不同焊接工藝下銅/鋼異種金屬熔焊接頭性能研究

石玗，侯旭倩，王瑞，李廣

摘要：針對新型直連電解銅永久陰極板性能要求，采用光學顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀、電子拉伸試驗機、金屬電導率儀和電化學工作站分別對激光焊和鎢極氬弧焊獲得的T2紫銅/316L異種金屬焊接接頭形貌、微觀組織、抗拉強度、導電性及耐電化學腐蝕性進行對比研究。發現兩種焊接工藝所形成的焊接接頭平均抗拉強度差別不大，激光焊焊接接頭的導電性及耐腐蝕性優于鎢極氬弧焊的焊接接頭。激光焊生產制造的直連型電解銅陰極板具有更優越的綜合性能。

關鍵詞：直連型陰極板;激光焊;鎢極氬弧焊;導電性;耐腐蝕性

中圖分類號：TG457? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）09-0007-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.02

0? ? 前言

在電解銅生產工業中，其關鍵部件永久型陰極板制造需采用銅—鋼復合焊接結構[1-3]。目前銅電解精煉工藝中，陰極板大部分采用鋼銅包覆然后再與不銹鋼焊接的結構，這種工藝不僅制造難度大，而且兩道焊縫增加了陰極板的綜合電阻率，增加了能耗[4]。如果能改變傳統的銅鋼包覆型導電桿結構，直接選用銅作為導電桿。不銹鋼陰極板制造工藝采用銅—鋼直接焊接的結構，不僅方便生產，而且一道焊縫的電阻率遠低于傳統結構，不僅可以提高電能轉化效率，而且在降低能耗方面對銅電解精煉行業有重要意義。

基于銅/鋼直接焊接的工藝結構，文中選用TIG焊和激光焊兩種不同的熔焊工藝對銅/鋼異種金屬進行焊接對比研究。為了便于后續制樣、分析研究，并考慮電解銅陰極板的制造形式，采用對接焊的形式，焊后分析接頭的焊縫形貌、微觀組織、抗拉強度及電導率。同時由于陰極板服役于電解腐蝕工作環境，文中還對比了兩種焊接方法下所得接頭的耐腐蝕性能，為獲得良好的直連型電解銅陰極板提供理論及技術依據。

1 試驗方法

采用規格同為150 mm×50 mm×1 mm 的T2紫銅板和316L不銹鋼板進行對接焊試驗。T2紫銅和316L的化學成分和物理性能分別如表1、表2所示。

TIG焊和激光焊的焊接工藝示意分別如圖1、圖2所示。通過前期預焊接試驗，最終選擇焊接試驗參數如表3所示。在焊接前，按要求清理待焊工件，由于銅的熱導率高，易導致在焊接過程中熱量急劇流失而無法達到母材熔化溫度，所以首先采用電弧對銅板進行焊前預熱。激光焊時應注意保護好激光頭，激光頭保持合適高度并與焊接方向成105°角度，一定的傾斜角度能有效阻止反射光對激光頭的傷害。焊接試驗完成后，采用線切割機分別對兩種不同焊接方法獲得的焊接件進行金相制樣及性能分析試樣的切取制備。

2 接頭特征及分析

TIG焊和激光焊兩種不同的焊接方法在光鏡下的銅/鋼接頭橫截面形貌如圖3所示。由鐵-銅二元合金相圖可知，銅/鋼焊接不會形成金屬間化合物而是通過銅鋼固溶體形式進行連接[5-8]。焊接工藝不同，焊縫也存在明顯不同，激光焊獲得的銅/鋼接頭的焊縫寬度明顯小于TIG焊焊縫寬度。從宏觀晶相組織觀察可以發現，通過TIG焊獲得的焊縫組織以γ相為主，ε-Cu以小的顆粒相固溶在鐵相里;通過激光焊形成的焊縫組織則是以ε-Cu相為主的固溶體。相對于激光焊接頭，TIG焊接頭中焊縫和銅、鋼母材之間相互交織沒有明顯界線，這是因為TIG焊的熱影響區范圍更大，熔化的母材在電弧攪拌作用下流動性更強，冷卻速度相對較慢，導致銅和鋼在冷卻過程中完全混合，并充分擴散。

