1、金属铸锻焊技术：“lCastmgForgingWelding 2008年1月钢与铜合金超塑焊接接头形成过程分析韩彩霞(威海职业(技术)学院机电工程系，山东威海264210)摘要：基于40Cr待焊面表层实施激光淬火组织超细化处理后，与QCrO5异材实施恒温超塑性固态焊接可行性分析的基础上，探讨了恒温超塑性固态焊接的接头形成过程。试验结果表明：在40Cr与QCr05超塑性固态焊接的过程中，硬度较低的QCrO5首先在硬度较高的40Cr焊接面凸起处粘结，同时发生元素扩散，随焊接过程的进行，粘结物逐渐增多，元素扩散加剧，最终实现异材的超塑性固态连接。关键词：钢；铬青铜；固态焊接；接头；粘结物中图分类号：
2、TG453 文献标识码：A 文章编号：10013814(2008)01003602Analysis on Forming Process of Superplastie Welding Joint of Steeland Copper AlloyHAN Caixia(Department of Electromechanwal Engineering,Weihai Vocational College，Weihai 264200，China)Abstract：Based on analysis of the probability for isothermal superplastic sol
3、idstate welding of different basemetals of 40Cr and QCrO5，the structure ultrafine treatment of the welding surface of 40Cr could be made by lasersurface quenching，and the forming process of the joints of isothermal superplastic solidstate welding was exploredThe experimental results indicate that,in
4、 the course of superplastic solidstate welding of40Cr and QCr05，QCrO5 withlower hardness sticks firstly at welding surfaceS projecting of40Cr with higher harness，and the element diffusions OCCIII“in the meantimeAlong with the welding process，sticking substances increase gradually and elements diffus
5、ing becomefastSuperplastic solidstate welding of different materials is implemented finallyKey words：steel；chrome bronze；solid-state welding；welding joints；ticking substance钢与铜合金的复合构件能在性能与经济上优势互补而具有良好的应用前景。但由于二者在熔点等方面的较大差异，采用一般的熔焊方法难以获得良好的焊接接头【1。目前，二者的焊接多采用真空扩散焊连接2-31。恒温超塑性固态焊接作为一种新的材料固态连接技术，具有工艺简单、
6、成本低和能实现性能迥异的材料固态连接等优点，已成为近年来固态焊接非常活跃的研究领域。本文基于40Cr待焊面表层实施激光淬火组织超细化处理后，与QCrO5异材实施恒温超塑性固态焊接可行性分析的基础上，探讨了恒温超塑性固态焊接的接头形成过程，为工业应用提供试验依据。l试验方法试验采用热挤态铬青铜QCr05和热轧退火收稿日期：20071025基金项目：甘肃工业大学省部共建有色金属新材料国家重点实验室基金20031、华中科技大学激光技术国家重点实验室开放基金(2001】0110)、河南省教育厅自然科学基金f200343021 1)资助项目作者简介：韩彩霞(1971一)，女，河南新安人，讲师，硕士；电话
