基钎料钎焊接头断裂行为分析于治水

1、焊接学报第 22 卷 第 6 期2 0 0 1 年 1 2 月Vol .22 DecemberNo .6 2 0 0 1TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDINGINSTITUTIONCu 基钎料 MIG 钎焊接头断裂行为分析于治水,周,祁凯,吴铭方(华东船舶工业学院,江苏 镇江 212003)摘 要: 研究用 Cu3Si1Mn 钎料、Cu10Mn6Ni 钎料分别 M IG 钎焊 镀锌 Q235 钢板及1Cr18Ni9Ti 不锈钢板。 试验结果表明, 在钎料/ 母材界面分别Si 、Mn 富集带, 经 XRD分析 Si 是以 Fe2Si 相形式, 而 Mn 是以固溶体形式

2、;用 Cu3Si1Mn 、Cu10Mn6Ni 钎料钎焊镀锌 Q235 钢板接头抗拉强度试样均断在母材, 抗拉强度为 308 .2 308.7 MPa, 钎焊 1Cr18Ni9Ti 不锈钢板, 拉伸均断在钎缝, 其抗拉强度分别是 331 .5 MPa、423.6 MPa;拉伸断口分析发现, 断裂起裂点在搭接钎缝的根部, 主要是母材成分与少量的钎料成分混合、溶解而成, 是脆性断口;止裂点在钎缝(Cu10Mn6Ni 钎料), 是塑性断口。(Cu3Si1Mn 钎料)或在近界面上: MIG 钎焊;Cu 合金钎料;接头强度;断裂行为号:TG454文献标识码:A文章编号:0253 360X(2001)06

3、29 04于治水序言Si 、Mn 对钎焊接头强度及断口形貌的影响, 为进一步设计新成分钎料及高强度钎料提供借鉴。0电弧钎焊与普通火焰及炉中钎焊相比有自身的特点 :第一利用电弧特有的“ 阴极雾化”去除氧化膜有利于液态钎料在母材上润湿 、铺展并克服钎剂对母材的腐蚀 ;第二局部加热, 钎料在 t t me 范围内润湿、铺展及成缝, 并发生钎料与母材的相互溶解、1试验条件及1 .1 试验材料试验钢板 钎料如表 1 所示。300 mm150 mm2 mm , 材料及扩散作用 ;第三可通过焊接参数, 方便灵活地调表 1试验钢板、钎料及规范参数节钎料成缝时的热输入量。这在焊接精密零件 、薄钢板和低沸点易蒸发

4、的镀锌板等方面已成为一种新的高效钎焊技术。镀锌钢板在汽车 、电器及轻钢结构中得到应用 ,用熔化焊焊接镀锌钢板, 因高热输入使锌蒸发,工作条件 1 , 并使钎焊接头产生裂纹、气孔 2 , 因此,有些研究者使用青铜焊丝的MIG 钎焊来连接镀锌Experimental plate, brazing filler mand brazing parameterTable 1 o Braz ng llerBraz ngS ellMe hod oNoPara e ersller e alsheebraz ng e alCu3S MnI =95 AU =20 V2Cu 0Mn6N钢板 3Cr 8N 9T, 目

5、前有 Si 、Sn 、Al 青铜钎焊丝, 熔点在.2MIGv =4 .3nnDv = .63Cu3S Mn1 050 左右, 在这种情况下钎焊比焊接好, 钎料更具有耐蚀性, 接头周围不发生涂层断裂, 由于合金溶解及 , Zn 的挥发大大减少, 从而促进了劳动条件 3 , 在对Si 、Sn 、Al 青铜钎焊丝的MIG 钎焊的研究时, 主要集中在工艺和接头强度的研究 4 5 , 而对钎料成分变化对接头断口影响研究甚少。本文主要研究在 MIG 钎焊中用 Cu 基钎料钎焊镀锌Q 235钢板或1Cr 18Ni 9Ti不锈钢板时Cu 基钎料中Q235 shee pla ed w h z nc4Cu 0Mn

