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。長期以來紫銅的焊接主要是氣焊、焊條電弧焊、釬焊、TIG焊、埋弧焊、擴散焊等方法。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)力作用下被拉開形成熱裂紋。在工程實際中,對于紫銅厚大結(jié)構(gòu)件的Ar-TIG焊一般采取焊前預(yù)熱的方法,一方面可以彌補氬弧熱輸入不足所引起的未熔合問題,另一方面可以降低凝固時的收縮應(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,對于10mm厚紫銅板焊接時,氦弧不預(yù)熱時的溫度場分布接近氬弧預(yù)熱400℃時的溫度場分布。說明氦弧可以實現(xiàn)紫銅厚大結(jié)構(gòu)件的不預(yù)熱TIG焊接。針對紫銅厚大結(jié)構(gòu)件He-TIG焊微觀熱裂紋嚴(yán)重的問題,提出了在銅合金焊材基礎(chǔ)上添加脫氧元素Ti來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驗對焊縫金屬的熱裂傾向進(jìn)行測量。其次對焊縫組織的微觀形貌進(jìn)行觀察,研究合金元素Ti對焊縫組織變化規(guī)律及對熱裂紋的抑制效果的影響。最后對采用Cu-xTi合金焊材的焊縫金屬的力學(xué)性能進(jìn)行測量和評價。1材料及實驗過程母材選用牌號為T2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驗(GB13817-92)評價紫銅厚板的熱裂傾向。剛性拘束熱裂紋實驗過程如圖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焊焊接實驗,工藝條件如下:對接接頭,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。采用萬用試驗機(Instron-5569)、顯微硬度儀(HXD-1000TM)及擺錘沖擊試驗機測量焊縫金屬的強度、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驗條件下采用HS201、Cu-2Ti及Cu-4Ti焊材時焊縫金屬的裂紋率。如圖2所示,采用HS201時焊縫表面和斷面的裂紋長度超過了焊縫長度的一半。表面熱裂紋從弧坑中起裂,逆著焊接方向沿焊縫中心擴展,斷面上微觀熱裂紋沿α-Cu晶界開裂紋。說明在不預(yù)熱He-TIG焊工藝條件下,雖然可以實現(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,焊縫表面和斷面均無熱裂紋出現(xiàn),當(dāng)焊材中的Ti含量提高時即采用Cu-4Ti焊材時焊縫斷面上出現(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晶界擴展。在He-TIG焊時,空氣中的O2會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,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具有熔點高、密度小的特點,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合金焊材焊接時焊縫表面,表面有灰色焊渣,對焊渣微觀組織進(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(見圖4c)。結(jié)果說明,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10mm厚紫銅板進(jìn)行He-TIG焊時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)部存在著點狀分布的組織(見圖5b),通過透射電鏡和衍射花樣分析可知點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,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。雖然包晶反應(yīng)在低于紫銅熔點溫度發(fā)生,但是由于富鈦液相少,凝固前沒有形成連續(xù)分布低熔液態(tài)薄膜,凝固后生成的β-TiCu4以點狀彌散分布在α-Cu枝晶間,沒有造成開裂的裂紋源,因此采用Cu-2Ti合金焊材焊接紫銅時沒有形成熱裂紋。采用Cu-4Ti合金焊材進(jìn)行焊接時焊縫中出現(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)晶過程與Cu-2Ti焊縫金屬的有所不同。在凝固過程中,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,發(fā)生了共晶反應(yīng)(見式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形成了不同于采用HS201焊接時的熱裂紋。圖7為采用不同焊材時焊縫金屬和接頭的力學(xué)性能檢測結(jié)果。可以看出,使用HS201時由于焊縫中存在微觀熱裂紋使得焊縫金屬的強度較低,當(dāng)使用Cu-2Ti合金焊材時,抗拉強度和屈服強度均高于母材;當(dāng)使用Cu-4Ti合金焊材焊接時,微觀熱裂紋的存在使得抗拉強度下降至100MPa。從接頭的硬度分布可以看出,當(dāng)使用Cu-2Ti合金焊材時,焊縫中心硬度最高位90HV,略高于HS201焊縫;使用Cu-2Ti合金焊材時焊縫硬度有大幅度提高,升至153HV;使用Cu-xTi合金與HS201相比強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通過以下兩種方式對焊縫金屬進(jìn)行強化,一是固溶強化,使用Cu-2Ti合金焊材時凝固到室溫時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)到強化效果。二是第二相強化,凝固時焊縫中生成了第二相質(zhì)子TiCu2和β-TiCu4,強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,硬度和強度有所提高,沖擊韌性和彎曲塑性與母材相比下降很少。由于Ti的添加,焊縫在提高強度和硬度的同時,仍具有良好塑性和沖擊韌性,具有廣泛的應(yīng)用價值。3焊縫成形的影響因