7、：13792704056；Email：han caixia163tom态40Cr钢，将其加工成咖15mmx25mm试样。用CW C02激光器对40Cr待焊面进行激光淬火预处理；因QCr05本身具有超塑性14一，无需进行预处理。将预处理后的40Cr与QCr05试样端面磨光并清洗，对接后置于WJ一10A万能试验机上用3 kW电阻炉加热，由可编程温控仪SHIMDENSR73控温。加热至超塑变形温度(750)，并在超塑应变速率下(睁25x104s1)经短时(t)压接(焊接)后卸载空冷。将焊后试样加工成咖5 mmx25 mnq拉伸试样。在S瑚黼zUAGI型万能电子拉伸试验机上进行接头抗拉强度试验；对焊接
8、面断El 40Cr侧与QCr05侧进行观察和成分分析。2试验结果与分析经t=0 s、60 S、120 S短时压接后所得试样的抗拉强度分别为：154 MPa、234 MPa、25l MPa，均断在界面处。 图l为焊后拉伸试样断在界面处的断口SEM照片。可见。40Cr侧断口主要由焊合区和未焊合区组成(In图las)。焊合区为沿QCr05原加工痕迹(磨痕)凸起处的白亮区(A区)，未焊合区为Hot Working Technology 2008，V0137，No1万方数据上半月出版 CastingForgingWelding金属铸锻焊技术图1焊后试样拉伸断口SEM照片(0-商66MPa，t庐75min
9、)Fig1 The SEM photographs of sample tensile丘actIlre after welding(0“0=566 MPa，to=75 min)暗区(B区)。对40Cr侧断口A区能谱分析(图2)表明，其主要成分是铜，表明界面处已发生了QCrO5与40Cr的局部连接。在未焊合区(B区)，可观察到原40Cr表面磨痕。厶U( uC11Fe巍 旦上。 盍0 2 4 6 8 10 12Ek图2图1 a3中A区成分分析Fig2 The composition analysis ofA region in picture la3由图lal、b，、c，可见，QCr05侧断口也有
10、焊合区和未焊合区组成。焊合区为图la，、b。中颜色较亮区，该区有明显的韧性断裂特征；未焊合区为图la。、b，中颜色较深的类似直线状的暗区，该区不具有韧性断裂特征。由于QCr05的塑性、超塑性变形首先对应于该侧待焊表面原加工痕迹(磨痕)的凸起处，于是，该处的QCrO5就首先与40Cr发生连接，为焊合区。而相对凹处的QCr05由于还未发生塑性变形，表现出直线状的凹坑，为未焊合区。3焊接接头形成过程QCrO5侧：当焊接时间t-O S时(图1a。)，未焊合区(图中暗区)的凹坑深而宽，且呈连续分布。焊合区域较少。当t=60 S时(图lbl)，未焊合区(图中暗区)的凹坑深度变浅、宽度明显变小。由图1c，可
11、见，当t=120 S时，QCrO5侧未焊合区(凹坑)消失、形成较均匀的韧窝，这时基本上实现了整个接头的冶金连接。40Cr侧：40Cr侧的变形如图la2、b2、C2、a3、b3,c3(其中图1a3、b3、C3为高倍SEM照片)。由图1 a2可见：当t-0 S时，40Cr侧未发生明显塑性变形。当t=60 s,120 S时，40Cr上磨痕深度减小，间距增大(见图1b3、c3)。当t=60 S时，白亮层呈块状分布(如图lb2所示)；当t=120 S时，QCrO5呈较连续的大片状连接到40Cr上(如图lc2所示)。此时QCrO5与40Cr发生比较完全的冶金结合。40CrQCrO5焊后接头区显微组织如图3
