(jié)構(gòu)件事業(yè)部,湘潭 411101)

交流電機導(dǎo)電紫銅環(huán)焊接缺陷研究

向 陽,謝耀征

(湘電集團(tuán)有限公司結(jié)構(gòu)件事業(yè)部,湘潭 411101)

對交流電機導(dǎo)電紫銅環(huán)焊接接頭的焊趾、焊根的金相組織進(jìn)行分析,結(jié)果表明其內(nèi)部不存在裂紋、未焊透等缺陷.然后分別對熔合區(qū)金相組織進(jìn)行分析、再對焊縫金屬進(jìn)行微觀組織分析時發(fā)現(xiàn)裂紋,經(jīng)研究確定該裂紋均為液化裂紋.

紫銅焊接;液化裂紋;夾渣;未焊透;未熔合

電機導(dǎo)電紫銅環(huán)是交流電機最重要的零部件之一,由于電機導(dǎo)電紫銅環(huán)在釬焊過程中頻繁發(fā)生不合格的開裂現(xiàn)象,對開裂銅環(huán)進(jìn)行返工返修給企業(yè)帶來嚴(yán)重的負(fù)擔(dān),還造成不小的經(jīng)濟損失.據(jù)統(tǒng)計2009年下半年,對我結(jié)構(gòu)件事業(yè)部粗加工后的紫銅環(huán)焊縫進(jìn)行著色探傷,合格率 6個月平均為75.6%.隨著電機生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展,為降低外部投訴率,增強用戶滿意度,提高產(chǎn)品的合格率及成品事業(yè)部產(chǎn)品質(zhì)量信譽度,對電機導(dǎo)電紫銅環(huán)焊接缺陷研究,十分必要.本文現(xiàn)就電機導(dǎo)電紫銅環(huán)焊縫中的缺陷,進(jìn)行分析闡述并提出建議.

1 導(dǎo)電紫銅環(huán)熔焊焊接接頭微觀組織分析

結(jié)構(gòu)失效發(fā)生在紫銅環(huán)熔焊焊縫處,必須對紫銅環(huán)熔焊焊接接頭金相組織進(jìn)行分析.對焊件沿焊縫縱向選取典型的焊縫形態(tài),截取具有典型組織形貌特征的焊接接頭,進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光,待無劃痕后進(jìn)行腐蝕、水洗、酒精清洗、吹干備用.采用的腐蝕液為FeCl3∶HCl∶H2O=5 g∶25 ml∶85 ml[1].試樣如圖1所示,分別對焊趾、焊根、焊縫金屬和熔合區(qū)四個位置進(jìn)行截取,得到這四個部位的試樣,并對其重新進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光和腐蝕,待腐蝕好后用金相顯微鏡對試樣進(jìn)行微觀組織觀察.

圖1 紫銅環(huán)熔焊焊縫縱向截取后宏觀形貌照片

1.1 焊趾和焊根微觀組織分析

圖2(a)所示為焊縫焊趾處的金相組織照片.從中可以看到,母材和焊縫金屬熔合的較好.圖2(b)為圖2(a)的放大,可以看到存在少量的氣孔.

圖2 HS201焊接接頭焊趾處微觀組織照片

圖3(a)所示為焊根的金相組織照片,從中可看到大量的氣孔,圖3(b)為圖3(a)的放大,可以看到氣孔主要分布在偏向填充金屬一側(cè).雖然焊根處存在這些氣孔,但這不會成為裂紋隱患,也不會影響到焊接接頭的性能.原因是紫銅環(huán)熔焊后要進(jìn)行表面機加工,加工余量約為8 mm左右,所以焊根處產(chǎn)生氣孔部位將會被作為加工余量去除,在成品構(gòu)件上這些氣孔不復(fù)存在.

圖3 HS201焊接接頭焊根處微觀組織照片

通過上述分析,可以得到這樣的結(jié)論:焊趾和焊根處雖然應(yīng)力集中比較大,但由于其內(nèi)部不存在裂紋、未焊透等缺陷,焊后表面還要進(jìn)行機加工等原因,所以從微觀分析角度看,這兩個部位符合結(jié)構(gòu)使用要求.

1.2 熔合區(qū)微觀組織分析

圖4所示為焊縫熔合區(qū)的微觀組織形貌,圖4(a)為其經(jīng)拋光后的金相照片,在上面可清楚看到有兩段裂紋存在.圖4(b)為其腐蝕后的照片,左側(cè)為母材,右側(cè)為焊縫金屬,將圖4(a)的裂紋上部放大,得到圖5(a),將裂紋下部放大,得到圖5(b).從中可以看到,兩段裂紋分布在熔合線和靠近熔合線的部位,在這些裂紋及其周圍還分布著一些黑色的物質(zhì).

在掃描電鏡下對裂紋處的黑色物質(zhì)進(jìn)行了高倍觀察和能譜分析,如圖6所示,圖7和表1為其能譜分析結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)氧的含量為3.06%,說明焊縫內(nèi)存在CuO,CuO在高溫時會分解為Cu2O和Cu,Cu2O能與Cu形成(Cu2O+Cu)低熔共晶體,其共晶溫度為1065℃,低于銅的熔點(1083℃).

氧化亞銅與銅形成的低熔共晶體分布在晶界上,削弱了銅在高溫時的晶間結(jié)合力.在熔池金屬凝固后期或在近縫區(qū)中,這些低熔共晶體以液膜形式分布在銅的晶粒邊緣,顯著降低了銅的高溫強度和塑性,此外由于焊接時采用的是多層多道焊,焊縫受到焊接熱循環(huán)的重?zé)嶙饔?因此分析該處裂紋應(yīng)為液化裂紋,其產(chǎn)生的主要原因是由于(Cu2O+Cu)低熔共晶體的存在.

