钽条闪光对焊工艺参数对其组织性能的影响

张 晓，万庆峰，解永旭，杨文明，刘云峰，郭林波

(1.宁夏东方钽业股份有限公司 钽铌材料分厂，宁夏 石嘴山 753000;2.西北工业大学材料学院，西安 710000)

钽是一种典型的无相变体心立方结构金属，具有高熔点、耐腐蚀、延性好、蒸气压低、导热导电性能良好和化学性质稳定性高等特性，是高新技术领域不可缺少的材料［1－3］，其中钽丝主要应用于电容器阳极引线.随着钽丝生产技术的进步，各厂家都致力于提高生产效率、降低生产成本，以提高产品的市场竞争力.研究者相继提出钽条的无头轧制技术及辊模拉拔技术，这两项技术均需要多根钽条焊接在一起，从而实现轧制过程的连续化，其中难点是大规格钽条的连接问题［4］.钽条焊接传统采用冷焊，由于冷焊设备只适宜焊接Ф3 mm以下的钽条，因此近年来钽条的焊接技术一直是工程界研究的重要课题.

闪光对焊是对接电阻焊的一种，是电加热的塑性焊接.具有加热时间短、热量集中、热影响区小、变形与应力小、操作简单、焊接强度高、致密性好、无假焊、无夹杂、无气孔等诸多优点，在工业生产中得到了广泛的应用［5－7］.

本文研究闪光对焊在钽条焊接中的应用，针对钽条的性能特点，采用不同闪光对焊工艺对其进行焊接，并对其接头的组织和性能进行研究，以期能为钽条在实际中的应用提供技术支持，解决钽条连续拉拔的技术难题.

1 实验

1.1 实验材料

选用Φ32 mm钽条作为原料坯条，按钽丝生产工艺进行轧制，用轧制态4 mm×4 mm的钽条作为对焊材料.

1.2 焊接方法

采取电容储能式预热闪光对焊.焊接工艺流程是轧制→端头预处理→焊接→焊接飞边处理→辊模拉拔.焊接工艺过程由预热、闪光、顶锻、保持、休止等步骤组成，在焊接过程中和冷却过程中采用氩气保护.闪光对焊的示意图如图1所示.

常温下钽在空气中是稳定的，但是加热至300℃以上时开始与氧气、氢气、氮气反应，并生成固溶体［8］.闪光过程中，液体过量爆破时产生的金属蒸气减少了空气向对口间隙的侵入，形成自保护，同时，金属蒸气及抛射的金属液滴被强烈氧化而减少了气体介质中氧的分压，从而降低了对口间隙中气体介质的氧化能力.闪光后期在端面上形成的液体金属层，为顶锻时排除氧化物和过热金属提供了有利条件［9］.但是，在冷却开始阶段钽的温度还处于一个高温阶段，为了防止氧化等现象，焊接过程必须在真空中或惰性气体保护下进行.焊前要去除表面的氧化物及污物.焊后还要进行真空退火来提高接头性能.本试验采用在惰性气体保护下进行焊接.

1.3 焊接工艺

将顶锻力设定为1 000、1 500、2 500和3 000 N，分别对应4种顶锻状态:顶锻力不足、顶锻力适中、顶锻力微过量和顶锻力过量.4种状态下，短路电流均为30 kA.

2 讨论与分析

2.1 探伤

经过超声波探伤检测，所检焊接焊头都未出现未焊透、过烧、裂纹和夹杂等缺陷，符合标准要求.

2.2 钽条焊区金相组织及接头力学性能

钽条焊接接头及热影响区金相组织示意图见图2，其真实组织照片见图3.其中，A、B为熔融区，C、D、E为再结晶区，F为回复区，G为原始组织.可以看出，G区拉拔纤维组织(原始组织)同F区回复金相组织相同，见图3(f).

图2 钽条焊接接头及热影响区金相示意图

闪光对焊是利用电阻热加热对接端面局部接触点，产生闪光，使端面金属熔化，然后迅速施加顶锻力完成焊接的方法［10］.在顶锻阶段，工艺参数只有顶锻初速度和顶锻力.通常认为，顶锻初速度越高越好，但顶锻力必须与顶锻前的电阻热相适应.顶锻力过量将导致焊缝与母材交界区的晶粒破碎，形成组织微裂纹.此外，顶锻力过量也将使长大过程中的晶粒被挤压伸长，而严重伸长变形的晶粒，将导致焊头韧性降低［11］.当然，在电阻热分布合理的条件下，较高的顶锻力能产生更好的接头.多数裂纹是由于顶锻前的电阻热和顶锻力的不匹配造成的.工艺试验结果也证明了这种参数的匹配对形成良好接头具有关键的作用.

闪光对焊的典型缺陷组织有氧化夹渣和晶粒过大两种，它们与工艺参数的不合理均有直接关系.如果闪光对焊焊头有氧化夹渣，将影响焊接接头的拉伸性能.形成氧化夹渣的原因有很多，根本原因是顶锻速度和顶锻力不足，使顶锻前形成的表面氧化膜无法破碎挤出［12］.

前人实验表明，焊缝组织过热、焊接温度过高会造成粗大组织［13］，具有粗大组织的闪光对焊接头其强度下降、脆性增大.本文也对顶锻力1 000、1 500、2 500、3 000 N作用下焊接接头的拉伸力学性能进行了测试，结果见表1.