12、所示，可见，在超(下转第41页)热加工工艺2008年第37卷第1期 37万方数据上半月出版 CastingForgingWelding l金属铸锻焊技术形成较大的压力挤压刚塑性迁移区的金属刚塑性迁移区的金属受焊缝底部的高压区与焊缝中上部的低压区的压力差作用，向上迁移，并汇集于低压区，焊缝塑性金属就是在密闭箱体内完成抽吸一挤压过程。如果瞬时空腔填充不及时就会形成缺陷。图4(b)为右旋螺纹搅拌针作用下的焊缝塑性金属的抽吸一挤压物理模型。与图4(a)不同的是垂直于螺纹表面的压力P是斜向上的，厂和P的合力方向为斜向上，因此在搅拌针的旋转过程中，不断抽吸焊缝底部的材料向上迁移，并在焊缝底部形成一个瞬时低
13、压区；向上抽吸的金属材料积聚于轴肩下方，轴肩阻止塑性材料继续向上迁移，聚集的材料在轴肩下方产生很大的压力，并开始挤压四周的材料向下迁移，并汇集于瞬时低压区，如果低压区不能被及时填充就会形成缺陷。3 结论f1)搅拌针上螺纹的旋向决定了焊缝塑性金属在厚度方向上的迁移方向，左旋螺纹的搅拌针驱使其周围的材料向下迁移，向下迁移的材料不断积累并受到垫板的阻碍作用，迫使塑性材料挤压外围的材料向上迁移。右旋螺纹的搅拌针作用方式则相反。(2)搅拌针上的螺距越大，有利于标示材料在焊缝厚度方向上的迁移，洋葱环的直径也增大；但螺距过大时，容易使底部材料的包铝层卷入焊缝中。(3)建立的抽吸一挤压物理模型能很好的解释塑性
14、金属在焊缝厚度方向上的迁移方式。参考文献：1 Collligan KMaterial flow behavior during friction stirwelding of aluminumJWelding joumal，1999，7(2)：2292372】 Guerra M，Schmidt C，McClure J C，et a1Flow patternsduring friction stir welding【J】Materials Characterization，2002，49(2)：951013】 Nunes A C Jr，Bemstrein E LA Rotation Plug M
15、odel forFriction Stir WeldingAThe 81st American Welding SocietyAnnual ConventionC2000【4】Seidel T U，Reynolds A PVisualization of the material flowin AA2195 frictionstir welds using a marl(er insert techniqueMetallurgical and Materials Transaction AJ】PhysicalMetallurgyandMatedals Science，2001，32(11)：2
16、8792884【5】柯黎明，邢丽，黄奉安搅拌摩擦焊接头形成过程的二维观察与分析【J】焊接学报，2005，26(3)：l_46】韩晓辉，王希靖铝合金搅拌摩擦焊三维模拟流场水平流动状况分析【J】电焊机，2006，26(3)：5254田(上接第35页)效果。(3)焊接电流为160A、焊接速度为50mmmin、间歇交变磁场电流为3 A、间歇交变磁场频率为10 Hz，间歇交变磁场占空比为60时，堆焊层金属性能达到最佳值。参考文献：【1】张忠典，李冬青，尹孝辉，等外加磁场对焊接过程的影响【J】J焊接，2002，(3)：76822】刘政军，刘景铎，牟力军，等磁场强度对重熔层耐磨性的影响J】焊接学报，2001
17、，22(5)：7375【3】应小午，李午申，冯灵芝电磁搅拌对超高硬度堆焊层组织和性能的影响J焊接，2004，(3)：2023田(上接第37页)塑压接条件下，界面结合良好，无焊接缺陷图3 t=180s时40CrQCrO5接头区显微组织Fig3 The microstructure of40CrQCr05 jointregion when t=180s5 结论在40C r与QCr05超塑性固态焊接的过程中，硬度较低的QCrO5首先在硬度较高的40C r焊接面凸起处粘结，同时发生元素扩散，随焊接过程的进行，粘结物逐渐增多，元素扩散加剧，最终实现异材的超塑性固态连接。参考文献：1韩彩霞，张柯柯，杨蕴林
