分享：無氧銅電子束焊接接頭的顯微組織及力學(xué)性能

丁 尋,李晉煒,陸業(yè)航

(中國航空制造技術(shù)研究院,北京 １０００２４)

摘 要:以４０mm 厚的無氧銅板材作為研究對(duì)象,選取適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)進(jìn)行電子束焊接,對(duì)母材和焊接接頭的顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明:無氧銅板經(jīng)電子束焊接后,焊接接頭無明顯表面缺陷,焊縫區(qū)域狹窄呈釘形,顯微組織為鑄態(tài)等軸晶粒,焊接接頭性能良好,其硬度、抗拉強(qiáng)度及塑性均與母材的相當(dāng).

關(guān)鍵詞:無氧銅;電子束焊接;顯微組織;力學(xué)性能

中圖分類號(hào):TG４５６．３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０１６２Ｇ０４

MicrostructureandMechanicalPropertiesofOxygenFreeCopperElectronBeamWeldingJoints

DINGXun,LIJinwei,LUYehang

(AVIC ManufacturingTechnologyInstitute,Beijing１０００２４,China)

Abstract:The４０ mm thick OFC platesastheresearchobject weldedbyelectronbeam welding with

appropriateprocessparameters．Microstructureand mechanicalpropertiesofOFC weldingjointswerecompared

withbasematerial．Theresultsshowthattheweldingjointhasnoapparentsurfacedefects,theweldzonenailedand

themicrostructureascastequiaxedcrystalgrainaftertheelectronbeamweldingofOFC．Theweldingjointhasgood

performance,anditshardness,tensilestrengthandplasticitywereequaltothatofthebasematerial．

Keywords:oxygenＧfreecopper;electronbeam welding;microstructure;mechanicalproperty

    無氧銅(OFC)作為一種高純度銅材料,有著極好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性和良好的耐蝕、加工、焊接性.基于銅在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用,其焊接性能越來越受到關(guān)注[１].銅在焊接過程中主要會(huì)出現(xiàn)以下幾種問題:焊縫難熔合,成形差;容易發(fā)生焊接變形,熱裂傾向大;熱輸入量大導(dǎo)致晶粒粗大,焊接接頭性能下降[２].電子束焊接熱效率高、能量集中、熱輸入量小,使得焊縫金屬冷卻快,能有效避免晶粒粗大[３].近年來,有學(xué)者針對(duì)銅及銅合金與異種金屬的焊接性能進(jìn)行了一些研究,主要焊接方式有攪拌摩擦焊、激光焊、氬弧焊、釬焊等,而關(guān)于無氧銅電子束焊接的研究較少[４Ｇ７].為此,筆者選取了合理的電子束焊接工藝,研究了大厚度無氧銅板材焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能,為銅及銅合金的電子束焊接應(yīng)用提供參考依據(jù).

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

    試驗(yàn)材料選取牌號(hào)為 TU１的國產(chǎn)退火態(tài)無氧銅板,厚度 ４０ mm,其化學(xué)成分 (質(zhì) 量 分 數(shù)％)為:９９．９７Cu＋Ag,０．００２P,０．００４Fe,０．００３Pb,０．００３Zn,０．００２O,０．００４S.

    將無氧銅板進(jìn)行機(jī)械打磨及表面化學(xué)清洗處理后,用無水乙醇擦洗試樣表面并進(jìn)行電子束焊接試驗(yàn).焊接設(shè)備為高壓真空電子束焊機(jī) ZD１５０Ｇ１５A(chǔ),真空室體積８５ m３,電子槍加速電壓１５０kV,額定功率６０kW.根據(jù)焊接工藝優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果選取焊接參數(shù),最終確定采用臨界穿透焊的工藝方式,焊接參數(shù)為加速電壓１５０kV,焊接電流１６５mA,焊接速率５mm??s－１.將焊 接 接 頭 拋 光、侵 蝕 后 制 成 金 相 試 樣,在LeicaDM６０００M 光學(xué)顯微鏡下對(duì)接頭不同區(qū)域的顯微組織進(jìn)行觀察分析.通過 DMHＧ２ 顯微硬度計(jì),對(duì)比焊接接頭上、中、下部分的顯微硬度.在母材和焊接接頭處截取棒狀拉伸試樣,標(biāo)距部分尺寸為?６mm×３０mm.根據(jù) GB/T２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第１部分:室溫試驗(yàn)方法»在日本島津AGＧ１００kNG電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),并用ZeissSupra５５掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 顯微組織

    圖１為無氧銅焊接接頭的低倍組織形貌,可見無氧銅厚板焊接接頭橫截面表面形貌良好,無明顯缺陷.焊縫為深寬比很大的釘形焊縫,最大寬度約為１mm.釘形窄焊縫的形成是由于電子束焊接能量密度極高,熱輸入量小,且銅的導(dǎo)熱性很好,從而限制了焊接接頭晶粒的長大.焊縫與母材組織分界明顯,而焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)很窄與母材分界不明顯。

