鈦在紫銅焊接中的應(yīng)用

鈦在紫銅焊接中的應(yīng)用

0紫銅厚大密封件熱裂紋問(wèn)題研究紫銅具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、適應(yīng)性和耐腐蝕性，是電子、化工、船舶、能源動(dòng)力、交通等行業(yè)高效導(dǎo)電和換熱管道、導(dǎo)線和耐腐蝕件的首選材料。長(zhǎng)期以來(lái)紫銅的焊接主要是氣焊、焊條電弧焊、釬焊、TIG焊、埋弧焊、擴(kuò)散焊等方法。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展,又采用了電子束、激光束等高能熱源進(jìn)行焊接,取得了良好的效果,但受設(shè)備、成本、生產(chǎn)周期等方面的影響而不能得到廣泛的應(yīng)用。目前,在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的是Ar-TIG焊。在TIG焊接中,由于紫銅材料具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和凝固收縮率等熱學(xué)特性,熱裂紋是紫銅厚大結(jié)構(gòu)件焊接中出現(xiàn)的主要焊接缺陷,成為制約紫銅材料應(yīng)用的瓶頸。熱裂紋的成因一般認(rèn)為是電弧焊時(shí)大氣中的O2被電弧電離并以O(shè)2-的形式溶于熔池中,在凝固過(guò)程中在α-Cu晶界上形成了Cu和Cu2O的低熔共晶液膜,液膜在收縮應(yīng)力作用下被拉開(kāi)形成熱裂紋。在工程實(shí)際中,對(duì)于紫銅厚大結(jié)構(gòu)件的Ar-TIG焊一般采取焊前預(yù)熱的方法,一方面可以彌補(bǔ)氬弧熱輸入不足所引起的未熔合問(wèn)題,另一方面可以降低凝固時(shí)的收縮應(yīng)力和應(yīng)變,避免宏觀焊接熱裂紋的出現(xiàn)。但是,由于氧的存在,在焊縫中形成了大量微觀熱裂紋,從而影響了紫銅厚大結(jié)構(gòu)件的使用性能。研究表明,對(duì)于10mm厚紫銅板焊接時(shí),氦弧不預(yù)熱時(shí)的溫度場(chǎng)分布接近氬弧預(yù)熱400℃時(shí)的溫度場(chǎng)分布。說(shuō)明氦弧可以實(shí)現(xiàn)紫銅厚大結(jié)構(gòu)件的不預(yù)熱TIG焊接。針對(duì)紫銅厚大結(jié)構(gòu)件He-TIG焊微觀熱裂紋嚴(yán)重的問(wèn)題,提出了在銅合金焊材基礎(chǔ)上添加脫氧元素Ti來(lái)控制熔池中的氧含量從而達(dá)到抑制微觀熱裂紋的效果,自行研發(fā)了新型焊材Cu-xTi合金焊材。本研究首先采用Cu-xTi合金焊材進(jìn)行厚板剛性拘束熱裂紋實(shí)驗(yàn)對(duì)焊縫金屬的熱裂傾向進(jìn)行測(cè)量。其次對(duì)焊縫組織的微觀形貌進(jìn)行觀察,研究合金元素Ti對(duì)焊縫組織變化規(guī)律及對(duì)熱裂紋的抑制效果的影響。最后對(duì)采用Cu-xTi合金焊材的焊縫金屬的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)。1材料及實(shí)驗(yàn)過(guò)程母材選用牌號(hào)為T(mén)2的紫銅材料,工件尺寸100mm×250mm×10mm。分別采用HS201和研發(fā)的Cu-xTi合金焊材進(jìn)行剛性拘束熱裂紋實(shí)驗(yàn)(GB13817-92)評(píng)價(jià)紫銅厚板的熱裂傾向。剛性拘束熱裂紋實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1所示,HS201和Cu-xTi合金焊材成分如表1所示。