鉭條閃光對(duì)焊工藝參數(shù)對(duì)其組織性能的影響

張 曉，萬慶峰，解永旭，楊文明，劉云峰，郭林波

(1.寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司 鉭鈮材料分廠，寧夏 石嘴山 753000;2.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安 710000)

鉭是一種典型的無相變體心立方結(jié)構(gòu)金屬，具有高熔點(diǎn)、耐腐蝕、延性好、蒸氣壓低、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能良好和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性高等特性，是高新技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的材料［1－3］，其中鉭絲主要應(yīng)用于電容器陽極引線.隨著鉭絲生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，各廠家都致力于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，以提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.研究者相繼提出鉭條的無頭軋制技術(shù)及輥模拉拔技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)均需要多根鉭條焊接在一起，從而實(shí)現(xiàn)軋制過程的連續(xù)化，其中難點(diǎn)是大規(guī)格鉭條的連接問題［4］.鉭條焊接傳統(tǒng)采用冷焊，由于冷焊設(shè)備只適宜焊接Ф3 mm以下的鉭條，因此近年來鉭條的焊接技術(shù)一直是工程界研究的重要課題.

閃光對(duì)焊是對(duì)接電阻焊的一種，是電加熱的塑性焊接.具有加熱時(shí)間短、熱量集中、熱影響區(qū)小、變形與應(yīng)力小、操作簡(jiǎn)單、焊接強(qiáng)度高、致密性好、無假焊、無夾雜、無氣孔等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用［5－7］.

本文研究閃光對(duì)焊在鉭條焊接中的應(yīng)用，針對(duì)鉭條的性能特點(diǎn)，采用不同閃光對(duì)焊工藝對(duì)其進(jìn)行焊接，并對(duì)其接頭的組織和性能進(jìn)行研究，以期能為鉭條在實(shí)際中的應(yīng)用提供技術(shù)支持，解決鉭條連續(xù)拉拔的技術(shù)難題.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用Φ32 mm鉭條作為原料坯條，按鉭絲生產(chǎn)工藝進(jìn)行軋制，用軋制態(tài)4 mm×4 mm的鉭條作為對(duì)焊材料.

1.2 焊接方法

采取電容儲(chǔ)能式預(yù)熱閃光對(duì)焊.焊接工藝流程是軋制→端頭預(yù)處理→焊接→焊接飛邊處理→輥模拉拔.焊接工藝過程由預(yù)熱、閃光、頂鍛、保持、休止等步驟組成，在焊接過程中和冷卻過程中采用氬氣保護(hù).閃光對(duì)焊的示意圖如圖1所示.

常溫下鉭在空氣中是穩(wěn)定的，但是加熱至300℃以上時(shí)開始與氧氣、氫氣、氮?dú)夥磻?yīng)，并生成固溶體［8］.閃光過程中，液體過量爆破時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸氣減少了空氣向?qū)陂g隙的侵入，形成自保護(hù)，同時(shí)，金屬蒸氣及拋射的金屬液滴被強(qiáng)烈氧化而減少了氣體介質(zhì)中氧的分壓，從而降低了對(duì)口間隙中氣體介質(zhì)的氧化能力.閃光后期在端面上形成的液體金屬層，為頂鍛時(shí)排除氧化物和過熱金屬提供了有利條件［9］.但是，在冷卻開始階段鉭的溫度還處于一個(gè)高溫階段，為了防止氧化等現(xiàn)象，焊接過程必須在真空中或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行.焊前要去除表面的氧化物及污物.焊后還要進(jìn)行真空退火來提高接頭性能.本試驗(yàn)采用在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行焊接.

1.3 焊接工藝

將頂鍛力設(shè)定為1 000、1 500、2 500和3 000 N，分別對(duì)應(yīng)4種頂鍛狀態(tài):頂鍛力不足、頂鍛力適中、頂鍛力微過量和頂鍛力過量.4種狀態(tài)下，短路電流均為30 kA.

2 討論與分析

2.1 探傷

經(jīng)過超聲波探傷檢測(cè)，所檢焊接焊頭都未出現(xiàn)未焊透、過燒、裂紋和夾雜等缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

2.2 鉭條焊區(qū)金相組織及接頭力學(xué)性能

鉭條焊接接頭及熱影響區(qū)金相組織示意圖見圖2，其真實(shí)組織照片見圖3.其中，A、B為熔融區(qū)，C、D、E為再結(jié)晶區(qū)，F(xiàn)為回復(fù)區(qū)，G為原始組織.可以看出，G區(qū)拉拔纖維組織(原始組織)同F(xiàn)區(qū)回復(fù)金相組織相同，見圖3(f).

