銅/鋼電子束自熔焊與間隙填絲焊焊縫成形研究

王祥旺， 趙 健*， 石銘霄， 張家葳， 王朋飛， 柳洪文

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院， 上海 201620；2.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 3.三一重機(jī)有限公司， 江蘇 昆山 215000)

銅/鋼異種金屬焊接件兼顧了兩種材料在力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，在工業(yè)領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用[1]。因銅和鋼兩種金屬的理化性能差異頗大，普通的焊接方法較難獲得理想的焊接接頭，而電子束焊具有高能量、高密度并且易實(shí)現(xiàn)自動化控制等技術(shù)優(yōu)勢，尤其適合物理化學(xué)性能差異較大的異種材料焊接[2-5]，所以廣泛應(yīng)用于銅/鋼異種金屬焊接場合。

盡管電子束焊技術(shù)的電子束擁有高能量、高密度和焊接熱輸入小等優(yōu)異性能[6]，但其光斑尺寸小，對焊接接頭的間隙敏感性較高。焊接長焊縫時，電子束自熔焊對焊件的裝夾過程要求嚴(yán)苛，且易造成焊縫表面下塌及背面焊瘤等缺陷，嚴(yán)重影響焊縫成形質(zhì)量。采用預(yù)留間隙并通過額外添加焊絲進(jìn)入熔池進(jìn)行動態(tài)的合金化過程，即電子束間隙填絲焊，既能降低焊接接頭的間隙敏感性，又能減少焊縫成形缺陷，保證焊縫良好性能的同時優(yōu)化焊接接頭的成形質(zhì)量[7]。

目前在銅/鋼焊接領(lǐng)域已開展了大量的研究工作[8-13]，但尚無關(guān)于留有間隙的銅/鋼對接頭電子束填絲焊的相關(guān)報(bào)道，其中相關(guān)工藝機(jī)理有待解明。課題組以紫銅焊絲作為填充材料，以銅/鋼電子束自熔焊和電子束間隙填絲焊對焊縫成形的影響展開研究，同時對焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了表征。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以QCr0.8和304不銹鋼作為母材(50 mm×25 mm×2.7 mm)，紫銅焊絲的直徑為1.2 mm。相關(guān)材料的化學(xué)成分如表1～3所示。試驗(yàn)前對接頭表面進(jìn)行打磨拋光以消除其表面的氧化膜，之后用乙醇清洗，最后再烘干。

表1 304不銹鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 304 stainless steel %

表2 QCr0.8鉻青銅化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of QCr0.8 copper alloy %

表3 紫銅焊絲化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of copper filler wire %

將母材以對接接頭形式固定于夾具上，并利用塞尺調(diào)整間隙尺寸，對不同間隙銅/鋼對接接頭進(jìn)行電子束填絲焊接。本試驗(yàn)采HIT-951型電子束焊機(jī)，其光斑直徑為0.4 mm，最大功率15 kW，試驗(yàn)真空度為2.5×10-2Pa。以焊絲熔化和過渡最穩(wěn)定的液橋過渡方式進(jìn)行焊接。

試驗(yàn)過后對接頭進(jìn)行切割、打磨，并對焊縫截面進(jìn)行金相腐蝕，之后用顯微鏡(OLYMPUS SZX12)觀察接頭的形貌特征，同時測量接頭的下塌量。最后，用加載速度為3 mm/min的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(Instron 5500R)對焊接接頭的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 銅/鋼電子束自熔焊研究

圖1為銅/鋼電子束自熔焊焊縫截面成形形貌，可以看出焊縫成形較差，焊縫上表面下塌陷量約為0.6 mm，背面有部分焊漏。在電子束自熔焊焊接過程中，高能的束流致使合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，沒有材料及時補(bǔ)充的情況下，熔化的液態(tài)金屬在重力的作用下形成了下塌。

圖1 銅/鋼電子束自熔焊焊縫截面形貌Figure 1 Section morphology of copper/steel electron beam self-fusion welding weld

2.2 銅/鋼電子束間隙填絲焊研究

表4給出了銅/鋼電子束間隙填絲焊工藝參數(shù)。

表4 焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding parameters

圖2為銅/鋼電子束間隙填絲焊焊縫截面成形形貌，圖3為不同間隙值對焊縫下塌量影響的折線圖。

圖2 不同間隙值下的銅/鋼焊縫形貌Figure 2 Weld appearance of copper/steel joints at different gap values