分別采用HS201和Cu-xTi合金焊材進(jìn)行了紫銅厚板He-TIG焊焊接實(shí)驗(yàn),工藝條件如下:對(duì)接接頭,30°單V型坡口,焊接電流280A,保護(hù)氣流量10L/min,三層多道焊。經(jīng)切割、打磨、拋光、腐蝕后的焊縫金屬采用光學(xué)顯微鏡(Olympus-PMG3)、掃描電鏡(S-570)及透射電鏡(PhilipsCM12)觀察。采用萬(wàn)用試驗(yàn)機(jī)(Instron-5569)、顯微硬度儀(HXD-1000TM)及擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)量焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度和沖擊韌性。2ti焊渣焊接熱裂紋的微觀組織表2為剛性拘束熱裂紋實(shí)驗(yàn)條件下采用HS201、Cu-2Ti及Cu-4Ti焊材時(shí)焊縫金屬的裂紋率。如圖2所示,采用HS201時(shí)焊縫表面和斷面的裂紋長(zhǎng)度超過(guò)了焊縫長(zhǎng)度的一半。表面熱裂紋從弧坑中起裂,逆著焊接方向沿焊縫中心擴(kuò)展,斷面上微觀熱裂紋沿α-Cu晶界開(kāi)裂紋。說(shuō)明在不預(yù)熱He-TIG焊工藝條件下,雖然可以實(shí)現(xiàn)紫銅厚板焊縫成形,但卻存在著較嚴(yán)重的焊接熱裂紋。當(dāng)在焊材中添加Ti后即采用Cu-2Ti焊材時(shí),焊縫表面和斷面均無(wú)熱裂紋出現(xiàn),當(dāng)焊材中的Ti含量提高時(shí)即采用Cu-4Ti焊材時(shí)焊縫斷面上出現(xiàn)了6.5%的微觀熱裂紋,如圖3所示,α-Cu晶界及亞晶界上存在金屬間化合物,裂紋沿著α-Cu晶界擴(kuò)展。在He-TIG焊時(shí),空氣中的O2會(huì)混入電弧中并被電弧電離,以O(shè)2-的形式溶解進(jìn)入熔池,另外由于在電弧加熱作用下近縫區(qū)的母材表面被氧化,隨著溫度升高母材表面的氧化層被熔化以O(shè)2-進(jìn)入熔池。當(dāng)熔池中有合金元素Ti時(shí),由于高溫作用T原子易失去外層電子形成Ti4+,Ti4+與游離在熔池中的O2-結(jié)合生成TiO2,TiO2具有熔點(diǎn)高、密度小的特點(diǎn),在熔池中不斷上浮,最后存留在焊縫表面以焊渣的形式存在。圖4a為采用Cu-2Ti合金焊材焊接時(shí)焊縫表面,表面有灰色焊渣,對(duì)焊渣微觀組織進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),焊渣內(nèi)存在條狀組織(圖4b)。對(duì)焊渣進(jìn)行XRD分析可知,焊渣中主要成分是TiO2及銅的氧化物(見(jiàn)圖4c)。結(jié)果說(shuō)明,在焊材中添加合金元素Ti后可以有效抑制由于熔池氧化而形成的焊接熱裂紋。采用Cu-2Ti合金焊材對(duì)10mm厚紫銅板進(jìn)行He-TIG焊時(shí)焊縫的微觀形貌如圖5所示。從圖5a可知,焊縫組織主要以塊狀α-Cu為主,形貌接近于HS201焊縫組織,唯一不同的是在α-Cu晶粒內(nèi)部存在著點(diǎn)狀分布的組織(見(jiàn)圖5b),通過(guò)透射電鏡和衍射花樣分析可知點(diǎn)狀組織為金屬間化合物β-TiCu4。出現(xiàn)β-TiCu4的原因是在焊縫凝固過(guò)程中,合金元素Ti首先固溶于α-Cu中,由于冷卻速度快,Ti在α-Cu中的最大固溶度為2.55%,其余的Ti元素偏聚在α-Cu枝晶間,形成顯微偏析。