表1 (圖6中小樹枝晶狀物質(zhì)的成分)

此外,在對圖5(a)框圖內(nèi)的大塊黑色物質(zhì)進(jìn)行能譜分析時,發(fā)現(xiàn)此處的成分除了含有氧元素以外,還存在大量的雜質(zhì)元素,分析認(rèn)為這些黑色物質(zhì)中除了含有氧化銅以外,還可能含有一些雜質(zhì),這可能是由于試件在焊接的過程中氧化皮沒有被清理干凈,大量雜質(zhì)被混入,在金屬結(jié)晶的過程中,這些氧化皮或雜質(zhì)被排開到熔合線處,形成夾渣或未熔合.這種缺陷曾出現(xiàn)在焊接試件進(jìn)行線切割過程中,如圖8所示,試件中存在著嚴(yán)重的未熔合,以致線切割的鉬絲都無法順利通過進(jìn)行切割.因此,分析認(rèn)為這種缺陷也可能是除了裂紋以外的造成最終斷裂的原因之一.

圖8 HS201焊接的試件中存在的缺陷

1.3 焊縫金屬微觀組織分析

圖9所示為焊縫金屬的微觀組織形貌,圖9(a)為經(jīng)拋光后的金相照片,圖9(b)為其腐蝕后的照片.同樣在掃描電鏡下對裂紋處的黑色物質(zhì)進(jìn)行了高倍觀察和能譜分析,如圖10所示,圖11和表2為其能譜分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)氧的含量為5.73%,說明焊縫內(nèi)同樣存在CuO.

由此可見,焊縫金屬處同樣存在著液化裂紋,裂紋尺寸較長,貫穿于層間.液化裂紋可以貫穿層間的主要原因是:

①多層焊時,每一焊層的液態(tài)金屬結(jié)晶總是以前一焊層的晶粒為基,所以兩層柱狀晶界是貫通的;

②晶間液化的溫度總是稍低于焊縫金屬的結(jié)晶溫度,所以在焊縫金屬結(jié)晶凝固時,一方面液化的晶間低熔組識可以方便地沿相通的柱狀晶界進(jìn)入下一焊層,潤濕晶界表面;

③另一方面,液化裂紋尖端處的應(yīng)力-應(yīng)變集中,可以沿最有利的方向,沿柱狀晶界發(fā)展到下一焊層中.所以,液化裂紋從萌生裂源開始,沿柱狀晶界延伸擴展到下一焊層.

表2 (圖10中小樹枝晶狀物質(zhì)成分)

2 結(jié) 論

(1)通過對交流電動機導(dǎo)電紫銅環(huán)焊接接頭微觀組織的研究認(rèn)為無論是焊縫熔合區(qū)還是焊縫金屬出現(xiàn)裂紋的主要原因都是由于焊縫內(nèi)混入氧元素,形成了低熔共晶體,高溫時,低熔共晶體以液膜形式分布在晶界上,顯著降低了銅的晶間結(jié)合力,宏觀表現(xiàn)為焊接接頭的強度和塑性嚴(yán)重下降.所以如果受到的拉應(yīng)力大于焊接接頭已經(jīng)顯著下降的強度,那么焊縫處就會產(chǎn)生裂紋甚至斷裂.

(2)交流電動機導(dǎo)電紫銅環(huán)熔焊焊縫內(nèi)部的主要缺陷是液化裂紋,特別是焊縫金屬處的液化裂紋,長且貫穿層間.其產(chǎn)生原因是焊縫內(nèi)混入過量的氧元素,高溫時產(chǎn)生(Cu2O+Cu)低熔共晶體.低熔共晶體以液膜形式分布在晶界上,顯著降低了銅的晶間結(jié)合力,宏觀表現(xiàn)為焊接接頭的強度和塑性嚴(yán)重下降.

(3)建議:①在有氧銅的熔化焊接中,銅在高溫500～600℃之間,低熔點化合物很易析出,在晶界形成脆性物質(zhì),影響機械性能,故應(yīng)嚴(yán)格材料質(zhì)量,并采用水韌方式,使焊縫快速通過500～600℃溫度區(qū),減少低熔點化合物析出的可能性.②焊接坡口成形要好,采用金加工.③焊前徹底清理干凈工作平板,清理待焊處油污、水、銹等.④焊接用保護(hù)氣體純度≥99.99%.

[1]邢 麗,黃春平.紫銅的攪拌摩擦焊接頭組織與電學(xué)性能測試[J].金屬學(xué)報,2000,36(7):770-774.

[2]黃伯云,李成功,石力開.中國材料工程大典第4卷:有色金屬材料工程(上)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2006:219-315.

[3]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊第2卷:材料的焊接[M].機械工業(yè)出版社,2003:611.

Study on Copper Welding Defect of Electric Motor

XIANG Yang,XIE Yao-zheng

(Structure Department,Xiangtan Electric Manufacture Group Corporation LID,Xiangtan 411101,China)

Experimental studies of copper welding on metallographic structure of the weld edge and the weld root are carried on in this article.The results indicate that there is no crack or lack of penetation or such defects in the interior of the weld.Experimental studies on metallographic structure of weld joint and metal are carried on subsequently.The crack is observed and the microcracks are liquation ones.

copper welding;liquation microcracks;slag;lack of penetraton;lack of fusion

TG441

A

1671-119X(2011)02-0035-03

2011-02-25

向 陽(1963-),男,工程師,研究方向:焊接結(jié)構(gòu)件的焊縫缺陷.