镀锌钢板对接接头等离子弧熔钎焊工艺研究-于治水

1、镀锌钢板对接接头等离子弧熔钎焊工艺研究于治水1，李瑞峰2，张培磊1，金亚娟21. 上海工程技术大学 材料工程学院，上海，2003362. 江苏科技大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江，212003摘要：采用等离子弧熔钎焊使用CuSi3Mn1焊丝对1.5mm厚镀锌钢板对接接头进行了连接。主要研究焊接参数变化对焊缝成形与界面组织及成分分布的影响，并对焊接接头进行了拉伸实验。结果表明在参数送丝速度（Vf=0.4 m/min）和等离子气体流量（Vg=1.2 L/min）一定的情况下，匹配适当的焊接电流与焊接速度（70 A和28 cm/min），可以使对接镀锌钢板焊透，形成良好的焊接接头。并且发现在等离

2、子弧下方的母材尖角出现微熔现象，在钎缝中产生了颗粒状的Fe-Cu-Si固溶体相，其形态与分布随着焊接电流与焊接速度的变化也有所变化。在钎缝中弥散分布的Fe-Cu-Si固溶体相对焊接接头起到了一定的强化作用。关键字：等离子弧熔钎焊；镀锌钢板；微观组织；对接接头中图分类号：TG434 文献标识码： 文章编号：0253 360X(2010)00 0000 00 0 前 言随着现代工业的发展，应用抗腐蚀镀层板的行业越来越多1。在众多钢铁防腐蚀方法中，镀锌是一种非常有效相对便宜的方法。但是，如何有效的连接镀锌钢板，是国内外学者一直在研究的课题。因为锌的熔点比较低（约为420 ），挥发温度为906 2，而

3、普通熔焊的电弧温度约为30004000 ，使得金属锌大量的挥发，从而导致气孔、未熔合及裂纹等焊接缺陷，甚至会影响到电弧的稳定性，并且还会破坏镀锌层的抗腐蚀功能。因此焊接镀锌板时最好是能够选择热输入量相对较低的连接方法。电弧钎焊的热输入比较低且电弧热量集中，焊接薄板时变形量小，热影响区窄，焊接成形美观，适合焊接镀锌钢薄板3-6。而电弧钎焊按照电极材料的不同可分为MIG电弧钎焊、TIG电弧钎焊和等离子弧钎焊等。综合比较三种电弧钎焊方法，针对镀锌钢薄板对接，TIG电弧钎焊电弧能量输出有限，焊缝较宽，焊接效率较低；MIG电弧钎焊的易于出现飞溅，稳定性差以及高速焊接焊缝成形差，影响焊接接头性能7；与之相

4、比，等离子弧钎焊的等离子弧受到焊枪与送气等拘束，具有两个可独立调节的电弧8，易于控制电弧稳定性且钎料的熔化与焊缝单位长度内的热输入无关，能够保证接头处的性能，因此选用等离子弧钎焊对镀锌钢进行对接连接，可在减小对镀锌层的影响同时提高生产效率。但是，在镀锌薄钢板的等离子弧熔钎焊焊接中仍存在许多问题，如焊接参数的匹配及工件装配间隙等。因此本文采用CuSi3Mn1作为焊丝连接镀锌钢板，着重研究了等离子焊接电流与焊接速度变化时的界面显微组织、焊缝中的元素分布以及接头力学性能等。1试验材料及方法试验采用的母材均为镀锌钢板，进行焊接工艺试验时，所用尺寸为100 mm60 mm1.5 mm；拉伸试验时为250

5、 mm100 mm1.5 mm。使用前先用酒精清洗。焊丝选用直径为1.2 mm的CuSi3Mn1。基金项目：国家自然科学基金项目(51375294)，上海市教委科研创新项目（12ZZ186）首先采用等离子弧进行镀锌钢板的对接，焊缝装配间隙为钢板始端0.3 mm，末端1.0 mm。在焊接工艺中，保持参数送丝速度（Vf=0.4 m/min）和等离子气体流量（Vg=1.2 L/min）不变，变动焊接电流（60 A、70 A和80 A）和焊接速度（26 cm/min、28 cm/min和30 cm/min）两个参数。等离子弧熔钎焊实验采用等离子焊机（Fronius TT5000）完成，试验后，通过线切

