TU2无氧铜与铪的真空钎焊

上半月出版 Casting·Forging·Welding金属铸锻焊技术 TU2无氧铜与铪的真空钎焊 骆晓萌，王海龙，杨青松。邹坤 (江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室，江苏镇江212003) 摘要：使用BA972Cu钎料对TU2无氧铜与稀有金属铪(Hf)进行真空钎焊。借助金相显微镜、超景深显微镜、扫 描电镜、能谱分析、室温剪切试验等手段，分析了钎焊T艺参数(钎焊温度和保温时间)对钎焊接头组织及性能的影响。 结果表明：真空钎焊后获得的焊缝组织致密而连续。焊缝区均存在三个不同形貌的区域：铪侧的黑色区、中间花纹状 Ag-Cu共晶区和铜侧的峰峦状或鹅卵石状铜基园溶体区。随着钎焊温度升高和保温时间的延长，焊缝中峰峦状或鹅卵 石状组织越来越大，黑色区也越来越宽。而中间共晶区则减小。黑色带状区域中的Hf元素含量均大于4％．明显超过了 相图中Hf在Ag、Cu中的饱和固溶度．说明该区域中不可能仅存在铜或银与铪的二元同溶体组织。有可能存在三元固 溶体或含铪金属化合物。两种工艺参数均对接头的剪切破断应力影响不大。 关键词：铪；TU2无氧铜；真空钎焊；剪切破断应力；显微组织 中图分类号：TG454 文献标识码：A 文章编号：1001．3814(2010)05—0141．04 VacuumBrazingProcessofTU2Oxygen—freeCopperandHafnium LUOXiaomeng，WANGHailong，YANGQingsong，ZOUKun (ProvincialKeyLabAdvancedWeldingTechnology,JiangsuUnivers妇ofScience&Technology,Zhenjian9212003，China) Abstract：ThevacuumbrazingprocessofTU2oxygen-fleecopperandhafniumWasstudiedbyusingBA972Cufiller metal．ThroughSEM，EDS，metailographicmicroscopeandsheartest，theeffectsofdifferentprocessparameters(brazing temperatureandholdingtime)onmicrostluctureandpropertiesofthejointswereanalyzed．Theresultsshowthatthemain microstruetureofbrazingjointsiscomposedofthreemainareaswithdifferentpatterns-theblackareabesidenf,themid areaofAg-Cueutecficstructureandtheareaofcopperbasedsolidsolutionneal"Cu．Withtheincreaseofbrazing temperatureandholdingtime，boththeblackareaandtheareaofcopperbasedsolidsolutionbecomewider，howeverthe midareaofAg—Cueutecticstructurebecomenarrower．Intheblackarea,Hfcontentisaboutover4％，whichis significantlymorethanthesolidsolubilitylimitofHfbothinCu-HfphasediagramandAg-Hfphasediagram．Thatshows thatitisimpossibleforonlythebinarysolidsolutionofCu．HforAg．Hftoexistinthearea．Maybethereisternarysolid solutionormetalliccompoundwitllHf．Thetwoprocessparametersslightlyinfluencetheshearbreakingstress． Keywords：hafnium；TU2oxygen—freecopper,vacuumbrazing；shearbreakingstress；microstructure 电极作为等离子切割作业中的主要消耗品。其 使用寿命的长短直接影响到等离子切割的加工成 本和生产效率，电极更换越频繁，其加工成本越高， 生产效率相应就越低。