Fe_Cu火焰钎焊焊接接头微观组织与力学性能研究.pdf

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0465检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g yFe/Cu 火焰钎焊焊接接头微观组织与力学性能研究魏学玲 张梦飞 李 超 张佳玮 赵 波（西安特种设备检验检测院 西安 710000）摘 要：本文采用火焰钎焊方法对 Q345R 与紫铜进行焊接，Cu-Zn 系黄铜做钎料，对焊后界面微观组织形貌、力学性能和界面元素分布进行研究。结果表明，通过火焰钎焊方法可实现钢/铜的钎焊，在铜/钢侧结合界面出现熔合过渡区，出现大量长条状取向明显的柱状晶组织和等轴晶组织。黄铜钎料与紫铜界面熔合较好，界面平滑，出现大量孪晶。通过强度计算软件确定该焊接接头可承受的最大载荷，为该焊接方法在压力容器的广泛应用提供理论依据。关键词：铜/钢焊接接头火焰钎焊 微观组织 强度计算Study on Microstructure and Mechanical Properties of Fe/Cu Flame Brazing Welded JointWei Xueling Zhang Mengfei Li Chao Zhang Jiawei Zhao bo(Xian Special Equipment Inspection Institute Xian 710000)Abstract The welding of Q345R and copper was carried out by flame brazing method,and Cu-Zn brass was used as filler metal.The distribution of elements at the interface,microstructure and mechanical properties of the interface after welding were studied by scanning electron microscopy,tensile testing machine and energy spectrum.The results show that the brazing of steel/copper can be achieved by the flame brazing method.The fusion transition zone appears at the interface of copper/steel side,and a large number of columnar crystal structures with obvious orientation and equiaxed crystal structures appear.The interface between brass filler metal and copper is well fused,the interface is smooth and there are a lot of twins.The maximum load that the welded joint can bear is determined by strength calculation software,which provides a theoretical basis for the wide application of the welding method in pressure vessels.Keywords Copper/steel welded joint flame brazing Microstructure Strength calculation中图分类号：TB497 文献标志码：B文章编号：2095-2465(2023)08-0065-05 DOI:10.19919/j.issn.2095-2465.2023.08.016作者简介：魏学玲（1990 )，女，硕士，工程师，从事压力容器监督检验及火焰钎焊研究工作。通讯作者：魏学玲，E-mail:Weixueling_。（收稿日期：2023-04-23）随着压力容器行业的不断发展，对设备异种钢材料的焊接提出新的需求，在一些大型换热器，尤其是大型转动设备和仪表的风冷或动力管道往往采用纯铜或者不锈钢材质，铜与钢的冶金相容性较好，但由于其物理性能不匹配，二者的熔点、热导率和线膨胀系数相差较大，具有较大的焊接应力和变形1，铜/钢异种材料焊接成为迫切需要解决的问题。