钨电极惰性气体保护焊铜、低碳钢

文摘

在这篇文章中,铜与低碳钢焊接使用钨电极惰性气体保护焊(GTAW)的过程。确定weldablity因素,测试需要提供机械强度信息,潜在的缺陷结构,故障的性质。机械测试包括横向拉伸测试、显微硬度测试,弯曲测试。横向拉伸试验的结果显示故障发生在铜热影响区(HAZ)的极限抗拉强度220 mpa。焊缝金属产生最高的平均硬度值173高压。弯曲测试显示小裂缝的表面上每个弯曲和弯曲的性质,弯曲的铜热影响区。金相学了铁氧体(α)和铜(ε)细胞和树突形成焊缝金属的微观组织。焊后热处理(PWHT)试图观察是否有改进的力量可以实现。拉伸和微观硬度测试结果显示铜贱金属延性显著增加,焊缝金属的延性略有增加

关键字

铜、不同的焊接、GTAW焊接性。

介绍

随着冶金的发展的继续,越来越多的不同材料的焊接需求作为工程师正在寻找有创意的方法来优化解决方案在制造业领域。领域研究的重点在汽车和航空航天工业、发电应用程序和压力容器(1]。

一个例子,铜的焊接性是正变得越来越普遍汽车行业。汽车行业目前的市场是趋近设计轻型车辆和电气化汽车的燃料价格不断增加投资。然而,产生一个高效的感应电动机为一辆汽车被证明是困难的铜不容易焊接。当前制造的感应电动机使用铝松鼠笼子里也没有导电率铜(2]。

两种不同的材料的焊接提出了挑战制造商(3]。每个金属有不同的热性能、化学性质机械性能。差异越大,难度越大参与焊接的两种材料4]。

本文的目的是探讨与GTAW焊接铜、低碳钢的实用性没有填充的过程。有限的研究进行了之前关于这个话题。礁泻湖和Bhat5]调查合金钢(EN31)铜(联合国110000)使用铜和镍基高温合金焊接填充材料。自动保护金属极电弧焊是加入过程和板的厚度与焊接边缘坡10毫米到30°。铜焊接参数预热到540°C和他们不同的速度和功率输入每个测试。焊接与铜填充的结果显示焊接气孔,沿着焊缝力学性能差、摊。结果镍铜填充显示类似的力量和焊缝质量是足够的。

期刊等。6]研究了GTAW CP铜的过程中使用不同类型的不锈钢填充金属。Ni-Cu-Fe填料,统一的焊接区生产铜接口,空洞被发现由于冷却率高和截留气体在焊接区。铬和镍可能延长铜铜溶解性铁但高冷却率限制均匀分布。基于铜填充没有产生肉眼可见的缺陷。不锈钢填充金属铜接口上未能完全融合。

林等。7]研究了GTAW过程之间的差异和搅拌摩擦焊(FSW)过程在纯铜。GTAW细长的谷物和产生的原因是由于快速的温度变化。GTAW的显微组织显示可见焊缝区和热影响区之间的边界。在焊接区,大颗粒被观察到。缺陷特征也在GTAW过程视为裂缝和漏洞。还有其他研究铜、低碳钢的焊接,但由于不同的焊接技术(1,8,9]。

大部分过去的研究都集中在先进的焊接技术或GTAW不同填充材料,因此有必要研究提供一个弧焊过程没有填充金属。本文的总体目的是探索焊接铜、低碳钢的实用性。不是简单的金属铜焊,但潜在的减少制造成本,优化材料的使用,提高设备的效率。它越来越多的应用程序需求是否焊接合金钢、铝和钛。

材料和方法

定义铜的焊接性,几个GTAW测试以及进行冶金焊接后的调查。拉伸、弯曲、硬度测试也进行了观察整个焊缝区域的强度。弯曲试验是用于观察任何表面缺陷和评估压力下的延性。冶金调查涉及制备标本检查的光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)。

样品的拉伸和弯曲测试焊接copper-mild钢板剪了线切割机,以确保最低热一代由于切割。横向拉伸试验后的尺寸sub-sized狗骨头基于美国和材料试验学会(ASTM)国际(ASTM E8 / E8m - 09)。此测试程序的目的是要提供的信息强度和延性的一维拉伸拉下焊缝。对于这个调查,两个sub-sized标本代表焊接状态和焊后热处理(PWHT)进行了测试。

硬度测试后的标准测试方法努和维氏硬度的材料(ASTM E384-10)。维氏硬度测试是常见的用于检测焊缝金属。它测量焊缝金属的性质和提供证据如何焊接过程影响了贱金属由于高温影响。这个测试的设置是10秒的停留时间和负载200 - 300克力。