當(dāng)偏聚的Ti元素達(dá)到一定濃度時(shí),冷卻到885℃將發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變(式1)生成β-TiCu4,依附于先結(jié)晶α-Cu生長(zhǎng)。雖然包晶反應(yīng)在低于紫銅熔點(diǎn)溫度發(fā)生,但是由于富鈦液相少,凝固前沒(méi)有形成連續(xù)分布低熔液態(tài)薄膜,凝固后生成的β-TiCu4以點(diǎn)狀彌散分布在α-Cu枝晶間,沒(méi)有造成開(kāi)裂的裂紋源,因此采用Cu-2Ti合金焊材焊接紫銅時(shí)沒(méi)有形成熱裂紋。采用Cu-4Ti合金焊材進(jìn)行焊接時(shí)焊縫中出現(xiàn)了微觀熱裂紋。圖6a是Cu-4Ti焊縫金屬的微觀組織形貌,可以看出除了α-Cu外焊縫中還存在著連續(xù)的網(wǎng)狀分布的金屬間化合物,經(jīng)過(guò)投射電鏡和衍射花樣分析可以判斷焊縫中存在著TiCu2和β-TiCu4兩種金屬間化合物(圖6c、6d)。Cu-4Ti焊縫金屬的結(jié)晶過(guò)程與Cu-2Ti焊縫金屬的有所不同。在凝固過(guò)程中,熔池中Ti元素含量較高,除了固溶到α-Cu中的Ti以外,大量的Ti元素偏聚在α-Cu的枝晶間。凝固進(jìn)行到約875℃時(shí),發(fā)生了共晶反應(yīng)(見(jiàn)式2),由于Ti含量較高,共晶液相較多,形成了連續(xù)的網(wǎng)狀分布的TiCu2和β-TiCu4共晶組織。凝固時(shí)連續(xù)分布的TiCu2+(β-TiCu4)低熔共晶液相形成了熱裂紋的裂紋源,在收縮應(yīng)力和應(yīng)變的作用下,TiCu2+(β-TiCu4)低熔共晶液相被拉開(kāi)形成了不同于采用HS201焊接時(shí)的熱裂紋。圖7為采用不同焊材時(shí)焊縫金屬和接頭的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果。可以看出,使用HS201時(shí)由于焊縫中存在微觀熱裂紋使得焊縫金屬的強(qiáng)度較低,當(dāng)使用Cu-2Ti合金焊材時(shí),抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于母材;當(dāng)使用Cu-4Ti合金焊材焊接時(shí),微觀熱裂紋的存在使得抗拉強(qiáng)度下降至100MPa。從接頭的硬度分布可以看出,當(dāng)使用Cu-2Ti合金焊材時(shí),焊縫中心硬度最高位90HV,略高于HS201焊縫;使用Cu-2Ti合金焊材時(shí)焊縫硬度有大幅度提高,升至153HV;使用Cu-xTi合金與HS201相比強(qiáng)度和硬度高主要與焊縫金屬中Ti的分布有關(guān)。合金元素Ti通過(guò)以下兩種方式對(duì)焊縫金屬進(jìn)行強(qiáng)化,一是固溶強(qiáng)化,使用Cu-2Ti合金焊材時(shí)凝固到室溫時(shí)α-Cu中固溶了2.55%的Ti,Ti的固溶引起了α-Cu的晶格畸變從而達(dá)到強(qiáng)化效果。二是第二相強(qiáng)化,凝固時(shí)焊縫中生成了第二相質(zhì)子TiCu2和β-TiCu4,強(qiáng)度和硬度均高于基體。從圖7中還可以看出,當(dāng)采用Cu-2Ti合金焊材時(shí)焊縫金屬的沖擊韌性和接頭的彎曲塑性均接近于母材;采用Cu-4Ti合金焊材沖擊韌性和彎曲塑性均有大幅度下降。綜上,當(dāng)采用Cu-2Ti合金焊材時(shí),硬度和強(qiáng)度有所提高,沖擊韌性和彎曲塑性與母材相比下降很少。由于Ti的添加,焊縫在提高強(qiáng)度和硬度的同時(shí),仍具有良好塑性和沖擊韌性,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。3焊縫成形的影響因