18、，等钢与铜及铜合金的焊接研究现状J】热加工工艺，2003，(6)：1416 2王希琳，王贞炳，陈志华，等铜与45钢扩散接合的研究【J】热加工工艺，1993，(4)：3436r3】 Maeham Y，Komizo Y，Langdon T GPrinciples ofsuperplastic diffusion bonding【JMaterials Science andTechnology，1988，14(4)：6696744】韩彩霞，张柯柯，杨蕴林，等40Cr与QCr05的恒温超塑性固态焊接【J】河南科技大学学报，2003，(4)：1416【5】杨蕴林，马峰，王长生，等基于铬青铜超塑变形的铬青
19、铜钨合金固态焊接J】焊接学报，2001，22(2)：1518喇热加工工艺2008年第37卷第1期 41万方数据钢与铜合金超塑焊接接头形成过程分析作者： 韩彩霞， HAN Caixia作者单位： 威海职业(技术)学院机电工程系,山东,威海,264210刊名： 热加工工艺英文刊名： HOT WORKING TECHNOLOGY年，卷(期)： 2008，37(1)被引用次数： 0次参考文献(5条)1.韩彩霞.张柯柯.杨蕴林 钢与铜及铜合金的焊接研究现状期刊论文-热加工工艺 2003(06)2.王希琳.王贞炳.陈志华 铜与45钢扩散接合的研究期刊论文-热加工工艺 1993(04)3.Maehara Y
20、.Komizo Y.Langdon T G Principles of superplastic diffusion bonding 1988(04)4.韩彩霞.张柯柯.杨蕴林 40Cr与QCr0.5的恒温超塑性固态焊接期刊论文-河南科技大学学报(社会科学版)2003(04)5.杨蕴林.马峰.王长生 基于铬青铜超塑变形的铬青铜/钨合金固态焊接期刊论文-焊接学报 2001(02)相似文献(10条)1.会议论文 张秉刚.何景山.吴林.冯吉才 铬青铜与双相不锈钢偏钢电子束焊接头组织及相构成 2005本文对QCr0.8与1Cr21Ni5Ti异种材料对接接头进行了钢侧偏束电子束焊接试验.采用光学金相、电
21、子探针、能谱分析和X衍射相分析方法对接头组织结构、成分分布及相组成进行了研究.研究结果表明,偏钢焊缝组织大部分为+支晶相,且相的含量要高于相,只在焊缝顶部偏铜侧形成了少量的Cu(ss.Fe)相组织,无脆性相生成;偏钢量hs直接影响接头区的组织结构和熔接状况,hs较小时有少量的QCr0.8金属熔入到焊缝中,焊缝与QCr0.8基体的组织和成分差异较大;随hs的增加,虽接头组织均匀化程度有所提高,但由于不均衡热输入及铬青铜的快速热传导性,导致铜侧母材的熔合状况不良.hs的小范围增加即可导致QCr0.8母材的基本不熔化,形成局部焊合或未焊合的接头.2.期刊论文 张秉刚.何景山.吴林.冯吉才.ZHANG
22、 Bing-gang.HE Jing-shan.WU Lin.FENG Ji-cai 铬青铜与双相不锈钢偏钢电子束焊接头组织及相构成 -焊接学报2005,26(11)对QCr0.8与1Cr21Ni5Ti异种材料对接接头进行了钢侧偏束电子束焊接试验.采用光学金相、电子探针、能谱分析和X射线衍射相分析方法对接头组织结构、成分分布及相组成进行了研究.研究结果表明,偏钢焊缝组织大部分为+支晶相,且相的含量要高于相,只在焊缝顶部偏铜侧形成了少量的Cu(ss.Fe)相组织,无脆性相生成;偏钢量hs直接影响接头区的组织结构和熔接状况,hs较小时有少量的QCr0.8金属熔入到焊缝中,焊缝与QCr0.8基体的组
