銅與不銹鋼的氬弧焊接工藝方法及顯微組織分析

用鎢極氬弧焊將銅和不銹鋼進(jìn)行焊接,觀察了焊接區(qū)域的顯微組織,分析了顯微組織的形成機(jī)理。結(jié)果表明,兩種金屬都含有對方的元素,兩種金屬實(shí)現(xiàn)了共溶,其焊接是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的。鎢極氬弧焊是在惰性氣體的保護(hù)下,利用鎢極與工件間的電弧熔化母材和填充材料的一種氣體保護(hù)焊方法,又稱TIG焊。焊接時(shí),保護(hù)氣體連續(xù)地由噴嘴中噴出,形成氣體保護(hù)層,排除電弧四周的空氣,防止鎢極和焊接熔池金屬的氧化和其他有害作用,使其得到優(yōu)質(zhì)的焊縫。

   異種材料的焊接是指將不同化學(xué)成分、不同組織性能的兩種或兩種以上的金屬,在一定的工藝條件下焊接成設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件,并使形成的接頭滿足預(yù)定的服役要求。異種材料的焊接性取決于兩種材料的組織結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性能等,兩種材料的這些性能差異越大,焊接性越差。

一、焊接工藝方法

   由于銅和不銹鋼的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性等一些物理性能指標(biāo)不相同,焊接時(shí)存在著熱裂紋和滲透裂紋的傾向,特別是滲透裂紋更有危害性,焊接的難度較大。在進(jìn)行氬弧焊接時(shí)必須考慮其熱量的分布情況,保證能夠得到理想的焊縫。焊前用高頻震蕩器引弧或在碳塊、石墨塊上引弧,然后移入焊接區(qū)進(jìn)行焊接。熄弧時(shí),弧坑應(yīng)添滿,并向銅一側(cè)引出。

   平焊縫的焊接是較容易的一種焊接位置,手工氬弧焊平焊的操作方法與氣焊、焊條電弧焊的方法不同。氬弧焊焊接運(yùn)弧的方法是:手要穩(wěn),鎢級端頭與焊件要有3 mm的距離,盡量不要跳動和擺動,正常的情況下應(yīng)是等速度向前移動;焊接時(shí),當(dāng)電弧引燃后,熔池形成并稍有下沉的趨勢,即說明已經(jīng)焊透,整個(gè)焊接都應(yīng)保持這種狀態(tài)。

   銅與不銹鋼的氬弧焊接困難主要在于焊接熱源的分布,所以在焊接時(shí)必須考慮改變焊機(jī)的角度。在相同的規(guī)范參數(shù)下,改變焊機(jī)的角度將使熔池溫度及形狀產(chǎn)生較大的變化。焊機(jī)的角度可分為與焊接方向呈一定角度的前后角度和與焊接方向垂直的左右角度。焊機(jī)前后角度對熔池形狀及熔深的影響很大,應(yīng)根據(jù)工件的厚度、位置等合理地選擇焊機(jī)的角度,以達(dá)到控制熔池的溫度及熔深的目的。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1. 試樣在金相顯微鏡下的顯微組織

    制作試件材料橫截面的金相試樣,觀察其顯微組織并照相。圖為光學(xué)顯微鏡下材料的顯微組織。從圖中可清晰地觀察到銅的基體顯微組織,母材金屬由于焊接時(shí)加熱,細(xì)小的等軸晶粒受溫度的影響已經(jīng)變大,晶粒度的大小不僅會影響金屬的機(jī)械性能,而且還會影響其他性能。圖中材料熔池區(qū)組織為圓點(diǎn)狀晶體組織,這些圓點(diǎn)狀結(jié)晶組織分布在銅的基體和不銹鋼的基體兩種材料中,證明了銅和不銹鋼兩種材料通過氬弧焊接的方式,能夠?qū)崿F(xiàn)焊接。圖為金相顯微鏡下材料的顯微組織,可以看到兩種材料的母材和焊接熱影響區(qū)。在焊接熱影響區(qū)內(nèi),不銹鋼的組織內(nèi)溶入了銅,由于受溫度的影響,銅的晶體逐漸變大,并向不銹鋼中擴(kuò)散,在不銹鋼中形成了結(jié)晶物。圖是對接接頭的焊接區(qū)域,可以看到在銅和不銹鋼的基體組織中,都出現(xiàn)了互溶的晶體組織,并隨著焊縫向兩側(cè)逐漸減少,銅和不銹鋼顯然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了共溶,出現(xiàn)了銅-不銹鋼的焊接界面,而且界面連接不開裂,說明形成了焊接的連接,證明了異種材料氬弧焊接的可行性。在另外一側(cè),焊接熱影響區(qū)內(nèi),銅的基體組織中也溶入了少量不銹鋼。說明在焊接過程中,出現(xiàn)了成分的互溶。由于受溫度的影響,在熱影響區(qū)外側(cè),兩種金屬連接處出現(xiàn)了不同金屬基體組織的互嵌。

 2. 試樣在掃描電鏡下的顯微組織

   在金相顯微鏡觀察圖片的基礎(chǔ)上,還做了在掃描電鏡下的一組照片,來加強(qiáng)說明氬弧焊接銅和不銹鋼的顯微組織。圖為掃描電鏡下材料的顯微組織。從圖中可以看到在掃描電鏡下銅與不銹鋼的顯微組織。其中顏色較深的銅基體與較淺的不銹鋼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了共溶,在冷卻后能夠形成一體,證明其焊接是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的。圖中的現(xiàn)象能夠說明,由于兩種金屬的熔點(diǎn)不一樣,其在加熱高溫后的流動性也不同,所以形成了這種狀態(tài),但兩種金屬都含有其對方的元素,這在常溫的非焊接狀態(tài)下是不可能實(shí)現(xiàn)的,這也能夠說明兩種金屬實(shí)現(xiàn)了共溶,實(shí)現(xiàn)了連接。

三、結(jié)論

1. 顯微組織的分析研究表明,采用氬弧焊接的方法能夠?qū)崿F(xiàn)銅和不銹鋼兩種異種材料之間的焊接。

 2. 通過金相顯微鏡和掃描電鏡的圖片分析可知,由于兩種金屬液態(tài)本身的偏聚,焊接時(shí)其以液態(tài)顆粒形式進(jìn)入熔池(團(tuán)聚的狀態(tài)),而其他的焊接是以原子級別形成互溶,沒有形成大的團(tuán)聚。