丁 尋,李晉煒,陸業航

(中國航空制造技術研究院,北京 １０００２４)

摘 要:以４０mm 厚的無氧銅板材作為研究對象,選取適當的工藝參數進行電子束焊接,對母材和焊接接頭的顯微組織及力學性能進行了對比分析.結果表明:無氧銅板經電子束焊接后,焊接接頭無明顯表面缺陷,焊縫區域狹窄呈釘形,顯微組織為鑄態等軸晶粒,焊接接頭性能良好,其硬度、抗拉強度及塑性均與母材的相當.

關鍵詞:無氧銅;電子束焊接;顯微組織;力學性能

中圖分類號:TG４５６．３ 文獻標志碼:A 文章編號: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,有著極好的導熱、導電性和良好的耐蝕、加工、焊接性.基于銅在各個領域中的廣泛應用,其焊接性能越來越受到關注[１].銅在焊接過程中主要會出現以下幾種問題:焊縫難熔合,成形差;容易發生焊接變形,熱裂傾向大;熱輸入量大導致晶粒粗大,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,有學者針對銅及銅合金與異種金屬的焊接性能進行了一些研究,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性能,為銅及銅合金的電子束焊接應用提供參考依據.

１ 試樣制備與試驗方法

    試驗材料選取牌號為 TU１的國產退火態無氧銅板,厚度 ４０ mm,其化學成分 (質 量 分 數％)為:９９．９７Cu＋Ag,０．００２P,０．００４Fe,０．００３Pb,０．００３Zn,０．００２O,０．００４S.

    將無氧銅板進行機械打磨及表面化學清洗處理后,用無水乙醇擦洗試樣表面并進行電子束焊接試驗.焊接設備為高壓真空電子束焊機 ZD１５０Ｇ１５A,真空室體積８５ m３,電子槍加速電壓１５０kV,額定功率６０kW.根據焊接工藝優化試驗結果選取焊接參數,最終確定采用臨界穿透焊的工藝方式,焊接參數為加速電壓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 光學顯微鏡下對接頭不同區域的顯微組織進行觀察分析.通過 DMHＧ２ 顯微硬度計,對比焊接接頭上、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,標距部分尺寸為?６mm×３０mm.根據 GB/T２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗 第１部分:室溫試驗方法»在日本島津AGＧ１００kNG電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗,并用ZeissSupra５５掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌.

２ 試驗結果與討論

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,而焊縫兩側熱影響區很窄與母材分界不明顯。

    無氧銅焊接接頭母材、熱影響區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％(質量分數),母材為單相αＧCu組織,由于銅的層錯能較低,導致晶內生成大量退火孿晶.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的[８].電子束流掃過試樣表面時,金屬基體急速原位熔化和冷卻,焊縫和熱影響區的冷卻方式以母材的金屬熱傳導為主.相對于鈦合金等金屬,由于銅的導熱性非常好,固Ｇ液相界面溫度梯度較小,因此焊縫形成大量等軸晶粒.而熱影響區受焊接熱影響,越靠近母材,過冷度和冷卻速率越小,導致晶粒粗化長大.由于銅沒有同素異構體,并且無氧銅的雜質含量極少,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.這是因為隨著距離的增大,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、下部的顯微硬度測試結果,試驗載荷為２５g,保載時間為１０s.可見３個位置的硬度均在５０~６０HV０．０２５.對于同一位置的焊接接頭來說,硬度在焊縫、熱影響區和母材處沒有明顯區別;對于上、中、下３個位置的接頭來說,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,熔池內外幾乎沒有成分差異,凝固時不發生相變,因此焊縫內外的晶體結構相同.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結果,拉伸速率為１ mm??min－１.可見電子束焊接接頭的抗拉強度稍低于母材的,約為母材的９７％,屈服強度則與母材的相當.對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.通過進一步金相檢驗,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,說明焊縫與母材的強度相當.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,晶內出現大量裂紋;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,并發生明顯頸縮,斷口外形呈杯錐狀,錐面與主應力成４５°.母材斷口表面較為平整,大量等軸韌窩在表面均勻分布.斷口側面出現大量蛇行滑動花樣,這是拉伸開動時多個滑移系交互作用的結果[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×