Cheng Z2等人对铜-不锈钢异种金属焊接接头采用 MIG-TIG 双面弧焊方法进行研究，发现接头存在熔焊及钎焊的不同结合方式。石玗3等人研究了不同焊接工艺下铜/钢异种金属熔焊接头性能，采用激光焊和钨极氩弧焊2 种焊接方法进行对比，发现激光焊焊接接头的导电性及耐腐蚀性优于钨极氩弧焊的焊接接头。李想4等人对铜与不锈钢高频感应钎焊工艺及组织进行分析，发现不锈钢层有少量的 Sn 扩散。由于目前在压力容器2023.04 设备监理66检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y行业采用火焰钎焊进行焊接的基础应用研究较少，本文主要针对压力容器用火焰钎焊对铜/钢异种金属材料的焊接进行研究，对界面微观组织和拉伸性能进行分析，采用强度计算软件校核火焰钎焊方法焊接的接头所能承受的最大载荷，为火焰钎焊在特种设备行业的广泛应用提供理论依据。1 试验材料及方法试验母材采用 150 mm50 mm4 mm 的 T2 紫铜板及 150 mm50 mm4 mm 的 Q345R 钢板进行焊接，紫铜金属表面呈紫红色光泽，密度为 8.92 g/cm3，熔点 为 1 083.4，沸 点 为 2 567。采 用 的 黄 铜 焊 丝(HS221)Cu 60%、Zn40%,各母材的化学成分见表 1、表 2。元素CSiMnSPCrNiCuMoQ345R 0.2 0.55 1.21.7 0.010 0.025 0.3 0.3 0.3 0.08表 1 Q345R 化学成分%元素Cu+AgPBiSbAsFePbSnT2-Y 99.95 0.001 0.001 0.002 0.002 0.005 0.003 0.002表 2 T2-Y 化学成分%焊前采用机械方法去除母材表面氧化膜，使用火焰钎焊方法进行焊接试验，试验参数：焊接电流 为 35 A，焊 接 速 度 为 90 mm/min，送 丝 速 度 为 0.53 cm/s。为进一步研究铜/钢界面演变规律，用线切割进行截面试样切割，对试样表面进行丙酮清洗，打磨、抛光制备金相试样，利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy，SEM)并结合能谱分析仪(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)对铜/钢接头界面的组织、元素分布进行研究。使用 WDW-300J电子万能材料试验机对焊后接头进行拉伸力学性能测试，参照 GB/T 26512008焊接接头拉伸试验方法制备拉伸试样，拉伸速度为 0.25 cm/s。2 试验结果及分析 2.1 接头显微组织分析焊接接头横向结合界面如图 1(a)所示。从图1(a)可知接头分为 3 个区域：A-钢侧，B-黄铜钎料区，C-紫铜母材及其相邻的过渡区域。从截面中 可以看出接头铜/钢侧结合界面粗糙，图 1(b)为钢/铜侧焊接接头结合界面，图中红色虚线框所示为铜/钢界面反应区，钎料侧晶粒在晶界形核，发生晶粒沿着温度梯度较大的方向生长，沿着结合界面，晶粒垂直长大，出现大量长条状取向明显的柱状晶组织，由于热导率和热输入作用，在远离界面处还有细小的等轴晶出现。从图 1(c)可知钎料组织为大小不均匀晶粒，根据已有研究结合文献 5 可知为-Cu 和+固溶体双相组织。图 1(d)为黄铜钎料与紫铜母材的结合界面，紫铜母材晶粒组织粗大，由于层错能较低，出现大量孪晶，界面为冶金连接,组织为-Cu 固溶体 组织。2.2 界面微观组织分析为进一步研究钢/铜界面的微观组织，采用背散射电子进行研究，铜/钢接头的 SEM 显微组织形貌如图 2(a)所示。从图 2(a)可知，在 Fe/Cu 焊接接头界面出现河流状过渡带和黑色窄间距过渡带 P4，把铜/钢侧结合界面细分为 4 部分，图 2(a)中黑色虚线框 P2所示为钢侧母材基体与熔化母材的过渡区，晶粒组织完整，为珠光体组织。P3 为钢侧热影响区，钢侧发生部分熔化，出现珠光体与渗碳体组织。红色虚线框 P5为钎料侧填充金属过渡区，靠近焊缝处晶粒发生粗化。从图 2(b)可知钎料黄铜由于结合面处受热输入的影响晶粒发生部分长大，存在黑色的球状析出物，为 Fe 元素和 Cu 元素，根据已有研究6可知为未熔化的界面Fe 元素主要通过溶解进入焊缝，发生扩散所形成的铁的固溶体。从图 2(c)可知钎料黄铜与紫铜母材完全互溶，钎料侧晶粒长大。图 2(d)为钢侧母材基体微观组织，基本未发生变化，仍为珠光体组织。根据接头形貌特点，整个区域组织大致为-Cu 和+固溶体双相组织、珠光体、铁素体与锯齿状 Fe/Cu 双相组织过 渡层7-8。