弯曲测试后破坏性测试焊接在金属材料弯曲试验按照ISO 5173:2009。此测试程序的目的是要获得定量结果但评估焊接压力下的延性。它打消拉伸测试,正常关节融合与足够的力学性能和缺陷免费。

冶金进行的调查也揭示了微观结构的晶粒结构的焊接区和透露任何缺陷,如果任何。程序准备的标本制备金相试样的金相学跟着标准的做法(ASTM E3 - 95)。腐蚀剂26日和31日使用基于ASTM E 407 - 07。

焊接的过程总是包含残余应力,因为金属的热膨胀和收缩。一个方法来缓解压力的重新分配是焊后热处理(PWHT)。PWHT的目的是试图软化焊接金属,缓解压力,提高铜HAZ的抗拉强度。PWHT是由970度30分钟后跟强制空气冷却至室温,然后在520 oc老化2小时紧随其后的是空气冷却。

结果和讨论

图1是一个缝铜钢焊缝轮廓的图像放大五倍。地区重点展示了铜的熔合区和热影响区。从左手边的图像显示了谷物的铜。谷物是融合区越近,更大的。融合区热是什么原因导致这些谷物的生长,称为复苏,再结晶和晶粒生长。铜盘就会形成薄板滚,这是一个寒冷的工作过程。内部能量存储在这个过程中,通过恢复谷物允许新的谷物的生长。然而谷物的生长,时间和温度变量,促进经济增长。谷物开始生长的小核和成长,直到他们覆盖整个金属。地区接近融合区遭受最热量和最长时间在升高的温度下,因此这使得颗粒合并在一起,形成大的颗粒。 The further away from the fusion zone, the decrease in heat and time reduces the rate at which these grains grow. As the growth of these grains grow from nuclei to large grains, what tends to happen is that the metal will have a relatively high tensile strength and low ductility at the nuclei. The large grains on the other hand will have high ductility and low tensile strength.

看着铜和焊缝金属的界面,观察到的特性是一个看到小幅的接口。从这张图片,一个明显的熔合线还不清楚和混合的程度不能科学地评估在这个阶段。然而由于不规则的铜和焊缝金属的界面,这表明,铜的融化是不规则的。使用SEM可以显示铜和焊缝金属的混合界面图2一个。Phanikumar et al。9)显示一个类似的接口使用激光焊接过程。他们的研究发现,铜和焊缝金属的界面显示领域有混合和混合。成分分析显示,有很高比例的铜在熔合线和突然下降到大约25%的铜。查看钢和焊缝金属线揭示出一个清晰的接口。看来,钢铁融化均匀导致液态金属渗透对贱金属。进一步沿着焊缝,液态金属的特性被圈在钢铁基地创建一个铁的牙齿像特性。

图2 c和D显示了两个不同的结构在焊缝金属,树突细胞。这些细胞结构的增长可以变成树突结构由于温度梯度的变化,焊接速度和增长速度。重大变化在其中任何一个变量会导致不同的结构和尺寸的微观结构。作为一个结果,条带特征和显微偏析是一个直接影响。至少有三个带焊缝剖面中所看到的那样,两个很容易识别的图2 b和D另一个更微妙的识别,但通过SEM是可见的。两条带的特性也可以称为一个乐队涟漪,因为形状的性质。这些特性的成分似乎富含铁素体导致更多的液态金属铜被拒绝。这些条带的影响不显著影响的整体结构焊接可能影响其耐蚀性。焊接过程,总是非平衡条件由于涉及环境的焊缝冷却率。

图2 e和F显示了一个有趣的方向特性树突。他们似乎都面临垂直于界面的钢。这个特性是一个停滞不前的结果层界面的贱金属和焊缝金属部分混合区(PMZ)。更可识别钢一侧因为比铜界面发生融化。这个停滞不前层的原因是由于摩擦效应的液体和固体。对于连续性,都必须在相同的速度移动。固体的液体不会因此接口不能动,仍是联合国/部分混合,铁氧体富有。不幸的是,PMZ通常不良阶段导致贫困特征。没有方法完全消除该地区由于自然的影响但有办法减少形成焊缝池中通过引入对流或使用窄像束激光焊焊接过程。

使用SEM的好处是识别特性,光学显微镜可以失败。图2 f演示了这种因为孔隙度中可以看到这个焊接。这将降低关节和疲劳失效的可能来源。图2 g和H显示热处理的影响焊缝金属和钢铁接口。焊后热处理出现帮助分配树突结构。界面附近的钢结构似乎比之前的波浪。树突的生长可能导致细胞结构(有些晶粒)。更带铜一侧可以看到结果和树突结构只存在于铜的一面。铜界面不太崎岖。