电极作为等离子切割机的配 件，其种类不下百种，各种型号的电极多以等离子切 割机的产地或生产厂商的名字来命名，如：海宝、松 下、泛洋、温州、同昌、东方等等，但其主要结构都分 为两部分：铪(或锆)和铜基体f”。其中，海宝、松下等 国外厂商的电极使用寿命可达2～4h，而国内电极 使用寿命仅有l～2h。目前，我国等离子切割电极的 收稿日期：2009—10—21 作者简介：骆晓萌(1983一)，女，江苏徐州人，硕士，主要从事无氧铜与 稀有金属铪的钎焊研究；电话：13921587161； E—mail：luoxiaomen91983@163．tom 生产主要以复制国外产品为主．对于电极使用寿命 要求较高的切割设备而言。国内的大多数企业仍主 要依赖进口。 影响等离子切割电极使用寿命的因素有很多， 主要包括[2-51：电极材料的质量、电极冷却的好坏、切 割工艺措施是否得当以及喷嘴设计和加丁的水平。 其中，电极的冷却速度直接影响电极的寿命，而电 极的冷却效果与发射体铪和基体铜之间的结合效果 密切相关[6．sl。因此，为了提高等离子电极的使用寿 命，本课题使用BA972Cu即Ag-Cu共晶钎料，对 TU2无氧铜与稀有金属铪的真空钎焊工艺进行了 研究。 1实验材料及方法 钎焊材料为TU2无氧铜和金属铪丝(西2．5mlllX 《热加工工艺》2010年第39卷第5期 141 万方数据 金属铸锻焊技术|Casting·Forging·Welding 2010年3月 6mm)；钎料为BA972Cu，其熔点为780"C嘲，质量为 0．032～0．0349。母材和钎料焊前先用低温酸溶液浸 洗，然后浸泡在丙酮溶液中5mira以清除其表面氧 化膜和油污。接头形式及装配如图l所示。 (a)接头形式 (b)装配示意图 图l 接头形式及装配示意图 Fig．1Jointtypeandassemblysketchmap 钎焊设备为WZS．20型双室真空烧结炉，真空 度为2．0x10‘2Pa左右。钎焊丁艺如下：(1)采用不同 温度(800---900℃)对试样进行钎焊，加热速度约为 15℃／min．保温时间为15min。冷却方式为随炉冷 却；(2)在选定的温度下，采用不同的保温时间(15～ 55rain)对试样进行钎焊，加热速度约为15℃／min， 冷却方式为随炉冷却。 焊后将试件加工成犯．5mm×3．0iilin试样，用 CMT5205电子万能试验机并配以特殊夹具进行室 温剪切试验。采用金相显微镜和JSM一6480型扫描 认为银在铜中的同溶体。结合Ag-Cu二元相图分 析，钎料熔化后，由于浓度梯度的影响，钎料中Ag 向母材铜中扩散，同时母材Cu也向钎料中扩散与 溶解，随着Cu向钎料中的溶解，靠近母材铜侧钎料 中Cu的浓度逐渐增高．钎料由原来的共晶成分变 电镜(附能谱)对钎焊接头的微观组织及元素扩散情 况进行分析。 2实验结果及讨论 2．1钎焊温度对钎焊接头组织和性能的影响 对在800--一900℃不同钎焊温度下所得钎焊接头 进行室温剪切试验，结果均断在焊缝处，剪切破断应 力见表l。在此钎焊温度范围内接头的剪切破断应力 最低为163MPa，最高为183IVIPa．接头的剪切破断 应力变化很小，说明在这样的钎焊温度范围内，钎焊 温度对接头强度的影响不是很大。 表l不同钎焊温度下试样的剪切破断应力 Tab．1Theshearbreakingstressunderdifferent brazingtemperature 钎焊温度／℃ 800815830845860875900 剪切破断应力／MPa 175177169175163183179 图2为不同钎焊温度下接头的显微组织(左侧为 母材铪，右侧为母材铜，中间是焊缝区)。可看出，在 800～900℃钎焊温度范围内获得的焊缝组织致密而 连续；焊缝区均存在三个不同形貌的区域：铪侧的黑 色区、中间银铜共晶区和铜侧的峰峦状或鹅卵石状组 织。随着钎焊温度升高，峰峦状或鹅卵石状组织越来 越大．黑色区也越来越宽。而中间共晶区则减小。 图2中峰峦状或鹅卵石状组织经能谱分析后确 图2 不同钎焊温度下焊缝 Ⅸ的显微组织(t=15min) Fig．2Microstructureofthe brazingweldunderdifferent brazingtemperature(t=15rain) 成亚共晶成分．固体母材铜与液态钎料达到近平衡 状态，在冷凝过程中，钎料中初生的铜基固溶体即依 附着母材铜以非均匀形核方式结晶长大。即为先共 晶相。随着钎焊温度的提高，钎料与母材铜之间的扩 散加剧，液态钎料中铜含量增加，因此在随后的钎焊 142 HotWorkingTechnology2010，V01．39，No．5 万方数据 上半月出版 Casting·Forging·WeldingI金JR[铸锻焊技术 冷却过程中将析出更多、更大的先共晶相。