吳世立　孫宜華，　豐　平

(1. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌　443002; 2. 三峽大學(xué) 材料與化工學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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加熱時間對鎢鋼高頻釬焊焊縫組織及性能的影響

吳世立1孫宜華1，2豐平2

(1. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌443002; 2. 三峽大學(xué) 材料與化工學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：本文研究了加熱時間對鎢鋼高頻釬焊焊縫強(qiáng)度、焊縫硬度、焊縫金相組織以及焊縫元素線分布的影響．研究結(jié)果顯示釬焊加熱時間對鎢鋼高頻釬焊焊縫強(qiáng)度、焊縫硬度、焊縫組織以及焊料與母料中元素的擴(kuò)散與氧化均有顯著的影響．當(dāng)釬焊加熱時間為8.5 s時，對應(yīng)釬焊溫度為850℃，焊縫抗彎強(qiáng)度最大，達(dá)1 250 MPa．從而為實際采用高頻釬焊生產(chǎn)再生鎢鋼刀具提供了最佳工藝參數(shù)．

關(guān)鍵詞：鎢鋼；高頻釬焊；加熱時間；抗彎強(qiáng)度；組織性能

鎢鋼又稱鎢鈷硬質(zhì)合金，具有高硬度、高耐磨性、可高速切削等性能，是目前制作微型鉆頭和銑刀等的主要材料之一，用于印刷電路板的制造等行業(yè)[1]．以前，微型刀具幾乎都是用高速鋼等制造，由于高速鋼的耐磨性差，微型鉆頭和銑刀重磨困難，容屑槽一般較小．而采用硬質(zhì)合金制造，當(dāng)剛性相同時，其容屑槽可以較大．最近幾年來，鎢鋼微型刀具得到了很大的發(fā)展[2]．從結(jié)構(gòu)上來看，市場上的鎢鋼微型刀具主要有3種類型：整體式、焊接式、組裝式．整體式刀具的工作部分和夾持部分都采用硬質(zhì)合金棒料加工，當(dāng)?shù)毒叩墓ぷ鞑糠趾偷侗睆较嗖詈艽髸r，磨削加工量大，造成貴金屬材料的大量浪費(fèi)．同時，當(dāng)?shù)毒吖ぷ鞑糠帜p過量或斷裂后，其夾持部分也失去了作用，因此這類刀具的制造成本和使用成本都較高．其優(yōu)點(diǎn)是刀具強(qiáng)度較高．焊接式：刀柄和刀頭在臺階處焊接連接．可以由同種材料焊接或異種材料焊接而成．它的優(yōu)點(diǎn)是大量節(jié)省材料、生產(chǎn)效率提高，易加工等．缺點(diǎn)是刀具的強(qiáng)度有所下降．組裝式微型鉆頭和銑刀的工作部分在刀柄中利用熱脹冷縮的原理固定，刀具的強(qiáng)度好．缺點(diǎn)是其加工技術(shù)比較難掌握，不容易控制[3]．

采用焊接式結(jié)構(gòu)，可提高微型刀具生產(chǎn)的生產(chǎn)率，節(jié)省大量原材料，報廢微型刀具的刀柄還可實現(xiàn)回收再利用．然而，目前焊接式微型刀具的強(qiáng)度、焊縫質(zhì)量等還存在不足，產(chǎn)品合格率低等問題．本文結(jié)合生產(chǎn)中的實際問題，從鎢鋼釬焊的工藝角度出發(fā)，研究加熱溫度對鎢鋼對接接頭抗彎強(qiáng)度、組織性能、元素擴(kuò)散等的影響．

1實驗條件及測試方法

1.1設(shè)備及樣品

焊接母材采用Φ3.2 mm×20 mm的鎢鋼棒料，母材成分見表1．焊料用B-Ag49CuZnMnNi 680/705(成份見表2)，助焊劑的組成以硼砂、硼酸為主，并加入一些氟化物KF、NaF、CaF等，制成膏狀．

表1　鎢鋼主要化學(xué)成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

表2　釬料主要化學(xué)成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

釬焊機(jī)采用上海川甲龍機(jī)電有限公司生產(chǎn)的高頻硬質(zhì)合金手動釬焊機(jī)，該釬焊機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為：振蕩功率：4 kW；輸入電壓：220 V；輸入電流：2 A；輸出電流：400 A；頻率：100～250 kHz；冷卻水壓力：0.2 MPa．高頻感應(yīng)器的內(nèi)徑為Φ6 mm．

