分享：无氧铜电子束焊接接头的显微组织及力学性能

丁 寻,李晋炜,陆业航

(中国航空制造技术研究院,北京 １０００２４)

摘 要:以４０mm 厚的无氧铜板材作为研究对象,选取适当的工艺参数进行电子束焊接,对母材和焊接接头的显微组织及力学性能进行了对比分析.结果表明:无氧铜板经电子束焊接后,焊接接头无明显表面缺陷,焊缝区域狭窄呈钉形,显微组织为铸态等轴晶粒,焊接接头性能良好,其硬度、抗拉强度及塑性均与母材的相当.

关键词:无氧铜;电子束焊接;显微组织;力学性能

中图分类号:TG４５６．３ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０１６２Ｇ０４

    无氧铜(OFC)作为一种高纯度铜材料,有着极好的导热、导电性和良好的耐蚀、加工、焊接性.基于铜在各个领域中的广泛应用,其焊接性能越来越受到关注[１].铜在焊接过程中主要会出现以下几种问题:焊缝难熔合,成形差;容易发生焊接变形,热裂倾向大;热输入量大导致晶粒粗大,焊接接头性能下降[２].电子束焊接热效率高、能量集中、热输入量小,使得焊缝金属冷却快,能有效避免晶粒粗大[３].近年来,有学者针对铜及铜合金与异种金属的焊接性能进行了一些研究,主要焊接方式有搅拌摩擦焊、激光焊、氩弧焊、钎焊等,而关于无氧铜电子束焊接的研究较少[４Ｇ７].为此,笔者选取了合理的电子束焊接工艺,研究了大厚度无氧铜板材焊接接头的显微组织和力学性能,为铜及铜合金的电子束焊接应用提供参考依据.

１ 试样制备与试验方法

    试验材料选取牌号为 TU１的国产退火态无氧铜板,厚度 ４０ mm,其化学成分 (质 量 分 数％)为:９９．９７Cu＋Ag,０．００２P,０．００４Fe,０．００３Pb,０．００３Zn,０．００２O,０．００４S.

    将无氧铜板进行机械打磨及表面化学清洗处理后,用无水乙醇擦洗试样表面并进行电子束焊接试验.焊接设备为高压真空电子束焊机 ZD１５０Ｇ１５A,真空室体积８５ m３,电子枪加速电压１５０kV,额定功率６０kW.根据焊接工艺优化试验结果选取焊接参数,最终确定采用临界穿透焊的工艺方式,焊接参数为加速电压１５０kV,焊接电流１６５mA,焊接速率５mm??s－１.将焊 接 接 头 抛 光、侵 蚀 后 制 成 金 相 试 样,在LeicaDM６０００M 光学显微镜下对接头不同区域的显微组织进行观察分析.通过 DMHＧ２ 显微硬度计,对比焊接接头上、中、下部分的显微硬度.在母材和焊接接头处截取棒状拉伸试样,标距部分尺寸为?６mm×３０mm.根据 GB/T２２８．１－２０１０«金属材料 拉伸试验 第１部分:室温试验方法»在日本岛津AGＧ１００kNG电子万能试验机上进行室温拉伸试验,并用ZeissSupra５５扫描电镜观察拉伸断口形貌.

２ 试验结果与讨论

２．１ 显微组织

    图１为无氧铜焊接接头的低倍组织形貌,可见无氧铜厚板焊接接头横截面表面形貌良好,无明显缺陷.焊缝为深宽比很大的钉形焊缝,最大宽度约为１mm.钉形窄焊缝的形成是由于电子束焊接能量密度极高,热输入量小,且铜的导热性很好,从而限制了焊接接头晶粒的长大.焊缝与母材组织分界明显,而焊缝两侧热影响区很窄与母材分界不明显。