23、织和成分差异较大;随hs的增加,虽接头组织均匀化程度有所提高,但由于不均衡热输入及铬青铜的快速热传导性,导致铜侧母材的熔合状况不良.hs的小范围增加即可导致QCr0.8母材的基本不熔化,形成局部焊合或未焊合的接头.3.学位论文 张权明 铬青铜不锈钢异种材料扩散焊接行为研究 2005为解决液氧/煤油高压补燃液体火箭发动机燃烧室及收扩段部分扩散焊缝的强度问题，确定合理的扩散镀层结构和厚度，摸索出较佳的扩散焊接工艺参数，生产出满足推力室技术状态要求的合格产品，本论文开展铬青铜不锈钢异种材料扩散焊接行为研究。根据燃烧室的结构特点，设计了模盒试验件，对不同厚度的镀层在不同扩散焊接条件(焊接温度和时间)下
24、的焊接试验件进行了分析研究。论文分别研究了宏观爆破压力和微观组织结构对试验件焊接质量产生的影响；计算了铁和银元素在铬青铜合金内的扩散系数；对扩散过程发生的冶金结合机理和元素的扩散形式进行了探讨。结果表明，当银、铜镀层厚度为10m，焊接参数选择为950保温15分钟时足以形成充分的扩散层，产生的脆性相相对较少，扩散焊缝强度可以达到与铬青铜母材相当的强度，焊接试验件的爆破压力结果可以达到发动机的实际使用要求，该工艺参数可以应用到燃烧室产品的研制生产中。4.期刊论文 陈安民.CHEN Anmin 钢与铜合金超塑焊接接头形成过程物理模型 -热加工工艺2010,39(3)基于40Cr待焊面表层实施激光淬火
25、组织超细化处理后,与QCr0.5异材实施恒温超塑性固态焊接可行性分析与接头形成过程分析,探讨了恒温超塑性固态焊接接头形成的物理模型.试验结果表明:焊接接头形成过程大致为:接合面紧密接触界面处QCr0.5首先发生常规塑性变形、超塑性变形等氧化膜破碎新界面贴紧QCr0.5磨痕凸起处与40cr发生连接连接面积逐渐增大界面两侧原子发生互扩散形成界面冶金结合区、原界面消失.5.会议论文 王俊秀 过硫酸铵银盐硫酸亚铁铵滴定法测定铬青铜中铬 2009本文研究了铬青铜中铬的测定方法及测定铬的最佳条件。铬青铜样品用稀硝酸溶解再加入硫磷混酸加热冒烟使金属铬完全溶解后，在催化剂硝酸银存在下，用过硫酸铵作为氧化剂将C
26、r3+氧化至Cr6+。以N-苯代邻氨基苯甲酸为指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定高价铬，从而计算试样中的含铬量。并对分析方法的理论进行了探讨。6.会议论文 张柯柯.韩彩霞.权淑丽.满华.杨蕴林 基于钢表面激光淬火的40Cr/QCr0.5恒温超塑性焊接 2005基于对40Cr钢表面激光淬火后与铜合金QCr0.5恒温超塑性焊接可行性的分析,在非真空、无保护气氛下,进行了40Cr/ QCr0.5的焊接工艺试验.试验结果表明,40Cr钢待焊面经激光淬火预处理后与铜合金QCr0.5在预压应力56.684.9MPa、焊接温度750800、初始应变速率(2.57.5)10S的条件下,经120180s短时压接,
27、可实现固态焊接,接头强度可达QCr0.5母材强度,胀大率不超过6.焊接过程中QCr0.5发生了超塑性流变,40Cr变形甚微.7.期刊论文 张秉刚.冯吉才.吴林.李宏伟.杨卫鹏.朱春玲.ZHANG Bing-gang.FENG Ji-cai.WU lin.LI Hong-wei.YANG Wei-peng.ZHU Chun-ling 铬青铜与双相不锈钢电子束熔钎焊接头形成机制 -焊接学报2005,26(2)采用光学金相、能谱分析及电子探针元素分析方法对QCr0.8/1Cr21Ni5Ti电子束熔钎焊接接头的组织结构进行了研究.研究结果表明,铬青铜与双相不锈钢电子束熔钎焊接头的焊缝组织为宏观均匀的F
28、e在Cu中的过饱和固溶体相,熔钎界面上部形成了与焊缝及钢侧母材连结良好的一薄的+相熔合过渡层,下部为钎合面.给出了铜钢异种材料电子束熔钎接头形成的结构和热作用条件,并基于组织结构分析和电子束焊接的特点,建立了QCr0.8/1Cr21Ni5Ti电子束熔钎焊接接头形成的物理模型,探讨了其形成机制.分析认为,QCr0.8/1Cr21Ni5Ti电子束熔钎焊接头组织结构的形成是由匙孔形熔池形成阶段、熔合过渡层形成阶段、钎缝形成阶段及最终组织形成阶段组成.8.学位论文 张秉刚 QCr0.8/1Cr21Ni5Ti异种材料电子束自熔钎焊工艺及其机理研究 2005本文针对铬青铜(QCr0.8)与双相不锈钢(1C