6、割将对接的钢板切成规定尺寸的小试样，再进行镶嵌、打磨、抛光；采用KEYENCE VHX-900数码显微镜对试样的焊缝宏观形貌及微观组织进行观察、拍照；同时对试样的母材、钎缝分别进行扫描电镜（SEM，JEOL JSM-6480）和能谱（EDS，OXFORD INCA）观察显微组织和确定元素分布。根据NB/T 47014-2011标准，对焊接后的镀锌钢板进行线切割取样，采用CMT5205微机控制万能试验机进行接头拉伸试验。2 实验的结果与分析在保持参数Vf=0.4 m/min，Vw=28 cm/min，Vg=1.2 L/min不变的情况下，分析焊接电流（分别取60 A、70 A和80 A）对焊缝成

7、形的影响，焊缝成形如图1示。由图1可以发现所得的熔钎焊焊接接头都实现了良好的穿透效果。从图1（a）可以发现，当电流为60 A时，母材发生轻微的熔化现象。观察图1（c）可以发现，当电流增加到80 A时钎缝界面的母材发生明显的熔化现象，而且由于热输入比较大，引起母材产生了一定的变形。与图1（a）、（c）比较，从图1（b）可以看出，当电流为70 A时，钎缝界面处母材有微熔现象，且熔宽较（a）、（c）小，据此推断图（b）的成形优于图（a）与图（c）。（a）I=60 A（b）I=70 A（c）I=80 A图1 焊接电流变化对焊缝横截面形貌的影响Fig.1 Effect of welding curren

8、t on joint cross-sectional image焊接电流对焊缝熔宽，焊缝余高有显著的影响，测量得到电流在60 A、70 A和80 A时的熔宽分别为2.69 mm、2.95 mm和3.87 mm，余高分别为0.59 mm、0.56 mm和0.52 mm。由此可以发现，随着焊接电流的增加，熔宽增加，因为电流的增加使得电弧的温度升高，焊丝在镀锌钢板上的铺展面积增加。同时在送丝速度不变的情况下，即单位时间内焊丝熔化并过渡到焊缝处的金属量没有发生变化，而焊缝的熔宽随着电流的增加在逐渐增大，因此焊缝的余高减小。在镀锌钢板对接接头等离子弧熔钎焊过程中，保持参数I=70 A，Vf=0.4 m/

9、min，Vg=1.2 L/min不变，选择焊接速度Vw（分别取26 cm/min、28 cm/min和30 cm/min）为变量，分析其对焊缝成形的影响，如图2所示。当焊接速度为26 cm/min时，钎缝界面的母材发生了熔化现象，这是由于焊接速度比较慢，在钎缝中停留的高温时间比较长，所以导致母材有明显的熔化现象。随着速度的增加，焊缝上单位长度的热输入较低，所以母材的熔化相对减少。如图（b）、（c）所示。对不同的焊接速度（26 cm/min、28 cm/min和30 cm/min），测量得到与之对应的熔宽分别为3.31 mm、2.95 mm和2.78 mm，余高分别为0.41 mm、0.56 m

10、m和0.50 mm。发现随着焊接速度的增加，熔宽减小。由于焊接速度的增加，使焊接过程中的焊接线能量减小，单位长度焊缝上的热输入也随之减小，使得焊丝的润湿性变差，在镀锌钢板表面的铺展面积减小，所以焊缝熔宽减小。然而在焊接速度增加到30 cm/min时，尽管焊缝的熔宽减小，但是送丝速度没有随着焊接速度的增大而相应的增加，导致在单位长度焊缝上堆积的熔化的焊丝量减小，因此焊缝的余高减小。（a）Vw=26 cm/min（b）Vw=28 cm/min（c）Vw=30 cm/min图2 焊接速度变化对焊缝横截面形貌的影响Fig.2 Effect of travel speed on joint cross-

11、sectional image图3是在保持参数Vf=0.4 m/min，Vw=28 cm/min，Vg=1.2 L/min不变的情况下，不同的焊接电流对镀锌钢板对接接头尖端部分熔化区的影响。从图3可以看出，镀锌钢板的尖端都发生了熔化的现象。并且当电流增大至80A时，镀锌钢板尖端的熔化现象更为显著。产生这种现象的原因是镀锌钢板尖端处于等离子弧的中心位置，镀锌钢板尖端受到电弧的加热作用更加明显，等离子电弧的温度一般高达2400050000 K（一般自由状态的钨极氩弧焊最高温度为1000020000 K），而镀锌钢板基体的熔点约为1673 K，因此镀锌钢板尖端很容易发生熔化的现象。随着焊接电流的增加

