交流磁場(chǎng)輔助銅-鋼TIG填絲焊接頭組織和力學(xué)性能

王 龍，胡德安，鄒鵬遠(yuǎn)，熊震宇，陳益平，程?hào)|海

(1 南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063；2 南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于其低成本、輕量化和高性能等特點(diǎn)而被逐漸關(guān)注。銅合金作為被工業(yè)廣泛應(yīng)用的有色金屬材料，通常被用于制造導(dǎo)電部件和熱交換器等，然而其密度相對(duì)較高，且價(jià)格昂貴；而鋼鐵材料具有強(qiáng)度高、塑韌性好、成本低等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用最為廣泛。因此，采用T2紫銅與鋼鐵材料組成的銅-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件可兼具二者的優(yōu)良性能，并在銅鋼復(fù)合導(dǎo)電棒、電機(jī)轉(zhuǎn)子短路環(huán)、氧氣槍噴嘴、高壓氧氣管道阻火器、啤酒生產(chǎn)用糊化鍋和航空航天等方面具有較廣的應(yīng)用范圍，符合現(xiàn)代工業(yè)對(duì)材料輕量化、節(jié)能環(huán)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(wěn)定，熱輸入可調(diào)節(jié)，可成功焊接易氧化和化學(xué)活潑性強(qiáng)的有色金屬及鋼鐵等材料。程?hào)|海等[8-9]對(duì)銅/鋼異種材料進(jìn)行等離子弧焊研究，得到了質(zhì)量較好的接頭，但發(fā)現(xiàn)其組織具有明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。而外加磁場(chǎng)由于其具有細(xì)化組織、提高接頭性能且設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[10-16]。其中，Chen等[14]通過對(duì)鋁/鋼外加磁場(chǎng)輔助激光焊接實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熔池中洛倫茲力和熱電磁力對(duì)焊縫組織影響較大，且添加磁場(chǎng)后接頭顯微硬度降低、抗拉強(qiáng)度提高。王小明[15]通過交變磁場(chǎng)輔助鎂鋼TIG熔釬焊和鋁鋼TIG熔釬焊研究發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)改善了釬料在母材表面的潤濕性，并起到細(xì)化接頭組織、提高強(qiáng)度的作用。李軍兆[16]對(duì)鋁鈦異種金屬進(jìn)行磁場(chǎng)輔助MIG熔釬焊研究，結(jié)果表明外加縱向磁場(chǎng)后，焊接電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移，并存在一定程度的擴(kuò)張現(xiàn)象，同時(shí)焊縫成形和接頭的拉伸強(qiáng)度得到顯著改善。

由此可見，外加磁場(chǎng)輔助異種材料焊接可通過改變?nèi)鄢剡\(yùn)動(dòng)和電弧旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到細(xì)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(chǎng)對(duì)銅-鋼異種材料進(jìn)行TIG填絲焊對(duì)接實(shí)驗(yàn)，主要研究磁場(chǎng)對(duì)接頭成型、接頭各區(qū)域微觀組織和力學(xué)性能的影響，并獲得最佳工藝參數(shù)，通過引入磁場(chǎng)改善銅-鋼TIG焊接頭的組織，提高接頭力學(xué)性能，以期為交流磁場(chǎng)輔助銅-鋼TIG焊接技術(shù)提供工藝參考和相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行對(duì)接實(shí)驗(yàn)，選用直徑為2.5 mm的HS201純銅焊絲。焊機(jī)采用WSM-315B型直流氬弧焊機(jī)，焊接過程中，用水冷焊槍及15 L/min的純氬氣進(jìn)行保護(hù)，電極采用直徑為2.0 mm的釷鎢極。在做外加磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將勵(lì)磁線圈直接套在直柄焊槍上，焊槍與工作臺(tái)保持垂直。對(duì)勵(lì)磁線圈的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換頻率和磁場(chǎng)電流大小實(shí)現(xiàn)控制，進(jìn)而改變磁場(chǎng)頻率和磁場(chǎng)電流，采用基于單片機(jī)為控制核心的數(shù)控式外加磁場(chǎng)控制電源，其主要由主電路、控制電路構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。經(jīng)過前期預(yù)實(shí)驗(yàn)后，選定最佳焊接工藝參數(shù)為：焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min，選定磁場(chǎng)參數(shù)范圍在：磁場(chǎng)頻率f=10～50 Hz(每10 Hz為一個(gè)遞增單位)，磁場(chǎng)電流IE=0.2～1.0 A(每0.2 A為一個(gè)遞增單位)。將焊后得到的試樣，用線切割機(jī)沿垂直于焊縫方向截取，對(duì)其進(jìn)行鑲嵌、打磨和拋光。鋼側(cè)腐蝕液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液，腐蝕時(shí)間為10 s；銅側(cè)采用3 g FeCl3+2 mL HCl+95 mL乙醇溶液，腐蝕時(shí)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(xué)顯微鏡(OM)、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)接頭熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)、熔合區(qū)(fusion zone，F(xiàn)Z))和焊縫區(qū)(weld zone，WZ)進(jìn)行觀察，并用能譜儀(EDS)對(duì)各區(qū)域的相成分進(jìn)行測(cè)定。使用WDW-100型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試，拉伸速率為0.5 mm/min，每組參數(shù)拉伸3組試樣，求平均值后算出對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度，采用401MVD顯微維氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)量，載荷為1.96 N，加載時(shí)間為10 s，相鄰兩點(diǎn)間距為0.2 mm，沿直線由鋼母材向焊縫、銅母材處連續(xù)取點(diǎn)。