为了确定钢/铜界面不同区域的具体组成成分，采用 EDS 对 Fe/Cu 焊接接头横截面进行线扫描。如图 3 所示，从 EDS 结果可知 Cu、Zn 两元素出现一个稳定平台，在Fe/Cu 过渡区，Cu、Zn元素大幅度上升，Fe 元素大幅度下降，Fe、Cu、Zn 3 种元素含量发生明显突变,图中虚线框为结合界面的过渡区域，从图中可知出现 Fe、Cu、Zn 元素的互扩散，液态熔池中铜、铁溶液彼此互溶。PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0467检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y图 1 Fe/Cu 火焰钎焊接头微观组织(a)焊接接头横截面形貌(b)钢/铜侧焊接接头微观组织(c)钎料侧微观组织(d)黄铜钎料与紫铜母材的结合界面微观组织A1 mBC1 m1 m1 m图 2 Fe/Cu 火焰钎焊接头 SEM 微观组织(a)Fe/Cu 界面焊接接头显微组织(c)黄铜钎料与紫铜母材的结合界面微观组织(b)钎料侧微观组织(d)母材微观组织P3Fe?Cu?P5P1P2P4?Q345R?2023.04 设备监理68检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y1 mm?4图 3 Fe/Cu 火焰钎焊接头线扫描元素分布(a)线扫描横截面组织分布(b)EDS 线扫描元素分布7 0006 0005 0004 0003 0002 0001 000cpsm0300600900 1 200 1 5001 8002 1002 400 2 700 3 000?0从Fe/Cu二元合金相图可知，Fe/Cu两相固态有限 互溶，液态无限互溶，室温下形成固溶体，溶解度特别小，铜/钢焊接不会形成金属化合物，通过铜/钢固溶体进行连接9-10。图 2(a)中 P4 区域局部放大如图4 所示，采用火焰钎焊焊接时黄铜钎料完全熔化而钢侧部分熔化，在热源的作用下钢/铜侧形成锯齿状的熔合界面，完全熔化的钎料和部分熔化的钢在表面张力和高强度紊流作用下彼此互溶形成具有一定宽度的结合区，形成的锯齿状过渡带最大的区域距离可以达到 13 m11。表 3 为结合界面线扫描的元素含量，从表 3 中可知结合处主要为 Cu、Fe 元素。5 m?1图 4 Fe/Cu 火焰钎焊接头钢侧微观组织表 3 Fe/Cu 火焰钎焊接头线扫描元素分布度元素CuCZnFe百分数/%21.729.63.623.23 接头拉伸性能通过拉伸实验对铜/钢异种接头力学性能进行研究，采用氩弧焊接头进行对比，对氩弧焊和火焰钎焊2 种焊接方法下接头的抗拉强度进行测定。2 种不同焊接方法下各取 3 个拉伸试样进行拉伸试验，取其平均值作为焊接接头的抗拉强度。如图 5 所示，B1、B2、B3 试样为氩弧焊拉伸试样，A1、A2、A3 为火焰钎焊试样，从图中可知火焰钎焊接头有明显的焊缝熔合区，焊缝宽度较宽，铜焊丝和两侧的金属结合较好。图 5 不同焊接工艺参数下铜/钢接头的拉伸试样B3B2B1A3A2A1通过试验结果可以发现 2 种焊接方法下，焊接接头的断裂位置均位于铜侧热影响区，焊缝的抗拉强度要高于纯铜的抗拉强度。见表 4，铜/钢焊接接头的抗拉强度基本与铜母材一致，为 203.6 MPa 左右。断裂的位置如图 5 中虚线框所示，断裂试件存在明显的颈缩，为韧性断裂方式。断裂位置在铜侧热影响区是因为在焊接过程中铜侧热影响区受热导致晶粒粗化长大，粗化的铜晶粒引起晶界密度减小，形变抗力下降12。焊接方法抗拉强度 Rm/MPa平均值/MPa氩弧焊205/204.5/205.3205火焰钎焊201/203.3/206.5203.6表 4 不同焊接工艺参数下铜/钢接头的抗拉强度4 计算最大载荷量采用 SW(过程设备强度计算软件)对材质为紫铜、筒壁厚度为 5 mm 的筒体和管壁厚度为 3 mm 的换热管进行校核，见表 5，在压力容器中采用该材质钎焊时对所承受的最大内压力进行强度计算。对压力容器在工作温度为 100，筒体内径为 1 000 mm，腐蚀裕量为 0 mm 的设备通过该软件计算可知，采用铜质筒体最大能承受 0.23 MPa 的压力，采用铜质换热管时最大PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0469检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y能承受 6.5 MPa 的压力。