图3 焊接接头及热影响区组织

表1 焊接接头的力学性能

2.2.1 顶锻力不足

焊接接头的焊缝区有明显的铸态组织，见图3中(a)和(b);热影响区发生再结晶和回复，见图3中(c)、(d)、(e)和(f).焊区铸态组织由于其晶粒粗大，如图3(a)和3(b)所示，凝固时形成枝晶造成成分(尤其是掺杂元素)偏析于枝晶间隙处，从而导致钽条塑韧性下降(见表1).铸态组织导致钽条硬度增大、粗晶粒结构粗大，难以进行后续拉拔加工.

2.2.2 顶锻力适中

焊接时，焊接端面温度急剧升高直至熔融，对焊件施加顶锻力，使熔融端面紧密接触.适中顶锻力的施加将端面上的熔融金属挤压捧挤到焊缝的边缘，使焊缝中几乎不残留铸造组织，形成洁净、紧密的金属结合面.

金相观察发现，焊接接头的焊缝区有少量的铸态组织分布于再结晶组织中，热影响区组织同顶锻力不足时相似，同样发生了再结晶和回复.顶锻力微过量和过量条件下，热影响区组织也发生同样的变化.少量的铸态组织对材料的塑性产生明显影响，使塑性下降，同时材料强度也下降，见表1.

2.2.3 顶锻力微过量

焊接接头的焊缝心部无铸态组织，见图3(g).飞边处有少量的铸态组织，飞边处的铸态组织在后续经多次拉拔及中间退火，不影响钽条拉拔.

焊接顶锻力微过量时，焊缝两侧组织结合紧密.无残留铸态组织.由于顶锻力的微过量作用，熔融状态的液态钽被挤到了钽条表面形成焊接飞边.焊缝两侧的钽则在接近熔点的高温和微过量顶锻力作用下发生了较大的塑性变形，并同时产生动态再结晶，形成再结晶组织［14］.由于钽的导热性好，在微过量顶锻力作用下形成的再结晶组织晶粒较细，没有粗大晶粒，这种细颗粒的再结晶组织有利于细晶粒强化，材料强度和塑性都得到提高，有利于钽条拉拔［15］.

2.2.4 顶锻力过量

焊接接头的焊缝区心部无铸态组织，但是有个别粗大的二次再结晶晶粒.粗大的二次再结晶晶粒会使材料强度和塑性都下降，不利于发挥材料的性能.

2.3 焊接组织形貌及化学杂质分析

2.3.1 焊接组织形貌

采用扫描电镜观察顶锻力适中时的焊接组织形貌，结果如图3(h)～3(j)所示，可以看出焊接熔区组织为明显的树枝晶.虽然焊接热影响时间只有0.25 s，但由于热影响区温度接近钽的熔点，原子热扩散速度非常快，使得在很短的时间发生二次再结晶［16］.发生二次再结晶的晶粒形状是等轴晶粒，金相观察距离熔融区l5 mm的D区再结晶组织同样是等轴晶粒，见图3(c).金相观察距离熔融区25 mm的C区再结晶组织中可见到少量具有带有拉拔织构方向的长条形晶粒，见图3(d).由此可见，热影响区温度高于某一定值时，其长条形晶粒将不会存在，再结晶晶粒此后变成了等轴晶粒.

2.3.2 化学杂质分析

焊头除去飞边后，进行化学杂质分析，结果见表2.从表2可以看出，焊头与母材的化学杂质相当，说明焊接过程中无化学杂质引入，完全满足钽丝生产的要求.

表2 化学杂质分析结果 10-6

2.4 硬度

顶锻力适中时，焊缝及热影响区不同位置的硬度曲线见图4，硬度测量位置见图2中A、B、C、D、E、F、G.分析认为:焊缝区硬度高一方面是由于熔化后的组织晶界面积增加，表面能增大，强度提高;另一方面由于杂质金属原子与钽原子半径不同，产生晶格畸变造成合金强化，合金硬度升高，而热影响区受焊接热作用处于半熔化状态.对焊过程挤走了部分熔融态的钽元素，使得杂质金属元素含量也相对提高，在一定程度上提高了该区域的合金硬度［17］.

图4 焊接接头硬度曲线

2.5 焊接钽条拉拔

轧制后的钽条处理后，按顶锻力不足和微过量两种状态进行惰性气体保护焊接，再去除飞边，然后进行辊模拉拔试验，最终拉至Φ2.5 mm.

本次实验拉拔四道次，顶锻力微过量时2根试样没有断丝，顶锻力不足时2根试样中有l根断丝.由实验结果可以看出，焊接顶锻力的选择非常重要，凡是组织中有铸态组织都会影响钽丝的力学性能.

3 结 论

1)钽条焊接后，焊缝组织受到焊接顶锻力的影响，顶锻力不足时，在焊缝区会留下铸态组织，由此导致钽条和强度塑性极大下降.

2)经过较大拉拔变形后的钽条可以采用惰性气体保护焊接方法将拉丝断头重新焊合，重新焊接后的钽丝能够满足后续拉拔力学性能的要求.

3)焊接工艺参数短路电流 30 kA，顶锻力1 500～2 500 N，焊接热影响时间25 s.

4)根据Bauer［18］进行了闪光对焊接头质量控制的研究，钽条焊接时要特别注意:一是采用惰性气体保护防止氧化;二是焊接顶锻力要适度过量，(以刚好发生再结晶为限)从而获得最佳的金相组织和力学性能.焊接效果最好时，焊接钽条同母材力学性能几乎没有差别.

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