圖1 磁場(chǎng)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(jié)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(shí)，無磁場(chǎng)和交流磁場(chǎng)時(shí)接頭的成形和截面形貌。由圖2(a-1)可以看出，未加磁場(chǎng)時(shí)焊縫整體成形較好，但局部未熔合，且有部分凹陷現(xiàn)象。當(dāng)磁場(chǎng)頻率f=30 Hz，磁場(chǎng)電流IE=0.4 A時(shí)，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(duì)接頭的截面形貌觀察可知，接頭整體呈X形，但鋼側(cè)熔合線的彎曲曲率比銅側(cè)熔合線大，這是因?yàn)殂~板的熱導(dǎo)率較高，散熱相對(duì)較快，其熔化量較少；而鋼板散熱相對(duì)較慢，熱量無法快速流動(dòng)使得鋼側(cè)熔化量多。為表述焊縫的成形質(zhì)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(cè)量方式如圖2(a-2)，(b-2)所示?？芍砑咏蛔兇艌?chǎng)后的焊縫平均熔寬明顯增加，而這種平均熔寬相對(duì)較大的焊縫有利于焊接時(shí)氣孔逸出[17]，使得焊縫成形表現(xiàn)良好。

圖2 無磁場(chǎng)(a)和交流磁場(chǎng)(b)時(shí)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(shí)有無交變磁場(chǎng)下接頭鋼側(cè)熱影響區(qū)、焊縫區(qū)和銅側(cè)熱影響區(qū)的組織。由圖3(a-1)，(a-2)可知，添加磁場(chǎng)后鋼側(cè)熱影響區(qū)組織由大塊狀鐵素體向小塊狀鐵素體轉(zhuǎn)化，并逐漸出現(xiàn)側(cè)板條狀和針狀鐵素體[18]。因?yàn)殡S著磁場(chǎng)的加入，此時(shí)磁場(chǎng)頻率和磁場(chǎng)電流匹配得當(dāng)，使得電弧存在一定程度的擴(kuò)張[16]，改變了接頭的熱循環(huán)使得鋼側(cè)熱影響區(qū)中的鐵素體發(fā)生細(xì)化，且隨著電弧的旋轉(zhuǎn)與擴(kuò)張，鋼側(cè)熱輸入面積增大，但熱輸入量不變，導(dǎo)致單位面積的熱輸入量下降，使得鐵素體形狀轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)板條狀和針狀鐵素體。由圖3(b-1),(b-2)可知，添加磁場(chǎng)后焊縫區(qū)組織由粗大的平面晶和包狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的包狀樹枝晶。這是由于磁場(chǎng)使得TIG電弧旋轉(zhuǎn)速度加快，電弧中心區(qū)域溫度梯度增大，同時(shí)電弧旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)熔池按正反方向規(guī)律性交替運(yùn)動(dòng)，形成電磁攪拌作用，打斷焊縫處先長大的枝晶，進(jìn)而使得枝晶重熔，大量的枝晶被打斷形成晶核，使得晶粒細(xì)化，小顆粒狀組織細(xì)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(chǎng)后銅側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)的平均晶粒明顯變得細(xì)小且數(shù)量增多。這是因?yàn)榇艌?chǎng)影響熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動(dòng)，而液態(tài)金屬在熔池流動(dòng)的過程中會(huì)不停地沖刷著熔池的邊界，進(jìn)而影響銅側(cè)熱影響區(qū)域，而且銅的導(dǎo)熱率相對(duì)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(chǎng)對(duì)接頭鋼側(cè)熱影響區(qū)、焊縫區(qū)和銅側(cè)熱影響區(qū)的組織均有不同程度的改變，其中鋼側(cè)熱影響區(qū)受電弧擴(kuò)張影響，鐵素體出現(xiàn)細(xì)化且其形態(tài)由大塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧詈蛡?cè)板條狀；焊縫區(qū)受電磁攪拌作用，其組織由胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪顦渲易兊眉?xì)密均勻；銅側(cè)熱影響區(qū)也有明顯的晶粒細(xì)化現(xiàn)象。