通过压力容器用强度计算可以满足压力容器的使用要求。5 结论采用火焰钎焊方法进行钢与铜的焊接，分别形成以 Fe 元素为主的铜/钢固溶体组织和以铜相为主的固溶体组织，对焊后接头区域元素分布、抗拉强度进行测定，采用过程设备强度计算软件确定设备最大承载量，所取得的结论主要如下：1）火焰钎焊方法可成功实现钢与紫铜的焊接，焊缝成形较好，结合界面发生冶金结合。2）钢与铜焊后在钎料/Q345R 母材界面出现熔合区，焊缝处出现黑色的球状析出物。黄铜钎料与紫铜母材熔合良好，Fe/Cu 界面形成的锯齿状过渡带最大间距达到 13 m。3）对火焰钎焊形成的焊接接头进行拉伸试验 表明，焊接接头力学性能良好，抗拉强度为 203.6 MPa，断裂位置在远离铜/钢界面的黄铜侧热影响区，为韧性断裂。4）通过强度计算软件可知，在压力容器采用火焰钎焊焊接筒体，焊接接头最大承受0.23 MPa的内压力，焊接换热管与管板，最大承受 6.5 MPa 的内压力，服役寿命较好，在压力容器中可以大量使用。参考文献1 李亚江，王娟，刘鹏.异种难焊材料的焊接及应用M.北京:化学工业出版社,2004.2 Cheng Z,Huang J,Ye Z,et al.Microstructures and mechanical properties of copper-stainless steel butt-welded joints by MIG-TIG double-sided arc weldingJ.Journal of Materials Processing Technology,2019,265(08):87-98.3 石玗,侯旭倩,王瑞,等.不同焊接工艺下铜/钢异种金属熔焊接头性能研究J.电焊机,2021,51(09):7-12+115.4 李想,朱明,黄健康,等.铜与不锈钢高频感应钎焊工艺及组织分析 J.热加工工艺,2016,45(17):213-215+218.5 高振永.紫铜/黄铜焊接接头微观组织及力学性能研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.6 上官芸娟.紫铜和低碳钢异种材料焊接工艺研究J.世界有色金属,2018(07):214-215+217.7 王希靖,达朝炳,李晶，等.T2紫铜与H62黄铜异种材料间的搅拌摩擦焊工艺研究 J.兰州理工大学学报,2007,33(01):29-33.8 邢丽,李磊,柯黎明.低碳钢与紫铜搅拌摩擦焊接头显微组织分析 J.焊接学报,2007(02):17-20+114.9 陈湘 平,唐杰,卫国强,等.不 锈 钢/铜感应钎焊接头组织和力学性能研究 J.热加工工艺,2017,46(23):229-231+234.10 Li Chuang，Wang Xuemin，Shang Chengjia，et al.Effect of microstructure on precipitation behavior of copper bearing steelJ.Materials Science and Technology，2011，19（0 4）：6-10.11 姜晓飞,何鹏,冯吉才,等.CMT法30CrMnSi钢板表面 熔敷 CuSi3 接头组织结构特征 J.焊接学报,2007(02):47-50+115.12 张志俊,纪花,邵文明.铜与不锈钢的氩弧焊接的显微组织分析 J.机械工程与自动化,2010(05):95-96.计算参数壁厚/mm计算压力/MPa设计温度/直径/mm负偏差/mm焊接接头系数水压试验压力/MPa计算厚度/mm换热管36.51002501.09.752.84筒体50.231001 0000.281.00.3454.9换热管校核通过计算25 mm3 mm 的换热管能承受 6.5 MPa 的压力筒体校核通过计算1 000 mm5 mm 的筒体能承受 0.23 MPa 的压力表 5 不同计算参数下铜/钢接头的载荷量9 Kachanov L M.On the time to failure under creep conditionsJ.Ivz.An Sssr,Otd.Tekhn.Nauk,1958,8:26-31.10 GB/T 196242019 在用含缺陷压力容器安全评定 S.11 Hyde T H.Creep crack growth in 316 stainless steel at 600 J.High Temperature Technology,1988,6:51-61.12 刘时.纳入裂尖拘束效应的承压管道蠕变裂纹扩展寿命评价 D.上海：华东理工大学,2018.（上接第 64 页）