兩種焊接工藝所獲得的銅/鋼接頭鋼側焊縫組織形貌如圖4a、4b所示，均在鋼側有著明顯的界線，這是T2紫銅和316L不銹鋼的化學和物理性能不同所致[9]。TIG焊的銅/鋼接頭鋼側處存在更多帶狀ε-Cu顆粒相，這是因為TIG焊時能量比較分散，TIG焊焊縫區的鋼側母材溫度會較高，使得銅元素更容易向母材擴散。兩種焊接方法都會在銅/鋼接頭鋼側界面形成一塊銅/鋼互溶組織區，這是由于銅、鋼熱導率的相對差異使得在熔池中鋼側界面的液態銅存在時間非常短，高熱導率的銅先發生凝固，在表面張力和高強度紊流作用下形成銅鋼互溶組織[10]。銅/鋼焊接接頭的焊縫中心區域微觀形貌如圖4c、4d、4e、4f所示，其中圖4c、4d焊縫組織主要是顆粒狀ε-Cu相分散在γ相為主的（γ+ε）雙相固溶體組織結構，通過TIG焊獲得的銅/鋼焊接接頭中彌散分布著球狀和小枝晶狀的銅相，而在銅相中又存在著枝狀和球狀富鐵相。圖4e、4f焊縫區球形顆粒狀γ相分散在ε-Cu相為主的（γ+ε）雙相固溶體中的組織結構。由鐵-銅二元合金相圖可知，鐵銅兩相固態有限互溶，液態無限互溶，室溫下形成固溶體，溶解度特別小，因此在焊接過程中液態熔池中銅、鐵溶液會彼此互溶，在焊后熔池冷卻時，互溶液相中銅溶質的融化量大于在鐵溶劑中的固溶量時，過飽和的銅會以表面能最低的球狀富銅相的組織析出。隨銅熔入量的增加，會形成更大的富銅相，并且會有一定量鐵熔入富銅相里，當鐵的熔入量增加到一定水平時，會造成銅對鐵的固溶度不足，由于冷卻速度過快，各元素來不及擴散，溶于富銅相中的富鐵相來不及析出，因此形成球狀富銅相中包含著球狀和枝狀富鐵相的組織。圖4g、4h是接頭銅側焊縫區域的微觀形貌，可以看出，兩種焊接方法下鐵元素都在焊縫銅側區域發生了擴散，并且相對于TIG焊，激光焊獲得的銅/鋼焊接接頭銅側界面區域擴散著更多更密集的鐵元素，形成了一塊較為明顯的鐵相過渡帶區域。在焊接過程中，熔融狀態的母材在熔池攪拌作用下擴散彼此混合，根據凝固界面形態穩定性原理分析，在電弧力的劇烈攪拌作用下焊接熔池中因攪拌形成的初生組織旋轉運動將提高液—固界面穩定性，使凝固過程中更偏向球狀生長趨勢，有利于球狀組織的形成[11]，所以在焊縫和銅側界面處，許多的球狀富鐵顆粒相聚集，最終形成圖中的富鐵過渡區。

基于以上組織形貌還采用X射線能譜儀進行面掃描檢測，進一步研究分析了兩種銅/鋼焊接接頭界面處銅、鐵元素的擴散，結果如圖5所示。兩種焊接工藝獲得的銅/鋼接頭鋼側界面處均有銅擴散進入，并且相較于激光焊，TIG焊獲得的接頭銅向鋼基體擴散的更明顯，這與前面觀察到的結果一致。

3 接頭強度測試

通過拉伸試驗來表征不同焊接工藝下接頭的力學性能。通過實驗結果可以發現兩種焊接接頭斷裂位置均在銅側熱影響區，兩種不同焊接工藝下的接頭各取3個接頭試樣進行拉伸試驗，最后取其平均值作為接頭的抗拉強度，如表4和圖6所示。

