康元芬，郭世貴，陳健雄，徐興松

(自貢硬質合金有限責任公司，四川 成都 610100)

0 前 言

在鎢鉬深加工行業(yè)中，提高鎢鉬絲單重可以有效提高勞動生產效率和原材料成材率，小單重鎢鉬材料進行焊接已成為最快捷、最經濟的常見措施。 Wadswortha J等[1]研究了TIG(鎢極氬弧焊)焊接真空電弧熔煉鍛造態(tài)2.5 mm厚TZM 板焊接接頭的組織和力學性能，發(fā)現焊接接頭附近纖維狀組織消失，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)有明顯的分界，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的組織為明顯的再結晶態(tài)，熱影響區(qū)的顯微硬度高于焊縫區(qū)，且斷裂起始于焊縫，斷裂模式為沿晶和解理混合斷。羅昌森等[2]研究了摻Si-Al-Kφ2.0 mm鉬絲的電阻焊焊縫組織，發(fā)現最好的組織狀態(tài)為無明顯的鑄態(tài)和剛發(fā)生再結晶態(tài)。陳健雄[3]介紹了電阻焊焊接細純鉬桿的焊縫組織狀態(tài)為無明顯鑄態(tài)組織，焊點抗拉強度可達到基材80%，可保證后續(xù)拉絲要求。卜春陽等[4]研究了電阻焊焊接φ5.8 mm粗鉬桿的焊縫組織，發(fā)現大部分為趨向于等軸的再結晶態(tài)，焊點強度為基體的50%左右，且后續(xù)加工良好。

關于采用國產鎢鉬對焊機對鉬鑭合金桿焊接質量的研究鮮有報道，但在實際生產過程中開展該方面的研究工作意義較大。本文對鉬鑭合金桿焊接接頭的形狀、金相組織、抗拉強度、硬度等主要特性進行了重點研究，為從事鎢鉬材料焊接方面的科技工作者提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗設備

在實際生產過程中，不同類型的鎢鉬對焊機對焊接接頭質量的影響較大，本文試驗設備采用深圳市駿騰發(fā)自動焊接裝備有限公司生產的多功能鎢鉬對焊機，設備主要參數：電源(3P380 V、50/60 Hz、100 KVA)、電容柜最大容量1 400 000 Uf、最大充電電壓450 V、焊接變壓器次調節(jié)級數3、額定負載持續(xù)率20%、焊接額定截面積27～64 mm2，圖1為多功能鎢鉬對焊機工作示意圖[5]。

圖1 多功能鎢鉬對焊機工作示意圖

1.2 試驗材料及方法

試驗采用的材料為軋制態(tài)鉬鑭合金桿，合金桿的橫截面為正六方形，內切圓直徑為7.0 mm。軋制態(tài)鉬鑭合金桿為直徑25 mm、單重約4 kg的粉末冶金燒結棒經12臺三輥Y型機架連軋而成的六方型終軋桿,其化學成分如表1所示。

表1 試驗材料的化學成分 %(質量分數)

對加工工藝進行了嚴格的控制，試驗所用鉬鑭合金桿全部取自同根軋制態(tài)鉬鑭合金桿，可以確保鉬鑭合金桿性能穩(wěn)定性良好。通過調節(jié)焊接工藝參數，對焊接接頭形狀進行了有效控制。本文以焊接接頭為中心切取適當長度的試樣，制成標準長度的拉伸試樣，通過對標準試樣的抗拉強度、焊接接頭形狀、焊接接頭部位的金相組織形貌及硬度等特性進行研究分析，評判鉬鑭合金桿的焊接質量情況。

采用線切割加工方法沿縱向中截面對焊接接頭部位制備金相試樣。金相腐蝕液體采用10%的鐵氰化鉀溶液和10%的氫氧化鈉溶液1∶1混合，采用型號為SAMSUNG-SDS415的光學顯微鏡對基體、焊接接頭及附近區(qū)域微觀組織進行觀察。