圖3 無磁場(chǎng)(1)及交流磁場(chǎng)(2)時(shí)接頭各區(qū)域組織(a)鋼側(cè)熱影響區(qū)；(b)焊縫區(qū)；(c)銅側(cè)熱影響區(qū)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(chǎng)下接頭熔合區(qū)和焊縫區(qū)SEM照片，表1為圖4中各點(diǎn)的EDS分析結(jié)果。從圖表及Cu-Fe二元相圖可知，添加磁場(chǎng)前后各點(diǎn)原子占比較為類似，則可推測(cè)磁場(chǎng)對(duì)接頭各區(qū)域相的種類無變化。A點(diǎn)處于鋼側(cè)熱影響區(qū)，F(xiàn)e原子分?jǐn)?shù)為80.21%，即可推測(cè)A點(diǎn)主要為α-Fe相；B～E點(diǎn)均位于熔合區(qū)，其中B點(diǎn)為黑色球狀組織，F(xiàn)e原子分?jǐn)?shù)為74.49%，則同樣為α-Fe；C點(diǎn)為灰白色的塊狀組織，Cu原子分?jǐn)?shù)為74.19%，與此相同的還有焊縫區(qū)中呈灰色片狀的1點(diǎn)，則可判定C點(diǎn)和1點(diǎn)均為銅基固溶體ε-Cu；D點(diǎn)為灰色枝晶狀且夾雜著的細(xì)小密集的黑色點(diǎn)狀組織，其中Fe原子分?jǐn)?shù)為40.91%，Cu原子分?jǐn)?shù)為45.25%，同樣存在類似分?jǐn)?shù)的還有E點(diǎn)和2點(diǎn)，則可推測(cè)其均為(α-Fe)+(ε-Cu)。綜上所述，添加磁場(chǎng)后，接頭熔合區(qū)和焊縫區(qū)的相的種類未發(fā)生變化，均由(α-Fe)+(ε-Cu)組成；熔合區(qū)的溶質(zhì)偏析現(xiàn)象得到改善，其(α-Fe)+(ε-Cu)顆粒由粗大狀的彌散分布轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小狀的聚集分布；焊縫組織明顯細(xì)化，其均勻性明顯提高。

表1 圖4中各點(diǎn)EDS分析結(jié)果Table 1 EDS analysis results of each point in fig.4

圖4 無磁場(chǎng)(1)與交流磁場(chǎng)(2)時(shí)熔合區(qū)和焊縫區(qū)SEM照片F(xiàn)ig.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(xué)性能分析

通過拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，無磁場(chǎng)時(shí)，當(dāng)焊接電流I=95 A，焊接速率v=95 mm/min時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度σbmax=154.7 MPa，且接頭大部分?jǐn)嗔言阢~側(cè)，對(duì)斷裂接頭的銅側(cè)熱影響區(qū)晶粒尺寸面積S測(cè)量可知，其均大于10000 μm2，表明銅側(cè)熱影響區(qū)的晶粒平均面積與接頭的抗拉強(qiáng)度關(guān)系密切。圖5為磁場(chǎng)電流IE和勵(lì)磁頻率f對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度及銅側(cè)熱影響區(qū)晶粒平均面積的影響。由圖5(a)可知，當(dāng)f=30 Hz時(shí)，隨著磁場(chǎng)電流的增加，接頭抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)IE=0.4～0.6 A時(shí)，銅側(cè)熱影響區(qū)的晶粒均小于10000 μm2；接頭抗拉強(qiáng)度均大于210 MPa。這是因?yàn)樵诮涣鞔艌?chǎng)作用下熔池的液態(tài)金屬受到間歇式正反攪拌，使得接頭各區(qū)域內(nèi)部的晶粒細(xì)化，抗拉強(qiáng)度提高。隨著磁場(chǎng)電流繼續(xù)增加，接頭抗拉強(qiáng)度開始降低；當(dāng)磁場(chǎng)電流升至1.0 A時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度降至129.7 MPa，此時(shí)銅側(cè)熱影響區(qū)晶粒變得異常粗大，增至14359 μm2。這是由于磁場(chǎng)電流過大，使得TIG電弧擴(kuò)張對(duì)銅側(cè)熱影響區(qū)產(chǎn)生重要影響，同時(shí)伴隨著熔池內(nèi)的過強(qiáng)電磁攪拌作用，其晶粒變得粗大，使得強(qiáng)度較低。

