合金元素对铜-钢焊接接头组织及性能的影响

摘要

铜和不锈钢是应用十分广泛的两类金属材料，其复合结构不但能够实现不同生产条件下对材料性能的要求，而且还可以节省铜材的使用，大大降低了复合结构的成本，充分发挥了复合结构在性能与成本上的优势互补，因此具有广阔的应用前景，而电解铜阴极板与导电杆的连接就是其典型应用之一。本文采用钨极氩弧焊（Gas Tungsten Arc Welding,GTAW)方法对T2紫铜与316L不锈钢异种金属进行了薄板对接焊，确定了获得良好焊缝成形的焊接工艺参数范围。通过向焊缝中填充含不同合金元素的铜焊丝研究了不同焊丝中合金元素 Al、Si对铜-钢焊接接头微观组织、力学性能、导电性以及腐蚀性的影响，此外，还研究了退火热处理对铜-钢焊接接头微观组织、拉伸性能、导电性能以及腐蚀性的影响。 采用 S201焊丝进行了 T2紫铜和 316L不锈钢的对接焊，通过大量工艺试验实现了铜-钢异种金属的不开坡口单面焊双面成形，研究了不同工艺参数下（焊接电流、对接间隙、电弧偏距）铜-钢焊接接头的焊缝成形、微观组织形貌、力学性能以及导电性能。结果表明：对接间隙对焊缝成形无明显影响，电弧偏距对焊缝成形影响较大，当电弧偏向铜侧时能获得成形良好的焊缝。随着热输入的增大，电弧搅拌作用增强，焊缝金属中混入的富 Fe相数量增多，而且分布不均匀，铜-钢界面也由平直状转变为锯齿状，但铜-钢接头的拉伸强度并未发生明显变化。 采用 S201、S211和S214 三种铜焊丝对 T2紫铜和 316L不锈钢进行了对接焊。通过 SEM、EDS、XRD等方法分析了铜-钢接头界面的微观形貌及组织，发现加入 Al、Si 元素会对改变焊缝中富 Fe 相的形态及分布产生明显影响。S201焊丝对应接头焊缝中的富 Fe相的形态呈花瓣状，S214焊丝对应接头焊缝中的富Fe相的形态呈细小的树枝晶，而且分布没有规律；而 S211焊丝对应接头焊缝中的富 Fe 相呈球形颗粒状，沿焊缝-钢界面的焊缝中分布，形成了一条明显的富Fe 带。S201 焊丝接头的焊缝组织主要是(γ+ε)的双相固溶体组织，S211和S214焊丝对应接头的焊缝组织为(γ+ε+α)，此外，焊丝中的合金元素 Si、Al与不锈钢中的 Fe分别反应生成了 Fe2Si和 Fe3Al的金属间化合物。 对三种铜焊丝对应的铜-钢焊接接头分别进行了拉伸试验、硬度测量、导电性测量以及电化学腐蚀，结果发现：采用不同焊丝获得的铜-钢接头具有很高的抗拉强度，平均抗拉强度约为 224MPa，达到了铜母材强度的 95%左右，拉伸断口均位于铜侧熔合区；从钢侧到焊缝再到铜侧，接头的显微硬度总体呈下降趋势，焊缝区域显微硬度分布不均匀，这主要是由于焊接过程中不锈钢基体熔化后，在电弧力的剧烈搅拌以及熔池流动作用下混入了焊缝中，熔池快速冷却凝固后析出形成无规律分布的富 Fe相导致的；三种焊丝对应接头的导电性由高到低依次为：S211>S214>S201，与对应焊丝导电性恰好相反，表明加入 Si、Al 均能提高铜-钢接头导电性，原因有两方面：一是 Si、Al与 Fe反应生成了 Fe2Si和 Fe3Al的稳定化合物，降低了固溶元素引起晶格畸变导致的电子散射增加，二是 Si、Al均为铁素体形成元素，会使部分不锈钢基体由奥氏体组织 γFe转变为铁素体组织αFe，晶体类型发生变化，间接减少了固溶体的形成，在一定程度上改善了接头导电性；铜-钢接头在质量分数为 3.5%NaCl溶液中的电化学试验测得了各接头的极化曲线，拟合得出了接头的腐蚀电位和腐蚀电流密度，分析认为 S214接头的耐腐蚀性能最好，S201接头次之，S211接头最差。 对三种铜焊丝对应铜-钢接头分别进行了不同温度下保温 2h的时效处理。通过 EDS分析发现，退火处理后铜-钢接头焊缝中的元素发生了均匀化扩散，焊缝中的过饱和固溶体分解，固溶于 Cu基体中的 Fe元素大量析出形成富 Fe相的细小颗粒，密集分布于焊缝之中，这就使得溶质原子引起的晶格畸变所产生的电子散射减少，一定程度上改善了铜-钢接头的导电性，但退火处理后铜-钢接头的拉伸性能明显下降，这是由退火后接头铜侧受热软化所致，退火后铜-钢接头的腐蚀电位增大，接头发生腐蚀的倾向增大，而接头腐蚀电流密度变小，腐蚀速率变小。

目录

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第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2铜-钢异种金属焊接的研究现状

1.3 本文的研究内容和创新性

第二章 实验方法及材料

2.1实验设备

2.2 实验材料

2.3分析方法

第三章 工艺参数对铜-钢接头组织及性能的影响

3.1 工艺参数对焊缝成形的影响

3.2不同工艺参数下接头力学性能

3.3工艺参数对接头导电性的影响

3.4本章小结

第四章 合金元素对铜-钢接头组织和性能的影响

4.1 焊丝成分对焊缝成形的影响

4.2 不同焊丝下接头的微观分析

4.3铜-钢接头的力学性能

4.4铜-钢接头的导电性能

4.5铜-钢接头的电化学腐蚀性能

4.6本章小结

第五章 热处理对铜-钢接头组织和性能的影响

5.1 退火接头的微观形貌

5.2退火接头的元素分布

5.3 退火接头的力学性能

5.4 退火接头的导电性能

5.5退火接头的电化学腐蚀性

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

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