6、6N1 .2试验过程将待焊材料以干净, 组搭接接头;焊机TPS4000 , 用MIG 电弧将钎料熔化滴淌在钎缝部位, 严格基体金属不致熔化。焊好试件一部分成拉伸试样, 另一部分沿钎缝横截面剖开, 制成试样与拉伸断口在S360 扫收稿日期:200068基金项目:船舶行业基金资助项目(97J56 .2)描电镜及 ISIS分析。X 射线能谱仪上进行 SEM 、EDS焊接学 报第 22 卷30试验结果及分析对二维焊接传热的FEM 的计算及分析2 400 1 050的冷却时间仅有 1 .1 s , 近钎缝的母材处(0 .2 mm) 1 050 600 的冷却时间也仅有 4 .5 s , 由此可知,在这样

7、短的时间内, Si 、Mn 很难扩散均匀。22 .1Cu 基钎料中Si 、Mn 对钎焊接头强度的影响用Cu3Si 1Mn钎料 、Cu10Mn6Ni 钎料分别钎焊镀锌Q 235 钢板及 1Cr18Ni9Ti 不锈钢板的接头抗拉强度如表 2 所示。钎焊镀锌Q235 钢板均断在母材, 母材的抗拉强度是 308 .2 308 .7 MPa , 钎焊 1Cr18Ni9Ti 不锈钢板均断在钎缝, 其抗拉强度分别是331 .5 MPa 、423 .6 MPa 。表 2 Si、Mn 对接头强度的影响Table 2 Effect of Si , Mn on joint strengthJo n s reng h

8、b MPaBraz ngller e alS eelsheeFrac ureos on308 .233 .5Pla ed w h z nc Q235Cr 8N 9TBase e alSeaCu3S Mn308 .7423 .6Pla ed w h z nc Q235Cr 8N 9TBase e alSeaCu 0M n6N2 .2Cu 基钎料中Si 、Mn 钎缝界面的分布为了钎料的润湿铺展性能, 钎料成分设计图 1 不同钎料钎焊不同母材时的界面Fig.1 Brazing interface of different base m with different filler ms时往往都加入了一

9、些降熔元素, 然而在电弧钎焊条件下, 活性元素对钎缝形成的影响则要作全面分析。图1a 、b , c 、d 分别是 2 号, 3 号试样在同样条件得到的钎缝界面形貌, 由图 1a 、b 知, Cu3Si1Mn 钎料中的钎料中Cu 、Si 、Mn 等元素在液/ 固界面与母材中的Fe 、Cr 、Ni 元素发生相互溶解及扩散, 以及在凝固钎料与母材的固/ 固界面上发生了相互扩散。由Cu/Fe 、Mn/ Fe 、Ni/Fe 、Cr/Fe 、Si/ Fe 及Cu/ Cr 二图知, Cu/Fe 、Mn/Fe 、Ni/Fe 、Cr/ Fe 及Cu/ Cr 相互溶解及扩散主要形成固溶体, Si/Fe 易形成系列

10、金属间化合物。钎料与母材间的相互溶解 、扩散及扩散反应有利于钎料在母材上的润湿与铺展, 增强与母材的冶金结合。降熔元素Si 的形成的钎缝一明显的过渡区, 在界面形成一富Si 过渡带, EDS 线扫描分析已给予证明。图 1c , d 是采用 Cu10Mn6Ni 作钎料的 2 号试样扫描电镜, 发现在界面上同样形成一个过渡区,EDS 分析结果同样可以观察到一富Mn 过渡带的存在。经XRD 分析 Si 是以Fe2Si 相形式, 而Mn是以固溶体形式。富Si 、富 Mn 过渡带的与电弧加热条件下的液态铜钎料高度过热和液态铜钎料高温停留时间短 、快速冷却的综合作用有关 。2 .3Cu 基钎料中Si 、M