同时出现 更多的先共晶相，必然消耗更多的液态钎料．使冷却 后获得的银铜共晶组织数量减少。为研究图2中焊 缝组织中黑色带状物的成分，对其进行能谱分析。根 据得到的结果可知：黑色带状物中Ag、cu、Hf三种 元素均存在，并且Hf元素质量百分比均大于4％， 某些区域甚至超过10％。图3是用扫描电镜拍摄 830℃下接头的焊缝组织．对其黑色带状物进行面 扫描，结果如表2所示。由Ag-Hf相图和Cu—Hf相 图可知[91，试验温度范围内(800--一900℃)Hf在Ag、 Cu中的饱和固溶度均小于1％。而根据表2结果．此 区域中铪元素的质量百分比均超过4％．说明该区 域中不可能仅存在二元铜基或银基同溶体组织，有 可能存在三元固溶体或含铪的金属化合物。然而不 论是存在i元同溶体还是金属化合物．都会降低整 个焊缝区的导电和导热性能，进而影响电极的使用 寿命。因此，应在保证焊缝良好结合强度的同时。尽 可能地降低钎焊温度以缩小黑色带状区。从而提高 焊缝区的导电导热性能．达到延长电极使用寿命的 目的。 图3 830℃钎焊温度下钎缝中黑色带状Ⅸ的面扫描 Fig．3Thesurfacescanoftheblackstripdistrictin brazingjointat830。C 表2 830℃钎焊温度下焊缝组织EDS结果 (质量分数。％) Tab．2EDSanalysisresultsofmicrostructureinthejoints brazedat83022I、vt％) 元素 l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Cu 81．9957．4827．1728．3615．3331．3428．0522．3216．88 Ag 4．2034．9066．0260．3880．0257．1l64．8070．5783．12 Hf100．oo13．8l7．6l 6．8l 11．264．6511．557．157．1l 2．2保温时间对钎焊接头组织和性能的影响 表3为815℃时不同保温时间下钎焊接头的剪 切破断应力。可见，在保温15～55min时，焊接接头 的剪切破断应力都比较高。其中在保温5min时，接 头剪切破断应力最高为189MPa：保温45min时．接 头剪切破断应力最低为161MPa，但基本相差不大。 说明在此保温时间范围内保温时间的变化对接头剪 切破断应力的影响不显著。 表3 81522时不同保温时间下试样的剪切破断应力 Tab．3Theshearbreakingstressunderdifferent holdingtimeat815℃ 钎焊时间／min 15 25 35 45 55 剪切破断应力／MPa 175 180 189 16l 169 图4为815℃时不同保温时间下接头的显微组 织(左侧为母材铪，右侧为母材铜，中间是焊缝区)。 可以看出。在15～55min的保温时间下获得的焊缝 组织均致密而连续，焊缝与两侧母材界面结合紧密； 焊缝区均存在三个不同形貌的区域：铪侧的黑色区、 中间花纹状银铜共晶区和铜侧的峰峦状组织。随着 保温时间变长。焊缝越来越宽。焊缝与母材的界面分 界线逐渐消失．呈现峰峦状组织，与焊缝中心的花纹 状组织和黑色带状组织共同组成整个焊缝．而且随着 保温时间进一步延长，峰峦状组织越来越多。黑色带 图4 815℃时不同保温时间下 焊缝区的显微组织 Fig．4 Microstructureofthe jointsbrazedunderdifferent holdingtimeat815℃ 《热加工工艺》2010年第39卷第5期 143 万方数据 金属铸锻焊技术Casting·Forging·Welding 2010年3月 状区却变得越来越宽．而花纹状组织所占焊缝的比例 越来越少。 钎焊时，保温时间不同，焊缝里元素扩散情况也 不同。焊缝中元素变化情况直接影响到接头的连接 情况。为此对焊缝中元素扩散进行分析，图5是815 ℃时不同保温时间下焊缝区域的扫描电镜照片。表 4是焊缝中A、B、CiⅨ域的面扫描分析结果。可看 表4 不同保温时间下各区域EDS结果{质量分数，％) Tab．4EDSanalysisresultsofthezonesbrazedunder differentholdtime【wt％) 保温时 司／rain 15 25 35 45 55 Cu 29．60 36．Ol 43．13 41．56 47．26 A区域 Ag 63．12 55．05 52．4l 51．73 41．23 Hf 7．28 8．94 4．46 6．7l 11．5l Cu 22．42 25．43 18．10 25．13 26．48 B区域 Ag 77．58 74．57 81．