1.2試驗過程

高頻感應(yīng)釬焊加熱溫度是由加熱時間與加熱功率共同確定的，但加熱功率在改變加熱溫度的同時也改變了加熱速度，會對試驗結(jié)果產(chǎn)生不同的影響．因此研究采用保持加熱功率固定為370 W，改變加熱時間，從7.5 s到11.5 s，其他焊接規(guī)范為保溫功率297 W、保溫時間25 s．

1.3測試與表征

抗彎強(qiáng)度測量：采用昆山市普賽特檢測設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PT-307彎曲強(qiáng)度試驗機(jī)測量抗釬焊焊縫的抗彎強(qiáng)度．測量方法：采用三點(diǎn)彎曲法，加載直到試樣斷裂，測量斷裂前的最高應(yīng)力．

硬度測量：將樣品用金剛石精密切片機(jī)(美國標(biāo)樂)沿縱向、盡可能沿軸心切為兩部分，鑲樣后預(yù)磨和拋光．用維氏硬度計(上海泰明光學(xué)儀器有限公司HV-50Z)測量硬度，載荷1 kg力，保壓時間15 s．

釬焊溫度測量：采用上海森希電子科技有限公司生產(chǎn)的IRP20便攜式紅外測溫儀測量釬焊溫度．

2實驗結(jié)果與分析

2.1抗彎強(qiáng)度與加熱溫度的關(guān)系

釬焊加熱時間是指開始加熱到溫度升高至釬焊溫度之間的時間，即升溫時間．它能有效地反映和控制釬焊加熱溫度．改變加熱時間從而改變焊接溫度．加熱時間與焊接溫度的關(guān)系如圖1所示．

圖1　釬料加熱工藝參數(shù)

由于高頻感應(yīng)釬焊加熱速度非?？?，每秒可升溫50～200℃[4]，因此，釬焊加熱時間的長短對焊縫抗彎的強(qiáng)度將產(chǎn)生較大的影響，如圖2所示．

圖2　焊縫抗彎強(qiáng)度與加熱溫度的關(guān)系

試驗結(jié)果表明，釬焊加熱時間在8.5 s左右時，焊縫的抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值，最高強(qiáng)度可達(dá)1 250 MPa．當(dāng)加熱時間低于7.0 s，由于加熱溫度不夠，焊料末熔化或熔化不完全，無法形成有效的釬焊焊縫．在7.5～8.5 s之間，隨著加熱時間的延長，焊縫的抗彎強(qiáng)度逐漸增大．當(dāng)加熱時間大于8.5 s時，隨著加熱時間的延長焊縫抗彎強(qiáng)度則逐漸降低．同時，隨著加熱時間的延長，焊縫的抗彎強(qiáng)度值波動較大．圖3給出加熱溫度分別為1 000℃與850℃釬焊焊縫的金相照片．可以看出，當(dāng)加熱溫度為1 000℃時，焊縫斷面粗細(xì)不均，且焊料流淌嚴(yán)重，焊縫抗彎強(qiáng)度降低．當(dāng)加熱溫度為850℃時，焊縫平直，宏觀質(zhì)量較好．

A.釬焊溫度：1 000℃；B.釬焊溫度：850℃圖3　釬焊焊縫宏觀質(zhì)量與加熱溫度的關(guān)系

2.2加熱時間與焊縫深度硬度分布的關(guān)系

不同加熱時間(即不同釬焊溫度)焊縫深度硬度分布如圖4所示．焊縫硬度值與測量點(diǎn)到焊縫中心的距離有關(guān)，測量點(diǎn)到焊縫中心的距離越小焊縫硬度值越低．

圖4　釬焊焊縫硬度與加熱溫度的關(guān)系

通常，WC和Co的氧化溫度低于釬焊焊料的熔化溫度，即在鎢鋼釬焊過程中焊縫中的WC和Co將發(fā)生氧化[5]：

WC+O2=WO2+C

2Co+O2=2CoO

WO2的形成使焊縫中WC含量減少，而WC含量的多少與焊縫的硬度有著直接關(guān)系，WC含量越高，焊縫的硬度越高．也就是說，WC含量的減少使得鎢鋼釬焊焊縫硬度降低．焊縫中Co的含量與焊縫硬度之間的關(guān)系恰好相反，即隨著Co含量的減少焊縫硬度有所提高．于是，WC和Co的氧化將導(dǎo)致焊縫區(qū)硬度發(fā)生相應(yīng)變化，氧化嚴(yán)重的部位硬度就會相應(yīng)較低．