11、n 对钎焊接头断口形貌及断裂路径的影响对MIG 钎焊接头横断面进行分析, 发现在搭接在氩气保护下的电弧中液态钎料处于高度过热状态, 假设在氩气保护下的电弧加热时, 高度过热的钎料液滴触及母材表面时, 其液滴温度约在2 400 2 700 6 (相当于熔池表面温度), 其中的接头钎缝处的上盖板的尖角、对接接头钎缝处的钢板的尖角有局部熔化, 如图 2 所示。用 Cu3Si1Mn 钎 料及 Cu10Mn6Ni 钎料 钎焊1Cr18Ni9Ti 不锈钢的接头拉伸试验、其断裂路径分别如图 3a , b 所示。用 Cu3Si1Mn 钎料钎焊时, 从 a 点起裂沿界面扩展一段路径后向钎缝扩展到 b 点。用Cu

12、10Mn6Ni 钎料钎焊时, 也从 a 点起裂后向界面偏钎缝侧扩展到 b 点后又向钎缝/母材界面方向扩展到 c 点。图 3a 、b 中各特征点的断口形貌如图 4 、图 5 所示。降熔剂Si 、Mn 因表面吸附作用表面富集, 当液滴接触及润湿母材表面时首先发生液滴表面吸附的Si 、Mn 直接向液固界面富集, 同时伴随着溶解及扩散, 其结果造成液固界面有Si 、Mn 富集带;另外由于电弧的局部加热及电弧的移动, 使高度过热的钎料在很短的时间内发生溶解、扩散及凝固并伴随其周围母材的快速冷却, 使界面富集的Si 、Mn元素来不及向远处扩散, 这两方面的共同作用最终导致在钎缝与母材界面间Si 、Mn 富

13、集带 通过第6 期于治水, 等:Cu 基钎料MIG 钎焊接头断裂行为分析31图 2 MIG 钎焊接头横断面示意图Fig.2 Schematic drawing of horizontal section of MIG brazed joint图4a 是解理断裂, 经 EDS 分析其质量分数是wCu =10 .45 %, wFe =54 .46 %, wN =2 .89 %, wCr =19 %, w S =12 .32 %, wMn =0 .88 %, 经XRD 分析有图 4 Cu3Si1Mn 钎料钎焊 1Cr18Ni9Ti的拉伸断口形貌Fig .4 Tensile fracture surf

14、aces of brazing1Cr18Ni9Ti with Cu3Si1Mn solderFe2Si 相形式, 经。图 4b 是塑性断裂, 有大的、深的EDS 分析其质量分数是=wCu85 .12 %, wFe =6 .53 %, wN =1 .02 %, w Cr =2 .24 %,wS =3 .78 %, wMn =1 .32 %。图 5a 是准解理断裂,经EDX 分析其质量分数是w Cu =14 .68 %, wFe =46 .3 %, wN =0 .65 %, w Cr =14 .2 %, w S =7 .97 %, wMn =13 .21 %, wZn =2 .98 %, 经XRD

15、 分析有Fe2Si 以相形式, Cr 、Mn 与Fe 以固溶体形式;图5b是塑性断裂, 有大量的深(与图 4b 的比要小, 说明晶粒相对细小), 经 EDS 分析其质量分数是 wCu =29 .79 %, w Fe =24 .77 %, wN =0 .49 %, w Cr = 10 .41 %, w S =9 .6 %, wMn =1 .9 %, wZn =13 %, 通过二 图 7 分析,Mn 、Cu 、Cr 与Fe 是以固溶体形式, Cr 、Mn 、 Ni 对铜合金有细化晶粒的作用, 经XRD 分析得到验证。图5c 是塑性断裂, 有大量的小的、浅, 经 EDS 分析其质量分数是 w Cu