12、，等离子弧的热输入也随之增加，造成尖端的熔化量增大。（a）I=60 A（b）I=70 A（c）I=80 A图3焊接电流对镀锌钢板尖端熔化区组织的影响Fig.3 Effect of welding current on microstructures near top corner portion zone图4是在参数I=70 A，Vf=0.4 m/min，Vg=1.2 L/min一定的情况下，焊接速度变化对母材尖端熔化区的影响。从图4可以看到，焊接速度由26 cm/min提高至28 cm/min时，镀锌钢板尖端熔化区沿母材界面法线方向宽度的减小不明显，当速度提高至30 cm/min时，可以看到

13、镀锌钢板尖端熔化区的面积减小。产生这种现象的原因是，在镀锌钢板对接接头等离子弧熔钎焊过程中，保持焊接电流等其他工艺参数不变，增大焊接速度会导致对镀锌钢板尖端的焊接热输入减少，镀锌钢板尖端的熔化量减少；另一方面，焊接速度的增大，使镀锌钢板尖端在高温区的停留时间减小，熔化的镀锌钢板尖端没有充分的时间向液态钎料中溶解扩散，导致其来不及扩散即冷却凝固，因此随着焊接速度的增大，镀锌钢板尖端熔化区沿母材界面法线方向的宽度减小。（a）Vw =26 cm/min（b）Vw =28 cm/min（c）Vw =30 cm/min图4焊接速度对母材尖端熔化区组织的影响Fig.4 Effect of travel s

14、peed on microstructures near top corner portion zone图5是在参数Vf=0.4 m/min，Vw=28 cm/min，Vg=1.2 L/min不变的情况下，焊接电流对钎缝中心微观组织形态的影响。从图5中可以看到，在钎缝中有黑色颗粒相的存在。图（a）是焊接电流为60 A时的钎缝微观组织形貌，其黑色颗粒相以点状分布在钎缝中，数量较少，尺寸也不大；图（b）是焊接电流为70A时的钎缝微观组织形貌，相对于图（a）来说，图（b）中黑色颗粒相的颗粒尺寸较大，数量多，呈块状或椭圆状；图（c）是焊接电流为80A时的钎缝微观组织形貌，从图（c）可以发现个别黑色颗粒

15、相相对于图（a）、（b）明显增大，呈球状。分析认为，焊接电流的增加导致焊接过程中热输入的增加及等离子弧产生的电弧力增大，使熔化的母材中的Fe元素向液态钎料中扩散的含量增加，同时热输入的增加也使镀锌钢板中的Fe元素在液态钎料中的溶解扩散速率增大，使Fe元素与液态钎料中的元素相结合，形成黑色固体颗粒相。此外电弧力对液态钎料具有搅拌作用，电弧力的增大加强了这种作用，使得熔化的钎料液滴内部的流动变得剧烈9，黑色颗粒相受到流场的作用呈现条状带聚集并长大。（a）I=60 A（b）I=70 A（c）I=80 A图5 焊接电流对钎缝中心的微观组织的影响Fig.5 Effect of welding curre

16、nt on microstructures of center zone从图5（c）中可以看到，当焊接电流增大至80 A时，由于等离子弧产生的电弧力增强，在强电弧力的作用下，液态钎料内部流动带来的强烈搅拌使黑色颗粒相的聚集程度增加，并且钎料内部剧烈的金属流动对黑色颗粒相起到了冲刷的作用，使其最初形成时存在的棱角逐渐被平化、圆滑，变为圆球状9。从图5（c）中还可以看到，黑色颗粒相的尺寸大小不一，由于该相受到不均匀电弧力的搅拌作用，往往液态钎料受搅拌作用强烈的地方，颗粒相越容易聚集长大。图6是焊接速度对钎缝中心微观组织形态的影响。焊接速度主要影响焊接过程中单位长度焊缝上的热输入及焊缝组织在高温区的

17、停留时间。从图6中可以看出，焊接速度由26 cm/min增加到30 cm/min时，由于单位长度焊缝上的热输入增加，使焊丝中的元素与母材镀锌钢板中的Fe元素溶解扩散的数量增加，形成的黑色颗粒相增多；另外焊接速度的增加，钎缝中心在高温区的停留时间较短，不利于黑色颗粒相的聚集长大。且随着焊接速度的递增，这种颗粒相的尺寸也逐渐减小。另一方面，增加焊接速度，也会导致黑色颗粒相不能够在液态钎料中进行充分的扩散，以达到均匀分布，如图6（c）中该黑色颗粒相出现了明显的带状聚集现象。（a）Vw=26 cm/min（b）Vw=28 cm/min（c）Vw=30 cm/min图6 焊接速度变化对钎缝中心微观组织的