在焊縫邊緣，由于助焊劑的保護(hù)作用，氧化程度較輕，硬度下降較?。诤缚p中心處氧化程度高，硬度值較低．加熱溫度為1 000℃時，焊縫區(qū)氧化程度較大，硬度值較低．加熱溫度為850℃時，焊縫區(qū)氧化程度較小，硬度值較高．

2.3加熱時間與焊縫金相組織的關(guān)系

焊縫的性能通常取決于焊縫的組織及成份．不同工藝參數(shù)下焊縫的組織會發(fā)生相應(yīng)的變化．圖5為1 000℃和850℃釬焊焊縫放大1 000倍的金相照片．圖中灰色區(qū)域為Ag的固溶體，呈梅花狀的是氧化物．從EDS分析得知，梅花狀組織的主要成份為Ag2O、MnO2、CuO及ZnO，淺色球狀組織為AgZnCu，棒狀組織為Ag5Zn4Cu2NiMn[6]．

圖5　釬焊金相組織與加熱溫度的關(guān)系

從圖5中可以看出，當(dāng)加熱溫度為1 000℃時，Ag，Cu，Zn，Ni，Mn等元素擴(kuò)散比850℃時要充分．在1 000℃時焊縫組織比較均勻，850℃時焊縫組織存在明顯的枝晶偏析．同時，加熱溫度為1 000℃時的焊縫晶粒度明顯比850℃的粗大．兩者均有明顯的熔合區(qū)，但加熱溫度為850℃時的熔合區(qū)更明顯．另一方面，加熱溫度為1 000℃時，焊縫組織中氧化物含量明顯比850℃時高，說明在加熱溫度為1 000℃時要遠(yuǎn)高于850℃時焊縫的氧化程度．

焊縫組織分布、晶粒度大小、焊縫氧化程度都會在一定程度上影響焊縫的強(qiáng)度．結(jié)合相關(guān)資料分析，焊縫中鋅與鎳的分布具有互補(bǔ)性，即在鋅富集的地方鎳含量低，而鎳富集的地方鋅含量低．這是由于在600～800℃之間只有少量的鎳會與鋅產(chǎn)生作用而形成六方體的NiZn8和Ni4Zn31(γ)[7]，而鋅與銅元素之間基本不發(fā)生相互作用．只有當(dāng)Cu的含量為28 wt%時，銅與銀才會形成熔點(diǎn)為779℃的Ag3Cu2共晶化合物[8]．因此，鎢鋼高頻釬焊的加熱溫度以850℃左右為最佳釬焊溫度[9]．

2.4加熱時間與焊縫元素線分布的關(guān)系

2.4.1W、Co元素線分布

由于釬焊溫度較高，焊縫區(qū)母材與焊料元素存在濃度梯度．在焊接過程中，不可避免會出現(xiàn)元素的擴(kuò)散，從而影響焊縫區(qū)及靠近焊縫區(qū)母材的成分，進(jìn)而影響其組織與性能．

圖6為焊縫區(qū)及其熱影響區(qū)中W、Co元素的線分布圖．曲線的中間部位為焊縫，兩邊均為硬質(zhì)合金母材．從圖中可見，W、Co兩元素均從母材向焊縫中擴(kuò)散．?dāng)U散程度與釬焊溫度及保溫時間有關(guān)，釬焊溫度越高，保溫時間越長，則擴(kuò)散程度越大．Co、W元素在釬縫中部也有一定的分布．

圖6　釬焊焊縫W、Co元素線分布

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，Co能夠與Cu形成有限固溶體，而與Ag的作用很弱．由于鎢鋼中絕大部分的W是以WC的形式存在，對W的熔解、擴(kuò)散有一定的牽制作用，所以W的活性相對較弱，向焊縫金屬溶解、擴(kuò)散的作用要比Co弱．又由于焊縫區(qū)的Co、W極易與O2發(fā)生反應(yīng)，若焊縫區(qū)組元Co、W含量過高，會在一定程度上降低焊縫的強(qiáng)度[10]．可見，加熱溫度為1 000℃焊縫中W、Co的含量明顯高于850℃時的W、Co含量，而母材中的W、Co元素在焊縫附近明顯減少．因此，加熱溫度為1 000℃焊縫抗彎強(qiáng)度會比850℃的低．