16、=25 .79 %, w Fe =33 .77 %, wN =3 .49 %, w Cr =11 .41 %, w S =6 .6 %, wMn =10 .9 %, wZn =8 .12 %。图 3 不同钎料钎焊 1Cr18Ni9Ti 时断裂途径Fig.3 Craking way of brazing 1Cr18Ni9Ti joint withdifferent solder图 5Cu10Mn6Ni 钎料钎焊 1Cr18Ni9Ti的拉伸断口形貌Tensile fracture surfaces of brazedFig.51Cr18Ni9Ti with Cu10Mn6Ni filler m焊

17、接学 报第 22 卷32根据上述的元素在界面的相互作用及断口形貌分析, 结合金属学知识可知, Cu10Mn6Ni 钎料钎焊1Cr18Ni9Ti 接头强度高, 主要由于Mn 含量较高, 增湿铺展行为, 即从上部 根部钎料润湿铺展性能逐渐变差, 在整个过程中都伴随着钎料与母材间的元素的扩散, 导致钎料与母材间的界面的形成。大了固化效果, 另外在界面处Mn 的富集进一步有效降低 Fe 固溶体的转变点, 增宽 Fe 固结论3溶体的区域使Fe 与Cu 、Fe 与Ni 、Fe 与Cr 相互溶解度增大, 母材中的Ni 、Cr 与钎缝中合金元素相(1) 用 Cu3Si1Mn 钎料、Cu10Mn6Ni 钎料分别

18、钎焊镀锌Q235 钢板时, 拉伸均断在母材, 母材的抗拉强度是 308 .2 308 .7 MPa ;用 Cu3Si1Mn 钎料、 Cu10Mn6Ni 钎料分别钎焊 1Cr18Ni9Ti 不锈钢板, 拉抻均断在钎缝, 其抗拉强度分别是 331 .5 MPa 、 423 .6 MPa 。(2) 用 Cu3Si1Mn 钎料、Cu10Mn6Ni 钎料分别钎焊镀锌Q235 钢板及 1Cr18Ni9Ti 不锈钢板时, 在钎料互溶解 、扩散的程度增大 , 进一步起到固化作用, 且Ni 、Cr 在Cu 中还有细化晶粒作用, 最终, 在固化和细晶强化的共同作用下, 使接头强度增加。而Cu3Si1Mn 钎料中的

19、Si 、Mn 相对含量少, 除起到降熔作用外, 主要利用Si 、Mn 在焊接时形成复合氧化物(氧化硅 氧化锰)薄膜覆盖在熔池表面有效防止Zn 的蒸发,劳动条件;另外 Si/Fe 、Si/ Cr 易形成金属间化合物使接头性能变脆, 所以Cu10Mn6Ni 钎料钎焊 1Cr18Ni9Ti 接头 断口是塑 性断口, 而Cu3Si1Mn 钎料钎焊 1Cr18Ni9Ti 接头断口是脆性断口。在新钎料研制中, 结合上述的分析, 除加入3 %Si起到防止 Zn 的蒸发外, 适当增大Mn 、Ni 、Cr 含/ 母材界面上以Fe2Si 相形式Si 、Mn 富集带, 经XRD 分析Si 是, 而Mn 是以固溶体形

20、式,钎料与母材间的相互溶解、扩散及扩散反应有利于钎料在母材上的润湿与铺展, 增强与母材的结合。(3)拉伸断口分析发现, 断裂起裂点在搭接钎缝的根部(图 3 中的 a 点), 主要是母材成分与少量的钎料成分混合、溶解而成 , 是脆性断口;止裂点在量, 通过产生固溶体增强与母材的冶金结合、增大固化、细晶强化作用外 , 还要考虑在电弧加热钎缝(Cu3Si1Mn 钎 料)或 在近界 面上下, 液态金属与周围气体的作用, 还要加入Al 、Ti 元素起到脱氧作用和细化晶粒作用。另外从液态钎料润湿铺展的角度看, 在钎料中加入与Cu/Fe 都形成(Cu10Mn6Ni 钎料), 是塑性断口。参考文献:固溶体的元