圖2 鉭條焊接接頭及熱影響區(qū)金相示意圖

閃光對(duì)焊是利用電阻熱加熱對(duì)接端面局部接觸點(diǎn)，產(chǎn)生閃光，使端面金屬熔化，然后迅速施加頂鍛力完成焊接的方法［10］.在頂鍛階段，工藝參數(shù)只有頂鍛初速度和頂鍛力.通常認(rèn)為，頂鍛初速度越高越好，但頂鍛力必須與頂鍛前的電阻熱相適應(yīng).頂鍛力過量將導(dǎo)致焊縫與母材交界區(qū)的晶粒破碎，形成組織微裂紋.此外，頂鍛力過量也將使長(zhǎng)大過程中的晶粒被擠壓伸長(zhǎng)，而嚴(yán)重伸長(zhǎng)變形的晶粒，將導(dǎo)致焊頭韌性降低［11］.當(dāng)然，在電阻熱分布合理的條件下，較高的頂鍛力能產(chǎn)生更好的接頭.多數(shù)裂紋是由于頂鍛前的電阻熱和頂鍛力的不匹配造成的.工藝試驗(yàn)結(jié)果也證明了這種參數(shù)的匹配對(duì)形成良好接頭具有關(guān)鍵的作用.

閃光對(duì)焊的典型缺陷組織有氧化夾渣和晶粒過大兩種，它們與工藝參數(shù)的不合理均有直接關(guān)系.如果閃光對(duì)焊焊頭有氧化夾渣，將影響焊接接頭的拉伸性能.形成氧化夾渣的原因有很多，根本原因是頂鍛速度和頂鍛力不足，使頂鍛前形成的表面氧化膜無法破碎擠出［12］.

前人實(shí)驗(yàn)表明，焊縫組織過熱、焊接溫度過高會(huì)造成粗大組織［13］，具有粗大組織的閃光對(duì)焊接頭其強(qiáng)度下降、脆性增大.本文也對(duì)頂鍛力1 000、1 500、2 500、3 000 N作用下焊接接頭的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見表1.

圖3 焊接接頭及熱影響區(qū)組織

表1 焊接接頭的力學(xué)性能

2.2.1 頂鍛力不足

焊接接頭的焊縫區(qū)有明顯的鑄態(tài)組織，見圖3中(a)和(b);熱影響區(qū)發(fā)生再結(jié)晶和回復(fù)，見圖3中(c)、(d)、(e)和(f).焊區(qū)鑄態(tài)組織由于其晶粒粗大，如圖3(a)和3(b)所示，凝固時(shí)形成枝晶造成成分(尤其是摻雜元素)偏析于枝晶間隙處，從而導(dǎo)致鉭條塑韌性下降(見表1).鑄態(tài)組織導(dǎo)致鉭條硬度增大、粗晶粒結(jié)構(gòu)粗大，難以進(jìn)行后續(xù)拉拔加工.

2.2.2 頂鍛力適中

焊接時(shí)，焊接端面溫度急劇升高直至熔融，對(duì)焊件施加頂鍛力，使熔融端面緊密接觸.適中頂鍛力的施加將端面上的熔融金屬擠壓捧擠到焊縫的邊緣，使焊縫中幾乎不殘留鑄造組織，形成潔凈、緊密的金屬結(jié)合面.

金相觀察發(fā)現(xiàn)，焊接接頭的焊縫區(qū)有少量的鑄態(tài)組織分布于再結(jié)晶組織中，熱影響區(qū)組織同頂鍛力不足時(shí)相似，同樣發(fā)生了再結(jié)晶和回復(fù).頂鍛力微過量和過量條件下，熱影響區(qū)組織也發(fā)生同樣的變化.少量的鑄態(tài)組織對(duì)材料的塑性產(chǎn)生明顯影響，使塑性下降，同時(shí)材料強(qiáng)度也下降，見表1.

2.2.3 頂鍛力微過量

焊接接頭的焊縫心部無鑄態(tài)組織，見圖3(g).飛邊處有少量的鑄態(tài)組織，飛邊處的鑄態(tài)組織在后續(xù)經(jīng)多次拉拔及中間退火，不影響鉭條拉拔.

焊接頂鍛力微過量時(shí)，焊縫兩側(cè)組織結(jié)合緊密.無殘留鑄態(tài)組織.由于頂鍛力的微過量作用，熔融狀態(tài)的液態(tài)鉭被擠到了鉭條表面形成焊接飛邊.焊縫兩側(cè)的鉭則在接近熔點(diǎn)的高溫和微過量頂鍛力作用下發(fā)生了較大的塑性變形，并同時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成再結(jié)晶組織［14］.由于鉭的導(dǎo)熱性好，在微過量頂鍛力作用下形成的再結(jié)晶組織晶粒較細(xì)，沒有粗大晶粒，這種細(xì)顆粒的再結(jié)晶組織有利于細(xì)晶粒強(qiáng)化，材料強(qiáng)度和塑性都得到提高，有利于鉭條拉拔［15］.