2.4.2Ag、Cu、Zn、Ni元素線分布

由圖7可知，焊料組元中的Cu、Ni在焊后依然大部分存在于焊縫中，向母材中的擴(kuò)散量較少．其中Cu在焊縫中的分布比較均勻，這與其良好的流動性有關(guān)，同時Cu可與Zn、Mn、Co及Fe等形成固溶體和金屬間化合物．還有少量的Cu擴(kuò)散至焊縫兩側(cè)的母材．Ni在焊縫中央有偏析現(xiàn)象，靠近基體一側(cè)焊縫中Ni元素分布稍大，說明Ni元素的擴(kuò)散相對較為強(qiáng)烈．Cu、Mn、Ni有充裕的時間和能力向兩側(cè)遷移，增加了擴(kuò)散區(qū)的寬度，提高了接頭的強(qiáng)度．

圖7　釬焊焊縫Cu、Ni元素線分布

由圖8可知Zn與Ag在焊縫中呈現(xiàn)梯度分布，原因可能是Zn活性較大，焊接中主要與O2發(fā)生反應(yīng)生成ZnO在高溫下?lián)]發(fā)，導(dǎo)致Zn的流失．

圖8　釬焊焊縫Ag、Zn元素線分布

綜合圖6與圖7可見，焊接過程中硬質(zhì)合金中的W、Co等元素向焊縫中擴(kuò)散的量較少，尤其是W基本上不發(fā)生擴(kuò)散．這與WC的熔點(diǎn)較高和W原子的直徑較大有關(guān)．Co的擴(kuò)散量次之，可能是焊接過程中Co的燒損及氧化比較嚴(yán)重．釬料中合金元素主要分布在焊縫中，Cu和Mn分布比較均勻，它們基本不向焊縫兩側(cè)擴(kuò)散，這樣使得硬質(zhì)合金在焊接前后晶粒形態(tài)和組織不易發(fā)生改變化，保證了硬質(zhì)合金的使用性能．據(jù)相關(guān)資料顯示[11]，母材元素在液態(tài)釬料中擴(kuò)散的速度很快，其擴(kuò)散深度x與時間t的關(guān)系如下：

式中，DT是溫度為T時的擴(kuò)散系數(shù)．而母材在液態(tài)釬料中的擴(kuò)散速度比釬料向母材的擴(kuò)散速度大得多．

綜上所述，母材中的W、Co向焊縫中擴(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散量不大時對焊縫強(qiáng)度的影響不大；當(dāng)擴(kuò)散量達(dá)到一定程度時會對焊縫強(qiáng)度造成一定程度的削弱．而焊料中的Ag、Cu、Mn、Ni、Zn向母材中的擴(kuò)散增加了擴(kuò)散區(qū)的寬度，提高了接頭的強(qiáng)度．

3結(jié)論

通過以上試驗分析可以得出以下結(jié)論：1)鎢鋼釬焊加熱時間在8.5 s(溫度為850℃)時焊縫抗彎強(qiáng)度最大，實際加熱時間與8.5 s差距越大，則強(qiáng)度越低．2)焊縫區(qū)硬度在焊縫中心處最低，越接近母材硬度越高．隨著加熱時間延長，焊接溫度提高，焊縫區(qū)硬度降低．加熱時間過長會造成焊縫區(qū)氧化嚴(yán)重，組織粗大，焊縫強(qiáng)度降低．3)母材中W、Co向焊縫中擴(kuò)散的量不大時對焊縫強(qiáng)度影響不大，當(dāng)擴(kuò)散量達(dá)到一定程度時對焊縫強(qiáng)度造成削弱．焊料中Ag、Cu、Mn、Ni、Zn向母材擴(kuò)散會增加擴(kuò)散區(qū)寬度，接頭強(qiáng)度提高．

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[責(zé)任編輯張莉]

收稿日期：2015-11-19

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51501101)

通信作者：孫宜華(1970-)，男，教授，博士，主要研究方向為特種材料連接．E-mail：sunny.hust@ctgu.edu. cn

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.018

中圖分類號：TG457

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)02-0079-04

Influence of Heating Time on Properties and Organization of Tungsten Steel Butt Weld Using High Frequency Brazing

Wu Shili1Sun Yihua1,2Feng Ping2

(1. College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Materials & Chemical Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe tungsten steel butt welds were manufactured at different heating times using high frequency brazing; and the weld strength, weld hardness, microstructure and properties and element distribution of the butt welds were investigated. It is significant impact of heating time on the weld strength, hardness, weld microstructure and element diffusion and oxidation. When the heating time is 8.5 s (temperature is 850℃), the largest of the weld bending strength of 1250 MPa is obtained. The best process parameters can be provided for the production of renewable tungsten steel cutting tools using high frequency brazing in this study.

Keywordstungsten steel;high frequency brazing;heating time;bending strength;microstructure and properties