Fe_Cu火焰钎焊焊接接头微观组织与力学性能研究.pdf
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1、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
2、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 we
3、lding 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 en
4、ergy 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 i
5、nterface 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 pressu
6、re 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
7、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
8、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
9、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
10、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/
11、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
12、)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
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