2.2.4 頂鍛力過量

焊接接頭的焊縫區(qū)心部無鑄態(tài)組織，但是有個(gè)別粗大的二次再結(jié)晶晶粒.粗大的二次再結(jié)晶晶粒會(huì)使材料強(qiáng)度和塑性都下降，不利于發(fā)揮材料的性能.

2.3 焊接組織形貌及化學(xué)雜質(zhì)分析

2.3.1 焊接組織形貌

采用掃描電鏡觀察頂鍛力適中時(shí)的焊接組織形貌，結(jié)果如圖3(h)～3(j)所示，可以看出焊接熔區(qū)組織為明顯的樹枝晶.雖然焊接熱影響時(shí)間只有0.25 s，但由于熱影響區(qū)溫度接近鉭的熔點(diǎn)，原子熱擴(kuò)散速度非常快，使得在很短的時(shí)間發(fā)生二次再結(jié)晶［16］.發(fā)生二次再結(jié)晶的晶粒形狀是等軸晶粒，金相觀察距離熔融區(qū)l5 mm的D區(qū)再結(jié)晶組織同樣是等軸晶粒，見圖3(c).金相觀察距離熔融區(qū)25 mm的C區(qū)再結(jié)晶組織中可見到少量具有帶有拉拔織構(gòu)方向的長(zhǎng)條形晶粒，見圖3(d).由此可見，熱影響區(qū)溫度高于某一定值時(shí)，其長(zhǎng)條形晶粒將不會(huì)存在，再結(jié)晶晶粒此后變成了等軸晶粒.

2.3.2 化學(xué)雜質(zhì)分析

焊頭除去飛邊后，進(jìn)行化學(xué)雜質(zhì)分析，結(jié)果見表2.從表2可以看出，焊頭與母材的化學(xué)雜質(zhì)相當(dāng)，說明焊接過程中無化學(xué)雜質(zhì)引入，完全滿足鉭絲生產(chǎn)的要求.

表2 化學(xué)雜質(zhì)分析結(jié)果 10-6

2.4 硬度

頂鍛力適中時(shí)，焊縫及熱影響區(qū)不同位置的硬度曲線見圖4，硬度測(cè)量位置見圖2中A、B、C、D、E、F、G.分析認(rèn)為:焊縫區(qū)硬度高一方面是由于熔化后的組織晶界面積增加，表面能增大，強(qiáng)度提高;另一方面由于雜質(zhì)金屬原子與鉭原子半徑不同，產(chǎn)生晶格畸變?cè)斐珊辖饛?qiáng)化，合金硬度升高，而熱影響區(qū)受焊接熱作用處于半熔化狀態(tài).對(duì)焊過程擠走了部分熔融態(tài)的鉭元素，使得雜質(zhì)金屬元素含量也相對(duì)提高，在一定程度上提高了該區(qū)域的合金硬度［17］.

圖4 焊接接頭硬度曲線

2.5 焊接鉭條拉拔

軋制后的鉭條處理后，按頂鍛力不足和微過量?jī)煞N狀態(tài)進(jìn)行惰性氣體保護(hù)焊接，再去除飛邊，然后進(jìn)行輥模拉拔試驗(yàn)，最終拉至Φ2.5 mm.

本次實(shí)驗(yàn)拉拔四道次，頂鍛力微過量時(shí)2根試樣沒有斷絲，頂鍛力不足時(shí)2根試樣中有l(wèi)根斷絲.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊接頂鍛力的選擇非常重要，凡是組織中有鑄態(tài)組織都會(huì)影響鉭絲的力學(xué)性能.

3 結(jié) 論

1)鉭條焊接后，焊縫組織受到焊接頂鍛力的影響，頂鍛力不足時(shí)，在焊縫區(qū)會(huì)留下鑄態(tài)組織，由此導(dǎo)致鉭條和強(qiáng)度塑性極大下降.

2)經(jīng)過較大拉拔變形后的鉭條可以采用惰性氣體保護(hù)焊接方法將拉絲斷頭重新焊合，重新焊接后的鉭絲能夠滿足后續(xù)拉拔力學(xué)性能的要求.

3)焊接工藝參數(shù)短路電流 30 kA，頂鍛力1 500～2 500 N，焊接熱影響時(shí)間25 s.

4)根據(jù)Bauer［18］進(jìn)行了閃光對(duì)焊接頭質(zhì)量控制的研究，鉭條焊接時(shí)要特別注意:一是采用惰性氣體保護(hù)防止氧化;二是焊接頂鍛力要適度過量，(以剛好發(fā)生再結(jié)晶為限)從而獲得最佳的金相組織和力學(xué)性能.焊接效果最好時(shí)，焊接鉭條同母材力學(xué)性能幾乎沒有差別.

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