結合表4數據，激光焊接頭的抗拉強度比TIG焊接頭的抗拉強度高1.04 MPa，TIG焊接頭平均抗拉強度為205.23 MPa，激光焊接頭平均抗拉強度為206.27 MPa，兩種接頭都可以滿足電解銅不銹鋼陰極板工件正常使用要求。宏觀斷裂形貌如圖7所示，接頭存在明顯的頸縮變形現象，判定其斷裂方式為韌性斷裂。斷裂在銅側熱影響區是因為在焊接過程中銅側熱影響區受熱導致晶粒粗化長大，粗化的銅晶粒引起晶界密度減小，形變抗力下降。

4 接頭導電性分析

為表征不同焊接工藝下銅/鋼接頭試樣的電導性能，使用電導率儀對焊接接頭進行測量，測量結果如表5所示。

由表5可知，經過多次測量，激光焊獲得的銅/鋼接頭平均電導率為14.29%IACS，大于TIG焊獲得的銅/鋼接頭電導率。根據金屬導電理論可知，純金屬電導率一般比固溶體高[12-13]。激光焊接頭焊縫區域的微觀組織是鐵元素分布在以銅為主的銅鋼固溶體中，銅的電導率要明顯優于鐵的電導率;激光焊的固溶區域相對TIG焊較小;同時焊接接頭處的雜質和缺陷是整個焊接件上最多的區域，而且激光焊焊縫寬度相對較窄，所以激光焊獲得的銅/鋼接頭組織的電導率大于TIG焊獲得的銅/鋼接頭。

5 接頭電化學腐蝕性能分析

電解銅陰極板在實際服役過程中，除了要具有高的導電性和力學性能外，還應具有一定的耐腐蝕性。因此，必須深入研究分析Cu/316L異種金屬焊接接頭在電解銅服役環境中的的腐蝕行為。

兩種不同焊接方法下銅/鋼接頭在0.1 mol/L 硫酸溶液中的腐蝕極化曲線和相應的電化學參數如圖8、表6所示，TIG焊的Ecorr和Icorr分別為-0.319 7 V、

0.282 6 μA/mm2，激光焊的Ecorr和Icorr為-0.302 1 V、0.183 2 μA/mm2。激光焊的銅/鋼接頭腐蝕電位高于TIG焊，腐蝕電流密度低于TIG焊，從電化學腐蝕角度分析可知，銅/鋼激光焊接頭在實際工作環境中耐腐蝕性能比TIG焊接頭好。分析認為相比于TIG焊，激光焊能量密度大、熱量更集中，熱影響區更小，焊縫及熱影響區晶粒粗化不嚴重，組織晶粒相比較小，細小晶粒有利于改善夾雜物等缺陷的分布，并使晶界強化，導致激光焊接頭的耐腐蝕性要優于TIG焊接頭。

陰極板的使用性能取決于自身的導電性，導電性越好，即額外能耗越低，使用性能越好。使用壽命則取決于它的強度和在實際工作環境下的耐腐蝕性。兩種焊接方法下的接頭力學性能差別不大，均能滿足實際工況使用要求，但從導電性和耐腐蝕角度比較，激光焊接頭的導電性和抗腐蝕性能優于TIG焊接頭。綜上所述，在滿足直連型陰極板應用的技術指標情況下，采用激光焊接直連型電解銅陰極板，可獲得更優性能。

6 結論

（1）顯微組織觀察，TIG焊和激光焊兩種焊接方法分別形成以鐵元素為主的銅鋼固溶體組織和以銅相為主的固溶體組織，無金屬間化合物生成。

（2）對于陰極板，拉伸試驗表明，兩種焊接方法所得銅/鋼接頭的力學性能相當，激光焊接接頭性能較好一點，抗拉強度平均值達到206 MPa，力學性能均能滿足服役工況條件下的使用要求。接頭試樣斷裂處在銅側熱影響區，并判定其斷裂方式為韌性斷裂。

（3）由于焊縫寬度的差異，以及激光焊的焊縫組織主要是以銅為溶劑的固溶體，所以激光焊獲得的銅/鋼接頭的電導率也略優于TIG焊焊接接頭。通過對兩種不同銅/鋼焊接接頭在酸性環境下的電化學腐蝕試驗，發現激光焊獲得的銅/鋼接頭的耐腐蝕性更好。

（4）針對直連型陰極板應用的技術指標，激光焊接的銅/鋼接頭具有較好的綜合性能。

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