    無氧銅焊接接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫的顯微組織形貌分別如圖２a),b),c)所示.無氧銅中銅含量為９９．９７％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),母材為單相αＧCu組織,由于銅的層錯(cuò)能較低,導(dǎo)致晶內(nèi)生成大量退火孿晶.焊縫熔池在凝固過程中形成了大量等軸晶粒,這與晶粒生長速率和溫度梯度是密切相關(guān)的[８].電子束流掃過試樣表面時(shí),金屬基體急速原位熔化和冷卻,焊縫和熱影響區(qū)的冷卻方式以母材的金屬熱傳導(dǎo)為主.相對(duì)于鈦合金等金屬,由于銅的導(dǎo)熱性非常好,固Ｇ液相界面溫度梯度較小,因此焊縫形成大量等軸晶粒.而熱影響區(qū)受焊接熱影響,越靠近母材,過冷度和冷卻速率越小,導(dǎo)致晶粒粗化長大.由于銅沒有同素異構(gòu)體,并且無氧銅的雜質(zhì)含量極少,所以焊縫與母材的顯微組織同為αＧCu相.圖３a),b),c)分別為圖１中焊縫上、中、下３部分的顯微組織形貌.可見隨著與焊縫上表面距離的增大,焊縫等軸晶晶粒尺寸逐漸減小.這是因?yàn)殡S著距離的增大,材料吸收的能量越少,冷卻速率越大,晶粒來不及長大,因此晶粒尺寸減小。

圖２　焊接接頭各區(qū)域的顯微組織形貌

Fig.２　Microstructuremorphologyofeachzoneoftheweldingjoints

a basematerial b heataffectedzone c weldseam

圖３　接頭不同部位焊縫顯微組織形貌

Fig.３　Microstructuremorphologyofdifferentpartoftheweldseam

a upperpart b middlepart c lowerpar

２．２　顯微硬度

    圖４為電子束焊接接頭上、中、下部的顯微硬度測(cè)試結(jié)果,試驗(yàn)載荷為２５g,保載時(shí)間為１０s.可見３個(gè)位置的硬度均在５０~６０HV０．０２５.對(duì)于同一位置的焊接接頭來說,硬度在焊縫、熱影響區(qū)和母材處沒有明顯區(qū)別;對(duì)于上、中、下３個(gè)位置的接頭來說,組織晶粒尺寸不同沒有給材料的顯微硬度帶來明顯差異,即上、中、下３個(gè)位置抵抗局部變形能力相同.無氧銅純度很高,焊接過程中,熔池內(nèi)外幾乎沒有成分差異,凝固時(shí)不發(fā)生相變,因此焊縫內(nèi)外的晶體結(jié)構(gòu)相同.雖然焊縫上、下部位顯微組織的晶粒尺寸相差較大,但測(cè)得材料的顯微硬度沒有太大變化。

２．３　拉伸性能

    表１為無氧銅母材與電子束焊接接頭室溫光滑試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果,拉伸速率為１ mm??min－１.可見電子束焊接接頭的抗拉強(qiáng)度稍低于母材的,約為母材的９７％,屈服強(qiáng)度則與母材的相當(dāng).對(duì)比母材與接頭的斷后伸長率和斷面收縮率,可知接頭的斷后伸長率相比于母材的稍有下降,而斷面收縮率幾乎一致,說明焊接接頭塑性無明顯降低,在使用要求范圍內(nèi).通過進(jìn)一步金相檢驗(yàn),觀察到焊接接頭試樣拉伸斷裂位置在母材和焊縫處均有出現(xiàn),說明焊縫與母材的強(qiáng)度相當(dāng).圖５所示為焊接接頭分別斷于母材與焊縫的斷口縱截面顯微組織形貌.可見母材斷裂前,晶粒被拉長呈纖維狀,晶內(nèi)出現(xiàn)大量裂紋;焊縫斷裂前,斷口處部分等軸晶粒沒有較大變形,說明等軸晶粒的塑性變形能力不如母材的,這也解釋了焊接接頭平均斷后伸長率相比母材的稍有下降的原因。

圖５ 拉伸斷口縱截面顯微組織形貌

Fig.５ Microstructuremorphologyoflongitudinal

sectionofthetensilefracturesurface

a fractureinbasematerial b fractureinweldseam

    圖６為母材和焊接接頭拉伸斷口掃描電鏡微觀形貌,可見無氧銅母材與焊接接頭光滑試樣的拉伸斷裂均為韌性斷裂,并發(fā)生明顯頸縮,斷口外形呈杯錐狀,錐面與主應(yīng)力成４５°.母材斷口表面較為平整,大量等軸韌窩在表面均勻分布.斷口側(cè)面出現(xiàn)大量蛇行滑動(dòng)花樣,這是拉伸開動(dòng)時(shí)多個(gè)滑移系交互作用的結(jié)果[９].焊縫斷口表面較為凹凸不平,韌窩分布不均勻,局部有剪切形成的拉長韌窩。

圖６　拉伸斷口SEM 形貌

Fig.６　SEM morphologyofthetensilefracturesurface

a basematerial ３０× b basematerial １０００×

c weldseam ２２× d weldseam １０００×