铜钨合金与低碳钢焊接组织与焊接性能实验研究

韩会秋 贾立强 王博 赵弟

摘 要：本文研讨铜钨合金与低碳钢的焊接组织与性能，以实验入手，分析相应指标，结果表明拉伸试验中，焊接接头仅经弹性变形和极短的塑性变形后被拉断，断口位于铜钨合金熔合区，强度和塑性较低。小孔和大空隙会降低焊接接头的强度，并导致沿晶断裂。

关键词：铜钨合金;低碳钢;焊接组织;性能

铜钨合金与钢支撑夹具的连接方法通常是通过螺钉和铆钉连接，这种连接方式会导致导热系数降低，不利于铜钨合金的散热[1]。焊接方法可以克服这个缺点。正确选择焊接方法和焊接参数，可使低碳钢和铜钨合金的焊接接头强度达到低碳钢母材的强度，当焊缝金属纯度高时，导热系数可达母材的90%～95%。

1 实验所需器材

采用尼康金相显微镜（EPIPHOT-200）观察分析了焊缝和热影响区微观组织，采用电子万能材料试验机（RGM-50）测量了焊接接头的抗拉强度，采用维氏显微硬度计测量了焊接接头各区域的硬度。断裂机理分析，选用VEGA-3扫描电镜（捷克TESCAN公司生产提供）。W- cu合金的化学成分（质量分数，%）为20Cu，平衡量为W;Q195的化学成分（质量分数，%）≤0.12 C，≤0.50 Mn，≤0.30 Si，≤0.040 S，≤0.035 P，平衡为Fe。以Cu-W合金与Q195低碳钢为焊接对象，采用WS-250型逆变氩弧焊机进行对接焊接。

2 实验结果分析

2.1 显微组织

2.1.1 焊缝

焊缝是铜钨合金与钢发生复杂冶金反应的场所，钨合金的优点结合金属钨和铜、高熔点、密度高、良好的电和热导率，耐高温、耐电弧烧蚀。通过分析下图可得知，黑色颗粒状两相固溶体（ε+α）均匀分布在F基体中，析出相λ（金属间化合物Fe2W）以非常细小的颗粒分布在F基体中，在图中几乎无法区分。微观组织如图1A所示。其结构为F+ （ε-α） +λ，其中F为铁氧体，λ- Fe2W为金属间化合物，（ε-α）为粒状两相固溶体，ε为Fe在铜中的固溶体，α为Cu在铁中的固溶体。

焊接加热形成熔池时，熔池温度超过低碳钢的熔点，可达1800～ 2000 ℃。这时，低碳钢已经完全熔化成液体。由于良好的导热性，只有焊缝熔合线附近的少量铜熔化到熔池中[2]。部分钨通过高温液相溶解并扩散到熔池中。焊缝以Fe为主，残留少量铜和极少量钨。通过铜-铁、铁-钨、铜-钨二元相图分析，我们可以知道：铜-铁合金在高温（高于1500 ℃）下，由于铜、铁的原子半径、晶体类型、晶格常数、原子外层电子数比较接近，在液相中可以相互形成液体无限溶液;钨含量小于10%的铁钨合金在高温（高于1538 ℃）下可形成互溶性有限的液体;在高温（高于1500℃）下，钨颗粒在液相（铜相）内难溶解，溶解度随着温度升高，逐步增加。

焊接后，合金的液态金属在焊缝处凝结结晶形成固体。同样，室温下的结构可由二元相图确定：Fe结晶形成F， Cu-Fe液态合金在冷却过程中结晶形成含Cu的γ相。γ相在857℃发生共析转变，形成一个（ε+α）两相固溶体，该固溶体以黑色颗粒（图2a中的黑色颗粒）的形式均匀分布在F基体上。当W冷却到1060℃时，形成λ相（Fe2W）， λ相以粒子的形式均匀分布在F基体中。低碳钢熔化区组织如图2b所示。从图中可以看出，钢基体与焊缝之间的组织转变为均匀的，焊缝和熔合区存在黑色粒状（ε+α）两相固溶体，并均匀分布，而钢基体完全由F组成。

2.2 维氏显微硬度

采用维氏显微硬度计对Cu-W合金与低碳钢焊接试样的硬度值进行测量，将测量结果绘制成焊缝及热影响区硬度分布曲线，如图3所示。各点位置：正火区（图3中位置13～15）、焊接熔合区（图3中的4～6点）、过热区（图3中的11～13点）、焊缝区（图3中的7～10点）。

结果表明，正火区正火区晶粒细小，硬度适中;焊接熔合区少量的Fe原子通过高温扩散到铜钨合金中，然后与溶解在Cu相中的W结合，形成金属间化合物λ相（Fe2W）。λ相弥散强化提高了铜钨合金的硬度，使熔合线处硬度值达到最大值;过热区组织为魏氏体，硬度值较高;焊缝区匀分布着（ε+α）两相固溶体和λ相的铁素体基体组织，由于（ε+α）和λ的扩散强化作用，焊缝强度、硬度增加（与低碳钢相比），塑性略有下降。

2.3 拉伸试验

试样的拉伸试验只经历了初始弹性变形阶段和很短的塑性变形阶段，然后就发生了断裂。断口位于铜钨合金焊缝熔断线处，强度和塑性较低，可满足高压开关、断路器等电气设备的力学性能要求。铜钨合金与低碳钢焊接后的静态抗拉强度为110 MPa，断后伸长率为5.4%。

2.4 断口分析

孔隙和空隙作为微裂纹，大大降低了材料的强度，同时熔合线的位置是硬度值最大的地方，因此发生开裂和晶间脆性断裂。在铜钨合金的熔合线处，由于焊接加热时液态Cu向焊缝流动，W粒子重新排列，导致铜钨合金的气孔不易被填充，形成大量的小气孔和个别的大孔。断口为典型的脆性断裂，W颗粒排列整齐，沿晶断裂，断口上有许多小孔和一些粗大的空洞。部分消除或改善铜钨合金焊缝熔合线处的细小气孔和粗大孔洞，使合金的强度和塑性大大提高。

3 结束语

综上所述，黑色颗粒状（ε+α）两相固溶体均匀分布在F基体上，提高了焊缝的强度和硬度。ε为Fe在铜中的固溶相，α为Cu在铁中的固溶相。铜钨合金与低碳钢焊接接头的焊缝组织为F+ （ε+α） +λ，其中F为铁素体，λ （Fe2W）为金属间化合物，（ε+α）为粒状两相固溶体。铜钨合金是一种两相结构假合金，采用粉末冶金方法制备。它具有组织均匀、耐高温、耐电弧烧蚀的特点，广泛应用于航天、航空、电力、冶金等行业。本文分析测试铜钨合金与低碳钢的焊接组织与性能，研究结果认为焊缝组织为F+（ε+α）+λ，其中F为铁素体，λ（Fe2W）为金属间化合物，（ε+α）为粒状两相固溶体。（ε+α）两相固溶体和λ相弥散强化作用，提高了焊缝和熔合区的强度和硬度。

参考文献：

[1]代野，李忠盛，戴明辉，陈大军，李晓晖.钨铜合金与铜扩散连接界面结构及性能研究[J].兵器装备工程学报，2020，41（10）：170-173.

[2]刘伟，曹吉祥，张瑜.熔融制样-X射线荧光光谱法测定钨铁合金中硅锰磷铜钨[J].冶金分析，2019，39（02）：46-50.

[3]王颜明，张然.高压电器开关触头铜钨合金电弧侵蚀试驗研究[J].铸造技术，2018，39（10）：2217-2219.

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