焊接温度对铜合金T型接头断裂失效影响分析

曾美扬　李儒彬　汤芳　段永华

摘要：铜合金作为导电用材料，在焊接过程中由于产品结构特点，不可避免地采用T型搭接接头形式，该接头形式在动载作用下，接头拐角热影响区容易发生疲劳断裂。采用电阻钎焊方法，从焊接接头断口显微分析、组织形貌、硬度测量等方面，分析焊接接头断裂原因，发现焊接温度过高、高温停留时间过长会使得接头受热区组织粗大，粗大的热影响区组织会使焊接接头软化，降低屈服强度等机械性能，焊接接头在动载及交变温度场的反复作用下，会造成焊接接头疲劳断裂失效，因此控制焊接温度和高温处焊接时间是保证焊接接头质量的重要手段。

关键词：T型接头;焊接温度;影响分析

中图分类号：TG457.13 文献标志码：B 文章编号：1001-2303（2020）02-0103-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.21

0 前言

铜及其合金的焊接是电器产品制造的特殊工序，其焊接质量的好坏直接影响产品质量和使用寿命，焊接时一般采用Ⅰ型、T型搭接接头形式。由于铜合金T型搭接接头形式一般会在接头根部位置产生应力集中，设计者尽量避免采用，但是由于产品结构特点，T型搭接接头形式有时不可避免，焊接接头质量的控制成为制造者的关注焦点。T型搭接接头断裂通常发生在T型接头导线根部，断口为疲劳断口，断裂失效既与运行过程中的产品振动、导电热循环有关，也与焊接过程中引线焊接区和热影响区晶粒长大，塑性、硬度和强度下降有关。因此，研究铜及其合金在钎焊[1]过程中焊接温度对焊接接头性能的影响并控制焊接温度，避免接头热影响区组织粗大非常必要。

1 焊接接头形式

铜导线焊接接头T型搭接形式如图1所示，由于在接头拐角处存在应力集中，在动载及交变温度场联合作用下，该处容易发生多次反复摆动而引起疲劳失效，断裂位置通常在T型接头的导线根部，如图2所示。

2 试样断口形貌

采用清洗液将断裂试样清理干净后，采用微观显微镜观察断口形貌，发现断口特征为疲劳断口，疲劳回纹较为清晰，如图3中箭头所示。

进一步观察断口组织特征，焊接区域及热影响区组织粗大，非热影响区组织与母材保持一致。由此可见，过高的焊接温度及较长的焊接时间会造成接头组织粗大，而粗大的组织导致焊接接头机械性能降低，造成焊接接头失效。

3 模拟产品试样焊接方法选择

铜合金的钎焊性能良好，常采用火焰钎焊、感应钎焊、电阻钎焊等方法[2]。由于火焰钎焊、感应钎焊对温度采集存在一定困难，为探究焊接热循环对铜母材组织的影响程度，试验采用电阻钎焊模拟焊接T型接头，同时监测焊接温度[3]，由于电阻钎焊的焊接周期很短，温度变化很快，温度测量采用四通道温度采集系统，主要采集焊缝中心区、热影响区等影响接头性能区域的温度，焊接试件如图4所示，焊接接头中心点、热影响区热循环曲线如图5所示。

4 焊接温度导致断裂失效原因分析

为模拟焊接过程中温度对导线机械性能的影响，选择未焊接的铜导线研究其在不同温度退火后的机械性能与退火温度的对应关系。首先对铜导线分别进行900 ℃、850 ℃、800 ℃、750 ℃、700 ℃、650 ℃、600 ℃、550 ℃、400 ℃退火，且高温保温20 min并采用空冷方式获得试件，退火后观察金相组织，测试硬度和抗拉强度。结果表明，铜导线在未退火情况下，抗拉强度为240 MPa;退火温度低于650 ℃时，抗拉强度基本大于220 MPa;退火温度超过750 ℃时，抗拉强度低于200 MPa，且随退火温度的上升抗拉强度不断下降。

微观金相检验如图6所示。可以看出，随着温度的提升，组织越来越粗大[4]，导线软化，硬度值随退火温度的升高而降低。

基于模拟实验对实际焊接接头进行焊接，并对其进行微观检验和硬度测量，比较接头焊接区与非受热区的晶粒大小，如图7所示。导线焊后焊接区域平均晶粒尺寸约为80 μm，可以明显看出，经历焊接热循环后，导线组织完成了较为充分的再结晶，晶界较为清晰完整。引线的非受热区平均晶粒尺寸小于20 μm。通常铜的再结晶温度区间为450～650 ℃，再结晶后，塑性变形造成的晶体缺陷和破碎晶粒大部分消失，形成完整的大角度晶界，温度继续升高，晶粒开始明显长大，影响其长大的最主要因素是温度，其次是高温停留时间。

T型搭接接头在电阻钎焊后，焊接区晶粒尺寸最大，其长大程度约为未受热影响区晶粒尺寸的3～4倍，按Hall-Petch关系，多晶材料的室温屈服极限随晶粒尺寸的增加而降低，因此，焊接接头焊接区和热影响区均发生了软化。为验证接头及热影响区的软化程度，测量焊接接头焊接区和热影响区及母材硬度，焊接区硬度为50～60 HV，热影响区硬度从靠近焊缝至母材方向，硬度值由60 HV升至接近母材硬度值86 HV。可以看出，焊缝区和热影响区硬度值比非热影响区下降明显，屈服极限也必然下降。

综上可知，对于微线规铜导线的焊接，由于焊接区域空间狭小，无法通过测温系统控制焊接温度，只能通过操作人员目测控制焊接温度，存在温度过高的现象。过高的焊接温度會造成导线软化、组织晶粒粗大、硬度降低、机械性能下降，特别是对于T型导线接头，在交变载荷和温度场的反复作用下，容易发生疲劳断裂[5]。为避免焊接温度对接头质量的影响，在焊接操作过程中须对焊接温度和高温停留时间进行有效的控制。

参考文献：

[1] 美国金属学会[美].金属手册（第九版，第六卷）[M]. 1994.

[2] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册（第3卷 焊接方法及设备）[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 国际机械工程先进技术译丛. 先进焊接方法与技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4] 国家职业资格培训教程.  焊工[M]. 北京：中国劳动社会保障出版社，2002 .

[5] 陈祝年. 焊接工程师手册[M]. 北京：机械工业出版社，2002.