2 試驗內容及結果分析

2.1 焊接接頭形狀與焊接接頭抗拉強度之間的關系

從圖1可知，焊接參數主要包含了預熱功率、預熱時間、充電電壓、鍛壓力、沖程、電極之間的距離(電極2與電極4之間的距離)等，通過調節(jié)各參數可以有效控制焊接接頭的形狀，在工業(yè)化連續(xù)生產中，以固定不變的焊接參數控制焊接接頭質量的方法不是很理想，因為隨著焊接數量不斷增大，原料、焊接電極、電阻對焊機設備、儲電電容等狀態(tài)很難穩(wěn)定在原始狀態(tài)，因此，通過固定對焊機一部分參數，在適宜的范圍內有效調節(jié)關鍵焊接參數(通過前期研究[5]發(fā)現對焊接接頭形狀影響較大的關鍵參數為電極之間的距離、鍛壓力和沖程)，以焊接接頭形狀為最終控制標準的方法更加可靠，表2例舉了其形狀與抗拉強度的關系。

由表2可見：外徑為10.5～14 mm左右的焊接接頭平均抗拉強度為124 MPa，大約為基體抗拉強度的18%，在拉伸試驗中全部為焊縫處斷裂，觀察斷裂部位可以發(fā)現焊接部位只有較少的連接，造成該現象的主要原因為沖程或鍛壓力過小，造成焊接桿料兩端面組織未能充分熔合并在合適的鍛壓力作用下進行有效塑性變形，因此焊接接頭表現為虛焊狀態(tài)，在實際生產過程中，用較小的力度敲擊或者在去飛邊過程中稍微用力就可發(fā)生斷裂。因此在焊接過程中應避免焊接接頭形狀過小，通過調節(jié)鍛壓力和沖程等關鍵參數，有效控制焊接接頭的形狀尺寸。

表2 焊接接頭形狀與抗拉強度之間的關系

外徑為17～18.5 mm左右的焊接接頭平均抗拉強度為272 MPa，大約為基體抗拉強度的40%，在拉伸試驗中焊接接頭處易斷，宏觀上焊接接頭處存在較多深入到根部的裂口，焊接接頭抗拉強度波動幅度較大，通過降低鍛壓力和沖程可明顯減少該現象，主要原因可能為焊接熔合金屬在鍛壓力和沖程綜合作用下變形失穩(wěn)產生較多裂紋。

外徑為19～23 mm左右的焊接接頭形狀大，桿料焊接端頭處熔合金屬幾乎全被擠出，抗拉強度為基體的20%左右，拉伸試樣主要在焊縫處或焊接接頭根部斷裂，焊縫及其根部強度低，采用機械敲擊容易斷裂。

外徑為14.5～16.5 mm左右的焊接接頭抗拉強度較穩(wěn)定，而且形狀穩(wěn)定性高，抗拉強度可達基體強度的57%～70%，適合工業(yè)化生產的需要。

2.2 焊接接頭的金相組織及硬度分析

為了更深入了解抗拉強度穩(wěn)定可靠的焊接接頭內部組織狀態(tài)，對B類焊接接頭縱向及橫向都進行了金相分析。圖2為焊接接頭縱向焊縫(a)、距焊縫約3 mm(b)、基體組織與熱影響區(qū)組織分界處(c)的金相組織照片，從圖2(a)可以看出焊縫處的組織方向與圖2(b)、圖2(c)的組織方向近似垂直成90°，說明在對焊機縱向方向的瞬間鍛壓力作用下，焊縫處的組織被劇烈擠壓，組織呈縱向壓扁縮短、橫向延伸拉長，沿縱向呈長條狀的基體纖維狀組織完全消失，大部分組織呈橫向長，縱向短的擠扁狀態(tài)，同時也存在較多的細小等軸晶組織。焊縫處呈再結晶態(tài)說明所焊鉬桿兩端面經歷瞬間高溫，兩端面的組織進行了熔合過程，再經過對焊機的瞬間鍛壓力作用，兩端面組織在再結晶溫度以上發(fā)生了動態(tài)再結晶，因此出現較多的細小等軸晶組織，未發(fā)現焊縫處組織有未焊透、孔洞、夾雜物、氣孔、裂紋等缺陷。

圖2 焊接接頭部位縱向金相組織(箭頭方向為縱向)