29、r21Ni5Ti)薄板对接件进行了异种材料电子束焊接工艺研究.采用常规电子束对中焊接方法对QCr0.8/1Cr21Ni5Ti对接接头进行了电子束焊接性试验,研究了焊接参数对QCr0.8/1Cr21Ni5Ti对接焊缝表面成形、接头组织结构及力学性能的影响.为改善接头两侧异种材料的传热和熔化不均,控制接头组织,寻求适宜的熔接接头形式,提出了电子束非对中偏束熔接工艺.通过对电子束偏束熔接工艺方法所获得的偏钢焊接接头和偏铜焊接接头的组织结构及性能研究表明,偏钢焊时接头组织主要为+相,组织宏观不均虽有所改善,但接头力学性能对偏钢量的变化敏感,随电子束偏钢量的增大铜合金的熔合比急剧下降,铬青铜母材参与熔接
30、状况不断恶化,接头强度低于电子束对中焊时的接头强度.采用电子束偏铜焊接,当偏铜量在某一数值范围内,形成了具有熔合过渡层和钎合面复合界面结构的自熔钎焊接头.该接头的最高强度可达330MPa,已可满足实际应用要求.由此,本文提出了有别于传统熔焊-钎焊的电子束自熔钎焊方法,指出一侧母材作为钎料熔化和复合结构的熔钎界面是自熔钎焊方法的最大特点,并分析了异种材料自熔钎接的形成条件.本文研究了电子束自熔钎焊接头的形成机理.在电子束偏束熔接接头组织结构研究的基础上,根据QCr0.8与1Cr21Ni5Ti主要组元的物化性能及结晶反应特点,结合Fe-Cu相图及焊接冶金基础理论对偏铜电子束焊接接头形成的动态过程进
31、行了分析,并建立了QCr0.8/1Cr21Ni5Ti电子束自熔钎焊接头演变模型.从理论分析角度,对异种材料电子束输入能量控制进行了探索性研究.提出了四种基本的电子束能量控制途径:脉冲能量控制、多焦点多束控制、扫描能量控制及偏束能量控制.认为偏束控制操作简单易行,对熔钎界面的热控制作用效果好,不失为一种异种材料电子束自熔钎焊接的有效能量控制方法.从传热学角度提出了熔钎界面附近等效导热系数的概念.9.期刊论文 张秉刚.何景山.冯吉才.吴林.杨卫鹏.朱春玲.李宏伟 铬青铜与双相不锈钢电子束焊接头组织及形成 -中国有色金属学报2004,14(9)对QCr0.8与1Cr21Ni5Ti的2 mm厚平板试件
32、进行了等厚对中电子束焊接;采用光学显微镜、扫描电镜能谱分析方法对接头区显微组织及成分进行了研究,确定了显微组织构成;根据电子束焊接的特点,建立了QCr0.8与1Cr21Ni5Ti等厚对中电子束焊接接头形成的物理模型,并对接头不均匀组织的形成机制进行了探讨.结果表明:QCr0.8/1Cr21Ni5Ti等厚对中电子束焊接接头显微组织形貌为组织及化学成分极不均匀的Cu(Fe)+(+)的铸态混合组织,其宏观组织可分为3个区域:显微组织结构相同,均为以Cu(Fe)为主,内有一定数量不均匀弥散分布的+相混合组织的焊缝左上部组织区及焊缝底部组织区;以+相为主,内有少量弥散分布的Cu(Fe)颗粒混合组织的焊缝
33、中部组织区;接头组织的形成是由接头金属熔化及匙孔形成阶段,接头凝固的初期阶段(析出+相,并形成3个区域),接头凝固的中期阶段(+相结晶完成),接头凝固的后期阶段(形成Cu(Fe)相,焊缝完全变为固态),接头凝固的最终阶段(元素扩散及相变,形成最终组织)联合作用的结果.10.期刊论文 张秉刚.冯吉才.吴林.何景山.杨卫鹏.朱春玲 铬青铜与双相不锈钢异种材料电子束熔钎焊 -焊接学报2004,25(4)对QCr0.8与lCr21Ni5Ti偏铜电子束焊接接头的组织和力学性能进行了研究.研究结果表明,随电子束距对接中线铜侧偏移值的增加,QCr0.8/lCr21Ni5Ti对接接头焊缝组织及成分逐渐均匀化,接头熔接状态得到改善;铜侧偏移值达0.81.0 mm时,形成焊缝组织成分均匀化的熔钎接头,其抗拉强度可达330 MPa左右,已可满足实际使用要求.本文链接：http:/