    无氧铜焊接接头母材、热影响区和焊缝的显微组织形貌分别如图２a),b),c)所示.无氧铜中铜含量为９９．９７％(质量分数),母材为单相αＧCu组织,由于铜的层错能较低,导致晶内生成大量退火孪晶.焊缝熔池在凝固过程中形成了大量等轴晶粒,这与晶粒生长速率和温度梯度是密切相关的[８].电子束流扫过试样表面时,金属基体急速原位熔化和冷却,焊缝和热影响区的冷却方式以母材的金属热传导为主.相对于钛合金等金属,由于铜的导热性非常好,固Ｇ液相界面温度梯度较小,因此焊缝形成大量等轴晶粒.而热影响区受焊接热影响,越靠近母材,过冷度和冷却速率越小,导致晶粒粗化长大.由于铜没有同素异构体,并且无氧铜的杂质含量极少,所以焊缝与母材的显微组织同为αＧCu相.图３a),b),c)分别为图１中焊缝上、中、下３部分的显微组织形貌.可见随着与焊缝上表面距离的增大,焊缝等轴晶晶粒尺寸逐渐减小.这是因为随着距离的增大,材料吸收的能量越少,冷却速率越大,晶粒来不及长大,因此晶粒尺寸减小。

图２　焊接接头各区域的显微组织形貌

Fig.２　Microstructuremorphologyofeachzoneoftheweldingjoints

a basematerial b heataffectedzone c weldseam

图３　接头不同部位焊缝显微组织形貌

Fig.３　Microstructuremorphologyofdifferentpartoftheweldseam

a upperpart b middlepart c lowerpar

２．２　显微硬度

    图４为电子束焊接接头上、中、下部的显微硬度测试结果,试验载荷为２５g,保载时间为１０s.可见３个位置的硬度均在５０~６０HV０．０２５.对于同一位置的焊接接头来说,硬度在焊缝、热影响区和母材处没有明显区别;对于上、中、下３个位置的接头来说,组织晶粒尺寸不同没有给材料的显微硬度带来明显差异,即上、中、下３个位置抵抗局部变形能力相同.无氧铜纯度很高,焊接过程中,熔池内外几乎没有成分差异,凝固时不发生相变,因此焊缝内外的晶体结构相同.虽然焊缝上、下部位显微组织的晶粒尺寸相差较大,但测得材料的显微硬度没有太大变化。

２．３　拉伸性能

    表１为无氧铜母材与电子束焊接接头室温光滑试样拉伸试验结果,拉伸速率为１ mm??min－１.可见电子束焊接接头的抗拉强度稍低于母材的,约为母材的９７％,屈服强度则与母材的相当.对比母材与接头的断后伸长率和断面收缩率,可知接头的断后伸长率相比于母材的稍有下降,而断面收缩率几乎一致,说明焊接接头塑性无明显降低,在使用要求范围内.通过进一步金相检验,观察到焊接接头试样拉伸断裂位置在母材和焊缝处均有出现,说明焊缝与母材的强度相当.图５所示为焊接接头分别断于母材与焊缝的断口纵截面显微组织形貌.可见母材断裂前,晶粒被拉长呈纤维状,晶内出现大量裂纹;焊缝断裂前,断口处部分等轴晶粒没有较大变形,说明等轴晶粒的塑性变形能力不如母材的,这也解释了焊接接头平均断后伸长率相比母材的稍有下降的原因。

图５ 拉伸断口纵截面显微组织形貌

Fig.５ Microstructuremorphologyoflongitudinal

sectionofthetensilefracturesurface

a fractureinbasematerial b fractureinweldseam

    图６为母材和焊接接头拉伸断口扫描电镜微观形貌,可见无氧铜母材与焊接接头光滑试样的拉伸断裂均为韧性断裂,并发生明显颈缩,断口外形呈杯锥状,锥面与主应力成４５°.母材断口表面较为平整,大量等轴韧窝在表面均匀分布.断口侧面出现大量蛇行滑动花样,这是拉伸开动时多个滑移系交互作用的结果[９].焊缝断口表面较为凹凸不平,韧窝分布不均匀,局部有剪切形成的拉长韧窝。

图６　拉伸断口SEM 形貌

Fig.６　SEM morphologyofthetensilefracturesurface

a basematerial ３０× b basematerial １０００×

c weldseam ２２× d weldseam １０００×