有觀點表示焊接部位趨向于等軸晶狀態(tài)為良好，本文發(fā)現焊縫處可以達到該狀態(tài)，但在距離焊縫7 mm內的熱影響區(qū)很難達到該狀態(tài)，對A、B、C、D類焊接接頭各區(qū)域都進行了金相組織觀察，發(fā)現無論哪類焊接接頭，熱影響區(qū)的金相組織都為完全再結晶組織，C、D類熱影響區(qū)的異常長大的再結晶組織更明顯，這也是C、D類焊接接頭為什么容易在焊接接頭附件出現斷的根本原因。圖2(b)為B類焊接接頭根部組織狀態(tài)，可以發(fā)現該位置的組織狀態(tài)與焊縫處的組織狀態(tài)差異大，組織沿縱向都已經發(fā)生了再結晶長大狀態(tài)，在近焊縫端組織向焊疤方向彎曲，說明對焊機的瞬時鍛壓力對熱影響區(qū)近焊縫端組織有一定擠壓力，該部分組織發(fā)生了部分塑性變形，因此鍛壓力不能超過該部分組織的變形抗力，鍛壓力過大焊接接頭就會出現深入到根部的裂紋，同時該部分組織的位移也不能超過材料在該溫度下的最大延伸量，也再次說明對焊機的鍛壓力和沖程為兩個非常重要的關鍵參數。

圖2(c)為B類焊接接頭距焊縫約7 mm處的組織狀態(tài)，能明顯發(fā)現該位置為基體纖維狀組織與熱影響區(qū)的長條狀再結晶組織的交界處，可以發(fā)現熱影響區(qū)的組織都為再結晶狀態(tài)，因為桿料端面焊接溫度都達到了材料的熔點溫度，而摻鑭鉬的再結晶溫度不超過1 650 ℃，因此離焊縫越近組織的再結晶長大程度越大，為了保證焊縫根部組織不會因組織過燒而發(fā)脆先斷，對焊機的輸出能量也至關重要。

圖3為焊接接頭橫截面金相組織，其中圖3(a)為焊縫處橫截面金相組織，可發(fā)現大部分組織為再結晶長大狀態(tài)，部分為等軸的細小動態(tài)再結晶組織，未發(fā)現組織有未焊透、孔洞、夾雜物、氣孔、裂紋等缺陷，這與圖2(a)組織能很好對應起來。圖3(b)為距焊縫3 mm處橫截面金相組織，可發(fā)現該位置大部分組織為長大的再結晶長大狀態(tài)，也有較少部分為等軸的再結晶細小組織，與焊縫處金相組織相比，該位置再結晶程度偏大，從圖3(c)可知距焊縫約7mm處的橫截面金相組織未見明顯的再結晶長大組織，趨向于基體狀態(tài)。

圖3 焊接接頭橫截面金相組織

運用HRS-150型數顯洛氏硬度計對焊接接頭進行硬度檢測，如圖4所示。由圖4可知：焊接接頭沿縱向距焊縫不同距離位置的HRB硬度，發(fā)現焊縫處的硬度最低，熱影響區(qū)的硬度相差不大，距焊縫8 mm左右的硬度已經接近基體硬度，這些數據再次說明內部組織狀態(tài)發(fā)生變化也直接影響到材料的硬度，對焊縫從上到下進行硬度檢測，發(fā)現硬度比較穩(wěn)定，基本無差異，說明焊縫組織均勻性較好。

圖4 距焊縫不同距離位置的HRB硬度

綜上可知，影響焊接接頭質量的主要控制難點為焊縫的組織狀態(tài)及焊縫根部的組織狀態(tài)，焊縫處大部分組織呈橫向長，縱向短的擠扁狀態(tài)，同時也存在較多的細小等軸晶組織，焊縫根部組織呈再結晶但未過燒狀態(tài)時為較好狀態(tài)；同時影響焊接質量的關鍵參數為焊接能量參數、鍛壓力及沖程參數，B類焊疤所對應的主要參數為：焊接能量參數預熱功率65%～73%、預熱時間28～33 ms、鍛壓力0.28～0.4 MPa、沖程8.5～12 mm。

3 結 論

(1)影響焊接接頭質量的主要控制難點為焊縫的組織狀態(tài)及焊縫根部的組織狀態(tài)，焊縫處大部分組織呈橫向長，縱向短的擠扁狀態(tài)，同時也存在較多的細小等軸晶組織，焊縫根部組織呈再結晶但未過燒狀態(tài)時為較好狀態(tài)。

(2)對焊機中的焊接能量、鍛壓力、沖程為影響焊接接頭質量的關鍵因素。