18、影响Fig.6 Effect of travel speed on microstructures of center zone图7为镀锌钢板等离子弧熔钎焊接头部位线扫描测试位置及测试结果。钎缝界面线扫描能谱分析结果表明母材处主要为Fe元素，钎缝内部主要成分为Cu元素；而图中黑色颗粒相处线扫面结果表明其成分组成主要由Fe元素、Cu元素和Si元素。由此也可看出，在镀锌钢板对接接头等离子弧熔钎焊过程中，钎料与母材存在相互作用，母材与钎料发生溶解扩散的现象。(a) 线扫描测试位置(b) 测试结果图7 接头特征位置EDS线扫描测试结果Fig.7 EDS linear analysis position

19、 and test results 对图8钎缝中心中A、B和C点特征组织进行能谱点分析，结果如表1所示。由表1中EDS分析结果可以看出在钎缝基体上的黑色颗粒相（A点和C点）中Fe元素和Si元素含量较高，Cu元素较少。结合相关文献研究及二元相图知识10得知Fe-Cu之间虽有限固溶，但不形成化合物，Fe-Si之间Si元素含量超过10%时才有可能形成化合物。同时，由于Si原子的尺寸相较于Fe和Cu原子来说要小，液态钎料中的Si原子能够与Fe、Cu元素形成间隙固溶体，据此可以推断钎缝界面组织内部的黑色颗粒相为Fe-Cu-Si的固溶体相。钎缝的基体（B点）主要为Cu元素，其成分和钎料的成分类似。图8 钎

20、缝中心微观组织及能谱点分析位置Fig.8 Microstructure at the brazing seam center表1 钎缝中特征点EDS分析结果（重量百分比，%）Table 1 EDS spot analysis test results测试点SiMnFeCuA4.98-71.0623.96B1.771.574.2393.02C8.950.8677.0313.15选取参数为焊接电流70 A，送丝速度0.4 m/min，焊接速度28 cm/min，等离子气体流量1.2 L/min焊接的两块试样进行拉伸试验，试样力学性能的测试结果显示：1号与2号焊接接头拉伸试样均断裂在母材区域（图中箭

21、头处），断口距焊缝中心距离在15-20 mm之间，抗拉强度分别为355 MPa和350 MPa。由此可见焊缝的强度可以超过焊丝熔覆金属的抗拉强度为350 MPa。分析认为，采用CuSi3Mn1焊丝进行等离子弧熔钎焊连接镀锌钢板时，焊缝中形成的Fe-Cu-Si固溶体颗粒相使焊接接头得到强化。（a）1号试样（b）2号试样图9 拉伸试样及其断裂位置Fig.9 Tensile test specimens and their fracture position3 结论（1）镀锌钢板对接接头等离子弧熔钎焊焊接过程中，工艺参数之间需要通过合理的匹配，并且选择合理的焊缝间隙，才能得到理想的焊缝成形及接头性能

22、。本试验采用等离子弧作热源，CuSi3Mn1作焊丝，在焊接电流70 A，送丝速度0.4 m/min，焊接速度28 cm/min，等离子气体流量1.2 L/min的工艺参数下，并在焊缝始端与末端使用不同的接头间隙，焊后能够获得均匀连续的焊缝并且成形良好。（2）等离子弧熔钎焊具有电弧焊和钎焊的双重性质，镀锌钢板上部靠近等离子弧的区域产生了微熔现象。在其他工艺参数不变的情况下，增大焊接电流或者减慢焊接速度，母材上部靠近等离子弧区域的微熔化区面积增大。（3）采用CuSi3Mn1作为焊丝进行镀锌钢板的焊接时，在钎缝中微观组织中产生了Fe-Cu-Si固溶体颗粒相，随着电流的增大，其微观形态呈逐渐变化为圆球

23、状；随着焊接速度的减小，Fe-Cu-Si固溶体颗粒相逐渐聚集长大并且在钎缝中的分布变得均匀。（4）由于钎缝中弥散分布的Fe-Cu-Si间隙固溶体颗粒相对焊接接头起到了强化的作用，因此两块焊接接头拉伸试样均断裂在母材，抗拉强度分别为355 MPa和350 MPa。参考文献1 HYPERLINK /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=%e5%bc%a0%e5%b1%b9&code=07436432;24499495;07417314;07425389;17726306; t _blank 张屹， HYPERLINK /kcms/de

24、tail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=%e6%9d%8e%e6%97%b6%e6%98%a5&code=07436432;24499495;07417314;07425389;17726306; t _blank 李时春， HYPERLINK /kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=%e9%87%91%e6%b9%98%e4%b8%ad&code=07436432;24499495;07417314;07425389;17726306; t _blank 金湘中等. 镀锌钢板激光焊

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