90 74．87 73．52 Hf - Cu 92．07 95．99 89．75 89．63 93．62 C区域 Ag 7．93 4．Ol 10．25 10．37 6．38 Hf 元固溶体或含铪金属化合物相。然而，三元固溶体或 金属化合物均会降低焊缝区的导电和导热性能。因 此．应在保证焊缝良好结合强度的同时，尽可能地缩 短保温时间以缩小黑色区。从而提高焊缝区的导电 导热性能。B区域为Ag-Cu共晶组织，随着保温时 间的延长B区域逐渐减少。钎料熔化后．由于浓度 梯度的影响。钎料中Ag与母材Cu之间发生相互扩 散与溶解。随着Cu向钎料中的溶解。靠近母材铜侧 钎料中Cu的浓度逐渐增高．钎料南原来的共晶成 分变成亚共晶成分。固体母材铜与液态钎料达到近 平衡状态。在冷凝过程中，先共品相即铜基同溶体从 钎料中逐渐析出。随着保温时间的延长，钎料与母材 铜之间的扩散充分。液态钎料中铜含量增加．因此在 随后的钎焊冷却过程中将析出更多、更大的先共晶 出：A区域中Ag、Cu、Hf三种元素均存在，并且Hf 元素质量百分比均大于4％．说明随着保温时间的 延长Hf向焊缝中进行了扩散。根据Ag—Hf相图和 Cu．Hf相图嘲。815℃时Hf在Ag、Cu中的饱和固溶 度均小于1％，而根据表4结果。此区域中铪元素的 质量百分比均超过4％，说明了该区域中不可能仅 存在铜或银与铪的二元同溶体组织．有可能存在三 图5 不同保温时间下的 焊缝组织 Fig．5 Microstructureofthe jointsbrazedunderdifferent holdingtime 相。I司时。必然消耗更多的液态钎料，使冷却后获得 的Ag—Cu共晶组织数量减少。从C区域的面扫描分 析结果中可以看出，在这样的保温时间范围内，银的 平均百分含量基本为8％，说明C区域的组织为铜 基固溶体。 3结语 (1)800～900℃的钎焊温度范同内获得的焊 缝组织致密而连续，焊缝区均存在三个不同形貌的 区域：铪侧的黑色区、中间花纹状Ag．Cu共晶区和 铜侧的峰峦状或鹅卵石状铜基固溶体区。随着钎焊 温度升高．焊缝巾峰峦状或鹅卵石状组织越来越大， 黑色区也越来越宽，而中间共晶区则减小。 (2)不同钎焊温度下所得焊接接头在剪切实验 时都断在焊缝处．剪切强度在163-'-183MPa之间，相 差不是很大，说明钎焊温度对接头的性能影响不大。 (3)不同保温时间下所得焊缝组织致密而连 续．焊缝区均存在三个不同形貌的区域：铪侧的黑色 区、中间花纹状Ag—Cu共晶区和铜侧的峰峦状铜基 固溶体区。随着保温时间延长，钎缝中峰峦状组织越 来越大．黑色区也越来越宽，而中间共晶区则减小。 (4)不同的保温时间下焊接接头在剪切实验时 均断在焊缝处，剪切强度在161～(下转第147页) 144 HotWorkingTechnology2010，V01．39，No．5 万方数据 上半月出版 Casting·Forging·Welding|金属铸锻焊技术 图2焊接试板 Fig．2Testplateofwelding 表1焊焊接工艺参数 Tab．1Weldingparameters 电流 电压 焊速 保护 焊接 施焊 焊接 ／A |、 ／(toni·manl)气体 位置 技术 层数 70～1709～lO 314 氩气 水平同定 自动 2层 表2 管板焊接残余应力 Tab．2Weldingresidualstressofthetubesheet 释放应变 应力／MPa 结构形式卜—————T_—————斗—————1————一 ——_三L一．竺一0一生L_j生一未开槽角焊I ．575 ．595 330 340 开槽角焊I ．288 -455 67 169 这表明．开槽对减小焊缝的焊后残余应力有积极的 效果。 4结论 本文通过换热器管板开槽结构与一般结构相比 较．得出以下主要结论：f (1)与油浆蒸汽发生器管子一管板一般连接结 构相比，减应力槽式结构可以改善焊接时散热，有效 降低焊接拘束应力。 (2)开槽加T-T具的精度以及管子与管板的材 质、尺寸等对开槽尺寸有影响，开槽时应综合考虑这 些因素。 (3)通过对开槽和未开槽焊接结构残余应力的 测声．得知开槽角焊的焊接残余应力明显小于未开 槽]翠的焊接残余应力，结构应力水平得到很大改 善．：使产生裂纹的几率大大减少。 参考文献： 【I】 倪承舜．换热管与管板焊接结构的比较和选择【J】．化工装备 技术。2007，28(1)：42确． 黄旭升．换热器管子与管板连接接头技术研究【J】．技术产品 版，2006，(6)：13·15． 丁建华．油浆蒸汽发生器管板开裂原因与控制叨．干燥与 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