圖5 交變磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)接頭性能的影響(a)磁場(chǎng)電流對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響；(b)勵(lì)磁頻率對(duì)接頭抗拉強(qiáng)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(dāng)IE=0.4 A時(shí)，隨著磁場(chǎng)頻率的增加，接頭抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)f=25～35 Hz時(shí)，銅側(cè)熱影響區(qū)的晶粒均小于10000 μm2；接頭抗拉強(qiáng)度均大于210 MPa。這是因?yàn)楫?dāng)磁場(chǎng)頻率開始增加時(shí)，配合此時(shí)的磁場(chǎng)電流，使得銅側(cè)熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫區(qū)的組織尺寸變得細(xì)小，接頭強(qiáng)度提高。而當(dāng)磁場(chǎng)頻率繼續(xù)增加時(shí)，抗拉強(qiáng)度開始降低。這是因?yàn)榇艌?chǎng)頻率過大會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)方向變化較為頻繁，熔池中液態(tài)金屬發(fā)生紊流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致接頭的外觀形貌變差，并出現(xiàn)氣孔等缺陷；同時(shí)磁場(chǎng)頻率過大也會(huì)削弱電磁攪拌效應(yīng)，使得晶粒在組織形態(tài)上發(fā)生變化，即從最佳工藝參數(shù)時(shí)細(xì)小的聚集分布狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮膹浬⒎植紶顟B(tài)，最終晶粒尺寸變得粗大，接頭強(qiáng)度降低。同時(shí)對(duì)比圖5(a)，(b)可知，磁場(chǎng)電流對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響范圍在129.7～223.5 MPa，磁場(chǎng)頻率對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響范圍在196.8～223.5 MPa，則明顯可知磁場(chǎng)電流對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響明顯要大于磁場(chǎng)頻率。因此，接頭抗拉強(qiáng)度隨著磁場(chǎng)電流和磁場(chǎng)頻率的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。最佳工藝參數(shù)為：當(dāng)IE=0.4～0.6 A，f=25～35 Hz，銅側(cè)熱影響區(qū)的晶粒平均面積S<10000 μm2時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度較高，均大于210 MPa。其中，當(dāng)IE=0.4 A，f=30 Hz時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度最高，為223.5 MPa，相比無磁場(chǎng)時(shí)抗拉強(qiáng)度提升了44.5%。

由圖5(c)可知，焊縫區(qū)的平均硬度最大，因?yàn)樵诖艌?chǎng)輔助TIG焊時(shí)，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(qiáng)化的作用，所以焊縫區(qū)的硬度值最高。其中，銅母材和銅側(cè)熱影響區(qū)的硬度梯度最大，接頭也多斷裂在銅側(cè)。這是由于銅側(cè)受焊接熱循環(huán)作用明顯，其晶粒相對(duì)粗大，是接頭的薄弱區(qū)。同時(shí)從圖5(c)中發(fā)現(xiàn)添加磁場(chǎng)后熔合區(qū)和焊縫區(qū)的硬度梯度相對(duì)減小，這是因?yàn)榻涣鞔艌?chǎng)改善了熔合區(qū)的溶質(zhì)偏析及接頭各區(qū)域的晶粒粗化現(xiàn)象，使得接頭各區(qū)域組織變得均勻化。

3 結(jié)論

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

(2)銅鋼TIG焊接頭主要分為鋼側(cè)熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫區(qū)和銅側(cè)熱影響區(qū)。添加交流磁場(chǎng)后，鋼側(cè)熱影響區(qū)受電弧擴(kuò)張影響，鐵素體出現(xiàn)細(xì)化且其形態(tài)由大塊轉(zhuǎn)狀變?yōu)獒槧詈蛡?cè)板條狀；焊縫區(qū)受電磁攪拌作用，其組織由胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪顦渲易兊眉?xì)密均勻；銅側(cè)熱影響區(qū)也有明顯的晶粒細(xì)化現(xiàn)象，但接頭各區(qū)域相的種類并無明顯變化。

(3)添加磁場(chǎng)后，接頭熔合區(qū)和焊縫區(qū)的相的種類未發(fā)生變化，均由(α-Fe)+(ε-Cu)組成；熔合區(qū)的溶質(zhì)偏析現(xiàn)象得到改善，其(α-Fe)+(ε-Cu)顆粒由粗大的彌散分布狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的聚集分布狀態(tài)；焊縫區(qū)組織細(xì)化，且其均勻性明顯提高，使得接頭熔合區(qū)與焊縫區(qū)的硬度梯度相對(duì)減小。