21、素有利于钎料在的母材上润湿铺展, 提高钎缝性能, Ni 、Mn 对液态铜合金的润湿性作用最大,Mn 在Fe 表面还有自钎剂作用, 有利于液态钎料的润湿铺展。Si 、Al 、Ti 易与Fe 形成金属间化合物, 润湿性作用较弱, 但Al 、Ti 是强脱氧剂, 在电弧条件下, 有利于其它元素过渡到钎缝中去, 并且Al 、Ti 元素在Cu 中是细化晶粒元素。由图 4 、图 5 及各特征点的EDS 分析知, 图 3 中的断裂起裂点 a 主要是被焊的母材成分与少量的钎焊丝成分混合 、溶解及液/ 固 、固/ 固相互间的扩散而成的界面。通过试样及试验过程分析认为主要是在电弧加热过程中, 在同一钎缝中, 各部位

22、钎料 母 K l ng R .MIG weld ng echnology o shee pla ed w h z nc J .Prak- ker , 998, 50(): 25 .K l ng R .The CO 2 weld ng echnology and analys s o de ec s o welded 2shee pla ed w h z nc J .Prak ker ,K l ng R.M IG-braz ng echnology o Prak ker , 998 .50(3), 97 99 .998 , 50(2):554 .shee galvan zed w h z nc

23、J . 3 4Adar ngs , S eg r ed S öckel, Du sburg .Vol l echan sches Me all- Iner gashar lö cn von euerverz nk eFe nblech aus S ahl J . Schwe en und Schne den .986 , 38( 2):624 629 .Adar ngs , S eg r ed S öckel, Du sburg .Vol l echan sches Me all-Iner gashar lö cn von eueralu n er e

24、Fe nblech aus S ahl J . Schwe en und Schne den .989 , 4 ( ):577 583 .Lancas er J .F.The Physcs o Weld ng M .Ox ord, Un ed K ngdo :Perga on, 986. 5 6材间的润湿铺展及冶金交互作用有明显的差 7.二元合金状态图集 M .上海:上海科学技术,异, 上部位受电弧加热强烈且液态钎料对电弧隔热作用最小, 上搭接板尖角处有一部分熔化, 铁水与铜液一起淌到钎缝根处, 在此处发生混合 、溶解及液/ 固、固/ 固相互间的扩散而成形成一种新成分界面; 而根部位由于弧柱最

25、长且液态钎料对电弧传热的隔热作用最大, 因而与母材界面温度最低 ;中部介于上、根部之间。液 固界面温度的差异引起界面张力的变化进而造成钎料在不同的部位呈现不同的润984.作者简介: 于治水, 男, 960 年出生。 教授, 哈尔滨工业大学在。 多年从事异种材料的连接技术、焊接过程的计算机职博士数值模拟和异种材料连接钎料的研制开发等工作。篇, 获省部级科技进步奖二等奖 2 项、三等奖2 项。40 余: Ecs 6 publ c.zj .js .cn(编辑)MA IN TOPICS , ABSTRACTS &KEY WORDS2001 , Vol .22 , No .64Abstract:

26、The n luence o her al cycles ons on res s ance was nves ga ed by Weld Ther al She ena el coa ng corro-ula on , Elec ro-che calelec rode o PECT, laser-solder ng e hod has been brough orward n h s paper.The process ass sed w h w re- esh and solder ng pas e has been adop ed o weld he la eral elec rode

27、o PECT .The es ng resul s nd ca ed hejo n proble o ul layer he erogene y la na on has been se led usng h sTechn que , SEM and XRD .The resul s show ha he s ruc ure o ena el coa -ng a peak e pera ure 350 s exaned as ull v resence , wh le hee pera ure s a nly v resence o- peak e pera ure , he coa ng c

28、or-process , and he PECT has h gh all-connec edness and s all hea pac .Ten- s le s reng h and a gue s reng h o laser soldered jo n are h gher han hose o he conven onal jo n .Key words :p ezoelec r c cera cs rans or er (PECT);laser solder-ng ;la eral elec rodes ruc ure a er cycl c hea ng a low peakge

