镀铜与无镀铜环保型气体保护焊用实芯焊丝焊缝金属组织和性能的对比研究

2023-11-21刘宗坤李代君林宇晨张雪峰付逸文张珊珊

中国冶金文摘 2023年6期

刘宗坤　李代君　林宇晨　张雪峰　付逸文　张珊珊

摘要：传统二氧化碳气体保护焊采用镀铜焊丝，在工作的过程中产生大量的铜烟雾，吸入铜烟雾可引起金属烟热，长期吸入可引起肺部纤维组织增生。无镀铜焊丝省去镀铜工序，减少环境污染；焊接时使作业者免受含铜烟雾的损害，是保护环境和人类健康的新产品。本项目采用金相、电子显微技术、机械性能等手段，测试和研究环保型无镀铜气体保护实芯焊丝焊缝金属显微组织转变、合金化、韧化机理分析、机械性能变化，与传统的镀铜焊丝的焊缝金属组织和性能进行对比研究试验。

关键词：无镀铜焊丝；焊缝组织和性能；对比研究

0 引言

绿色制造的环保理念将推动焊接材料的革命，传统的镀铜焊丝在工作对焊接操作人员造成健康损害，且由于铜的存在对焊缝金属造成不良影响。无镀铜焊丝省去镀铜工序，减少环境污染，焊接时使作业者免受含铜烟雾的损害，是保护环境和人类健康的新产品，有良好的推广应用前景［1-2］。本项目测试和研究环保型无镀铜气体保护实芯焊丝焊缝金属组织和性能的变化规律并与传统的镀铜焊丝进行对比研究试验［3-5］。

1 项目的研究内容与目的

本研究的主要内容是：采用金相、电子显微技术、机械性能等手段，测试和研究环保型无镀铜气体保护实芯焊丝焊缝金属显微组织转变、合金化、韧化机理分析、机械性能变化［6-8］。主要包括：

① 对比研究镀铜与无镀铜环保型气体保护实芯焊丝焊缝金属的组织特征及变化规律；

② 对比研究镀铜与无镀铜环保型气体保护实芯焊丝焊缝金属的合金成分分布及变化规律；

③ 对比研究镀铜与无镀铜环保型气体保护实芯焊丝焊缝金属的断口形貌特征；

④ 分析研究镀铜对实芯焊丝焊缝金属组织与性能影响。

通过以上测试与分析，为研制无镀铜环保型气体保护实芯焊丝提供依据和理论基础。

2 试验材料、试验方法与试验设备

2.1 试验主要测试的样品有和分析内容

本实验主要对比观察和研究无镀铜（2#）和镀铜（3#）2类焊缝试样的各种组织、成分与性能的情况。

拉伸断口，及其对应断面的显微组织金相、扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）化学成分、显微硬度等的观察与分析；

冲击断口，及其对应断面的显微组织金相、扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）化学成分、显微硬度等的观察与分析；

2.2 金相和SEM样品制备

初步加工：在砂轮上将样品的毛边和飞刺去除，制成平整的外形。

样品的磨制和抛光：将初步加工后的样品在金相砂纸上由粗到细磨至1800#，然后再用三氧化二铬抛光剂抛光，最后冲洗掉抛光剂。

样品的腐蚀：4％的硝酸酒精溶液。侵蚀后用清水洗净腐蚀液，再将无水酒精洒在样品表面，赶除其余水分。最后，用电吹风将样品吹干，将样品用干净的滤纸包好，放入专门的样品瓶内，以待观察。

2.3 显微硬度测试

试验在上海泰明光学仪器有限公司的HXD-1000TC带图像分析手动转塔显微硬度计上进行，试验力为0.980 N（100 g力）；力保持时间15秒；试验10次算平均值。

2.4 主要研究用设备

1）荷兰FEI公司的Sirion型“场离子发射枪超高分辨扫描电镜（HRSEM）”（点分辨率1.5nm，带EDAX公司的EDS＋EBSD一体化附件）。主要用于材料的显微组织、化学成分、断口等观察和分析。

2）日本Nikon公司Epiphot 300型卧式金相显微镜、Olympus BX51型正立式金相显微镜。主要用于金相组织（宏观50倍－1000倍）的分析、氧化腐蚀物鉴别等。

3）上海泰明光学仪器有限公司HXD-1000TC型带图像分析手动转塔显微硬度计。主要用于材料及焊缝部位在高温服役过程中的显微硬度变化测试。

3 试验结果与分析

3.1 维氏显微硬度（Hv）

3.2 样品之间硬度值差别的解释

1）冲击和拉伸样品的硬度差别可能与取样位置有关，因为多层焊的焊缝区，由于受多次热循环的作用，有的部位晶粒细小，如前几次的焊道，其对应的硬度要高一些；而有些部位晶粒较粗大，如后焊的焊道部分，其对应的硬度要低一些。