铜钢焊缝的拉伸测试断裂的铜的热影响区大小对焊接和PWHT标本。作为焊接样品从粗糙的界面断裂的大约0.8毫米,而热处理样品断裂的大约3.4毫米接口。同时骨折45°,这表明,最大剪切发生。拉伸试验的结果证实,焊缝金属和钢铁比铜强得多。这导致骨折最弱的金属,在这种情况下是铜。焊后热处理未能提高接头的强度。治疗期间所发生的铜颗粒增长导致低强度和延性的增加。程序本身实际上削弱了接头的抗拉强度。由于断裂的性质,它是不确定什么影响热处理的焊缝金属的强度的影响。从这些结果,焊后热处理是不必要的,这种类型的联合力量铜地区恶化。 Instead it increased the elongation 10.5% from the as welded fracture results. The summary of tensile tests results are presented in表1。

表1:拉伸测试结果总结为焊接状态和PWHT铜钢焊缝样本。

三套微硬度数据被从表面和焊缝的焊接状态,和PWHT焊接概要文件所示图3和图4,分别。指的是图4微硬度测试,焊接的焊缝剖面表明,铜基硬度受焊接热过程的影响。平均生产63高压的维氏硬度值。也是如此的钢边平均123高压由于较低的碳含量。另一方面焊缝金属产生的最高硬度平均173高压。这表明整个焊缝金属更强,因此,更少的韧性。关节的表面硬度的结果类似于焊接概要文件。PWHT样本的结果显示一个类似的焊接状态焊接概要图。铜95高压侧平均硬度,焊缝金属167高压,高压钢119。的影响热处理钢和焊缝金属的硬度值没有显著差异。只有轻微下降,硬度,建议治疗增加了焊缝金属的延性。

从弯曲测试,结果表明,铜热影响区和周围的标本弯曲这仍然确认铜延展性(最高图5)。大约0.5毫米的铜界面的凸弯曲。视觉观察标本,表面和根弯曲样品沿着凸表面似乎有小裂缝。侧弯样本未能揭示裂缝,我们用肉眼就可以看到。看的轮廓形状、顶面是圆形的,除了在焊缝金属。一把锋利的角落被焊接金属和铜之间的贱金属。从弯曲测试铜贱金属覆盖70%的弯曲。这个测试的目的是为了揭示任何明显的裂缝和延性。与任何裂缝检测,它将导致焊缝的生命周期减少。裂缝会导致失败的部分原因在于疲劳、热膨胀和收缩。焊缝金属的延性不能科学地执行但修改弯曲试验的性质表明,焊缝金属相对脆弱。

焊接状态的断裂表面的形象使用扫描电镜显示在样本图6。有两种失效模式。右边区域显示韧性断裂表面酒窝和锥等特性。这些特性是由于塑性变形前的失败。左边的脆性断裂表面被(更向焊缝金属)没有塑性变形的迹象和一个平面垂直于拉伸应力的方向。这些特性更加突出的区域靠近焊缝金属。

另一个功能,可以看到是一个缺陷的焊接区。一个重要气体孔隙图像中可以看到,小于150微米的措施。这表明,有可能是氢介绍了焊缝创建气体毛孔。这个缺陷是重要和降低整个焊接质量导致较低的焊接质量。

扫描电镜图像的PWHT给出图7。金属相比非常韧性焊接状态样本。没有脆弱的特征属性,也没有任何可识别的缺陷。这个结果证实热处理导致的延性增加铜部分。进一步的晶粒生长导致较低的抗拉强度在铜部分导致骨折。

结论

低碳钢、铜用GTAW焊接在一起的过程。有限和不均匀的被融化铜界面导致的边缘。钢边界的光滑界面代表统一的融化。焊缝金属的显微组织显示树突结构和细胞结构。的形成这两个是焊接热波动的直接结果。这导致macro-segregation和micro-segregation导致条带出现。整体结构更多的树突。

没有从两侧晶粒生长的贱金属被成长为焊缝金属。焊缝金属的化学成分的结构揭示了铁氧体丰富,可以与取心的效果。在%铁丰富的成分是81.6。相图的树突是共析阶段α+ε。

拉伸试验结果显示失败的铜HAZ的极限抗拉强度220 MPa。金相显示延性和脆性破坏。PWHT未能改善整体焊接由于铜的性质更韧性的治疗。极限抗拉强度的PWHT是138 MPa。PWHT焊缝的金相显示只有延性特征。

铜的平均维氏硬度是63高压和软钢123高压。达到了峰值硬度的焊缝金属平均少173高压并建议韧性属性。PWHT揭示了焊缝金属的平均硬度167高压,和钢铁119高压。这表明微小的改善焊缝金属的延性。

弯曲试验表明,高强度相比在焊缝金属铜的一面。表面裂缝显示表面和根横向铜钢焊缝。

引用

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