29、 her w h crysall ne phase .A d erenroson ress ance o sprayed orcela n p pe s d eren .The bes s a 350 and he wors s a 200 .When he peak e pera ure s under 950 , he v scos y o he ena el s el s b g , wh ch akes he s el have poor lowab l-y , so he s ruc ure and he an -corros on proper y o he ena el coa

30、ng haveno grea changes .Bucro-cracks occur on he sur ace o he coa ng aLow Cost Automatic Detecting of Weld Pool Image in Constant Current700 , and he an -corroson proper y w l l go down obv ously .Whens cor-LIU X n- eng(MO E Key Labora ory o L qu d and Hered -TIG Weldingroded , he ena el coa ng s nk

31、s .A ser es o co pl ca ed phys cal and chereac ons ake place beween e al and ena el coa ng , so as o producees o M a er als , Shandong Un vers y , Jnan 25006 , Ch na), GAO J n-q ang , JIANG X-ru , WU Chuan-song.p25 28calanycrys all ne phases .A rans on layer abou 30 w d h s or ed on he n er- ace whe

32、re alloy phases are ex s ed n he shapes o sland and clu p .The an-corroson proper y decreases .Abstract:Iages w h h gh resolu on have been cap ured hrough -prov ng he lenso he CCD ca era and adjus ng he op cs para e ers .Basedon he charac er s cs o he weld poolwh ch are ob a ned hrough he analysso a

33、 grea lo oages , an age process ng algor h ha can de ec he n e- gral edge o he weld ool s developed , wh ch doesn need o reduce he d s-Key words:sprayed porcela n p pe ;enacle ;corros on res sanceel coa ng ;weld her al cy-urbance.I can be seen haach eves co para vely clearh s low cos au o a c easur

34、ng sys e alsoFriction-stir Welding of MB8 Magnesium Alloy SheetXING L (Nan-ages n con ras o he ages cap ured by laserchang Ins u e o Aeronau cal Technology , Nanchang 330034 , Ch na), KE L- ng, SUN De-chao , ZHOU X-y ng.p 8 20Abstract:Fr c on-S r Weld ng (FSW) s a new plas c zed jo n ng pro- cess wh

35、 ch has cons derable o en al or weld ng non- errous alloys , wh ch are o en d cul o be weld by us on weld ng.In h s paper , he FSW process or Magnes u alloy, wh ch s very use ul or av a on and aerospace ndusry, was s ud ed and he bas c charac er za on o he weld or a on , he s ruc ures and he echan c

36、al proper es o he jo n were d scussed.The exper en al resul sshown ha he excellen ex ernal appearance and he low d s or on o hes robe.Key words:cons an curren TIG weld ng ;weld ool age;low cos au o a c de ec ngFracture Behavior Analysis of MIG-brazed Joint with Cu-based FillerM sYU Zh-shu (Eas Ch na

37、 Sh pbu ld ng Ins u e, Zhenj ang 2 2003, Ch na), ZHOU Fang- ng , QI Ka , WU M ng- ang .p29 32Abstract:MIG braz ng or jo n ng galvan zed Q235 s eel shee s and Cr 8N 9T s a nless seel w h Cu3S M n and Cu 0Mn6N braz ng ller e- al s nves ga ed.The exper en resul s nd ca e he S and Mn r ch band sproduced

38、 a he n er ace be ween ller e al and base e al .XRD analyssplas c jo n or MB8 Magnes u alloy have been ob a ned by us ng o FSWand here s no poros y and crack ng n he jo n .The h gh jo ns reng h wasach eved .The weld zone s co pr sed o he weld nugge w h he ne e-qu axed gra ns and he hea a ec ed zone (HAZ)w h he coarsened gra ns.ex s ed as Fe2S and Mn n he or o sol d solu on .Tens leens usng Cu3S Mn and Cu 0Mn6N as ller e al rac ured ashows ha Ses ng specKey words: agnes ur c on-s r weld ngalloy;plas c zed jo n ng ;echn cal research ;he base e al galvan z