圖3 不同間隙值對焊縫下塌量的影響Figure 3 Influence of different gap values on weld collapse

結(jié)合表4，通過圖2與圖3可以看出：當(dāng)間隙值為0.2 mm時(圖2(a)所示)，此時的間隙值小于電子束光斑直徑(0.4 mm)，焊絲與母材在高能束流的作用下同時熔化形成了焊縫；由于母材的熔化，導(dǎo)致焊縫表面下塌量較大(約為0.5 mm)，但相比于圖1電子束自熔焊的焊縫表面下塌量(0.6 mm)，焊縫表面下塌量得到了一定程度的改善。當(dāng)間隙值增加到0.4 mm時(圖2(b)所示)，間隙空間增大，為了改善焊縫表面下塌量，適當(dāng)?shù)卦黾恿怂徒z速度(如表4中組別2所示)，其獲得了與間隙值0.2 mm相似的截面形貌。當(dāng)間隙值大于電子束光斑直徑時，如圖2(c)～圖2(h)所示，焊接過程中電子束熔化填充焊絲，熔融的液態(tài)焊絲通過熱傳導(dǎo)的方式熔化了部分母材，從而形成焊縫；這種條件下母材熔化量很小，間隙空間幾乎完全由熔化的液態(tài)焊絲金屬填充，通過匹配合理的焊接工藝，焊縫下塌缺陷能夠得到明顯改善。值得注意的是，圖3中間隙值為0.8 mm和1.4 mm所對應(yīng)的焊縫下塌量增大，是由于電子束間隙填絲焊是一個多因素多變量的復(fù)雜的熱物理過程，其中的工藝參數(shù)匹配不當(dāng)所導(dǎo)致的。

在較為合適的工藝情況下，銅/鋼異種金屬電子束間隙填絲焊可以起到明顯地改善焊縫成形的作用，如圖2(f)所示。此時焊縫下塌量(0.1 mm)已基本得到消除，同時，在電子束快熱快冷的特點(diǎn)下，背部焊漏缺陷也得到了消除。由此可知，電子束間隙填絲焊補(bǔ)充了焊縫中燒損的合金元素，相比于電子束自熔焊，有效地改善了焊縫表面下塌缺陷，最終獲得成形質(zhì)量良好的焊接接頭。

2.3 力學(xué)性能分析

圖4為不同間隙值對接頭抗拉強(qiáng)度影響折線圖。圖中可以看出不同間隙值對應(yīng)的焊接接頭抗拉強(qiáng)度數(shù)值出現(xiàn)了震蕩，而大部分間隙填絲接頭的抗拉強(qiáng)度與電子束自熔焊接頭強(qiáng)度相差不大，這主要是由于電子束焊接工藝與間隙值的匹配關(guān)聯(lián)度不夠致使焊縫有效承載面積下降，導(dǎo)致的接頭強(qiáng)度出現(xiàn)了變化，后續(xù)將繼續(xù)優(yōu)化焊接工藝過程控制。值得注意的是，間隙值為1.2 mm所對應(yīng)的焊接接頭無論在成形質(zhì)量，還是抗拉強(qiáng)度方面都優(yōu)于電子束自熔焊接頭?？梢?，電子束間隙填絲焊可以通過改善焊縫成形質(zhì)量，進(jìn)而提升接頭抗拉強(qiáng)度。本試驗(yàn)范圍內(nèi)，最高抗拉強(qiáng)度為240 MPa，其對應(yīng)的焊接工藝參數(shù)為：間隙值1.2 mm，束流35 mA，焊接速度200 mm/min，送絲速度1 200 mm/min。

圖4 間隙值對接頭抗拉強(qiáng)度的影響折線圖Figure 4 Influence of gap on tensile strength of joints

圖5為間隙值為1.2 mm的焊接接頭的斷口形貌特征，是本試驗(yàn)中最高抗拉強(qiáng)度的接頭，其斷裂位置在銅的熱影響區(qū)，從中可以看出許多大小形狀相似的韌窩，屬于韌性斷裂。由于銅的導(dǎo)熱性優(yōu)于鋼，焊接過程中大量的熱量流經(jīng)銅側(cè)，使得銅側(cè)晶粒長大，影響了抗拉強(qiáng)度。

圖5 接頭宏觀斷口形貌Figure 5 Macro morphology of joint fracture surface

3 結(jié)論

課題組分別以QCr0.8和304不銹鋼為母材，紫銅焊絲作為填充材料，進(jìn)行了電子束自熔焊和間隙填絲焊兩種焊接試驗(yàn)，通過對比研究可知：

1) 電子束自熔焊焊縫成形較差，焊縫上表面出現(xiàn)明顯的下塌缺陷。電子束間隙填絲焊可大幅提升間隙容錯能力，改善焊縫成形質(zhì)量，攻克了裝配間隙大于電子束光斑便不能焊接的技術(shù)難題，為大尺寸結(jié)構(gòu)件的電子束焊接提供了新思路。

2) 銅/鋼異種金屬電子束間隙填絲焊可以通過改善焊縫成形質(zhì)量，進(jìn)而提升接頭抗拉強(qiáng)度(間隙值1.2 mm焊接接頭)，獲得優(yōu)質(zhì)接頭。具備一次實(shí)現(xiàn)間隙為0.0～1.6 mm、厚度為2 mm的無墊板結(jié)構(gòu)件的焊接能力。

3) 本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，可得最優(yōu)焊接工藝為：束流35 mA，間隙值1.2 mm，送絲速度1 200 mm/min，焊接速度200 mm/min。對應(yīng)接頭抗拉強(qiáng)度約為240 MPa，斷裂發(fā)生在銅側(cè)的熱影響區(qū)，為韌性斷裂。