2）拉伸变形也会是其硬度提高，这就是为什么拉伸试样的硬度整体高于冲击试样的原因之一。

3）總的来说，无镀铜焊缝的硬度要更均匀一些，这可能与无镀铜时，氧的作用使得熔滴过渡更加均匀，从而造成组织也更加均匀有关。

3.3 拉伸样品的断口和组织特征及分析

实验将拉伸断口样品切割后，一半用于观察断口形貌，另一半磨成金相样品用于观察显微组织。

1）拉伸试样的断口形貌

对比无镀铜（2#）与镀铜（3#）2个焊缝试样的断口形貌，没有差别，均有细小均匀的韧窝组成，如图1、图2、图3所示。韧窝中的细小夹杂物主要由Mn、Si等元素组成（见第2部分分析）。说明焊缝区的韧性较高，微量和细小的夹杂物的存在是正常的，它们对材料的性能并没有坏的影响。

2）拉伸试样的显微组织形貌

对比无镀铜（2#）与镀铜（3#）2个焊缝试样的断口对应的显微组织形貌，也基本没有差别，为柱状晶，且铁素体晶粒较细小，上面有细小的碳化物析出。其中镀铜焊缝中有较大的异常夹杂物，这可能与镀铜层残留在焊接熔池中有关，如图4、图5、图6所示。

3.4 冲击样品的断口和组织特征及分析

由于冲击样品的断口为两半，实验取一半用于观察断口形貌，另一半磨成金相样品用于观察显微组织，它们之间还有密切的对应关系。

1）冲击样品的断口形貌特征

对比无镀铜（2#）与镀铜（3#）2个焊缝试样的断口形貌，没有差别。断口主要有解理面河流花样组成，解理面之间有少量的二次裂纹，且弯曲较多。但该断口的撕裂棱明显，对裂纹扩展有一定阻力韧性较好。如图7和图8。在高倍下可以看到在解理面上存在一些非常小的孔洞，如图9所示。它们可能是气体没有排除而留下来的痕迹，由于其尺寸很小，对性能没有坏的影响，可能还有好的作用，但需要进一步工作的深入研究。总的来说材料具有较好的韧性。

2）冲击试样的显微组织形貌

对比无镀铜（2#）与镀铜（3#）2个焊缝冲击试样的断口对应的显微组织形貌，也基本没有差别，为柱状晶，且铁素体晶粒較细小，上面有细小的碳化物析出和珠光体组织。其中镀铜焊缝中没有看到再拉伸试样中的较大的异常夹杂物，这也说明是偶然产生的，如图10、图11所示。另外，与图9对应的显微组织中也看到了微小气孔，如图12和图13所示。

3.5 焊缝试样的化学成分测试与分析

在无镀铜和镀铜2种拉伸样品断口的韧窝中，均有一些较小的析出物，测量其成分主要有Mn、Si、O、S等元素组成，应该是MnS和SiO2夹杂物，如图14所示。属于正常组织和成分，对焊缝的性能没有影响。

同样测量无镀铜样品（2#）显微组织中夹杂物的化学成分，与断口中的基本一致（图15）。说明夹杂物的类型是一样的。成分定量上面的差别主要来源于测量方法，因为SEM中的能谱测量时，有一个“水滴”扩展效应，即实际测量的范围要大于电子束打在样品表面上的范围，这与X-射线的激发宽度和深度有关（具体原理可以参阅相关文献）。

另外，图16中测量镀铜样品中夹杂物的化学成分，与无镀铜样品有一些差别，也是由于测量误差造成的。根据实际测量经验和公认的标准，它们的成分应该是一样的。即夹杂物的性质是相同的。

4 结论

通过以上对比观察和分析无镀铜与镀铜焊丝所焊接的焊缝断口、显微组织和化学成分，以及显微硬度测量，可以认为两者的差别较小，均具有较高的韧性，无镀铜环保型气体保护实芯焊丝焊缝金属组织和性能指标能满足焊接工艺需求，具备推广使用的价值。

参考文献

［1］王杭安. 无镀铜MAG焊丝的应用现状及发展趋势［J］. 机械工人（热加工）， 2003（08）：19-30.

［2］陈邦固，谢晋平，金立鸿. 环保型非镀铜实芯焊丝的特点及应用前景［J］. 机械工人（热加工），2003（05）：26-28.

［3］贾军，王炜. 环保型无镀铜CO2气体保护焊实心焊丝的生产及应用［J］. 电焊机，2011，41（02）：27-31.

［4］韩振仙，孙远方，王晨阳. CO2焊用无镀铜实芯焊丝的工艺性能研究［J］. 金属加工（热加工），2012（14）：65-66.

［5］李欣雨. 环保型无镀铜实芯焊丝的研制［D］. 重庆：重庆大学， 2009.

［6］张文钺. 焊接冶金学（基本原理）［M］. 北京：机械工业出版社，2012.

［7］邱葭菲，蔡郴英. 金属熔焊原理［M］. 北京：高等教育出版社，2009.

［8］温家伶，王强，陈明清，等. 自保护药芯焊丝研究的现状［J］. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2002（06）：733-736.