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铱与镍基合金焊接接头的组织与性能分析

 GXF360 2019-10-26

0 前言

铱合金具有高熔点、高温抗氧化性好、抗腐蚀性好、高温韧性好等特点,被广泛应用在汽车、航空航天等领域[1]。尤其在火花塞上的使用,铱合金可使火花塞点火间隙更小、点火温度更高,并有可能获得比铂合金较高的性价比,故而在汽油机火花塞商用市场的应用发展迅速[2]。近年来,铱合金的高温抗蠕变性能和焊接性能方面的研究已经取得了很大的进展[3-4]。许多新型铱合金材料已经能够在高温下具有比铱更高的延展性能和高温抗氧化性能,同时铱合金在加工性能和加工手段上也获得了明显发展,并因此促进了高温合金材料的研究[5-6]

铱金火花塞是新一代高性价比火花塞,它的电极是用镍基合金(NiCrMnSi)电极上焊接铱合金材料形成的[7-9]。现有的焊接方法通常为孔焊法[10],即在镍基电极上钻一小孔,将铱丝中的一小段插入孔中进行焊接,通常有孔洞结构和锥孔结构。此种焊接方法铱与镍电极连接牢固,不会产生铱的脱落,但在孔中往往会形成空洞及气孔,增加电极的电阻,影响电极的使用性能,此外,埋入的铱也增加了铱的用量。而采用平面结构,即直接将铱的横截面焊接在镍电极端面上,该工艺在保证铱与镍电极连接牢固的前提下,可解决孔焊工艺存在的上述问题。

现阶段针对铱及其合金与镍基合金焊接方面的研究较少,主要集中在贵金属与贵金属的焊接研究[8,11],或者关于镍基合金焊接方面的研究[12-13],因此有必要针对贵贱金属焊接机理进行研究。

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本文在关联理论框架下从交际认知的角度分析了电影《英伦对决》的字幕翻译策略。分析得出,译者在选择翻译策略时受信息意图和认知环境两个因素的制约,在基于对源语作者与中国观众认知环境对比的基础上,本文指出,译者在不同情况下选择的翻译策略是恰当的,因为其译文使中国观众在付出有效的认知努力后获得了足够的语境效果。

1 试验材料与方法

1.1 样品制备

分别制备孔洞结构、锥孔结构以及平面结构,如图1所示,样品3组各20个。三种结构均先采用电阻焊接(焊接电流400 A±40 A,时间4 s±0.2 s)后激光焊接(功率230 W±15 W,时间1 000 ms±200 ms)的方法,电阻焊在焊接时会在电极垂直方向施加一定的压力,再采用激光焊在焊接位置一圈进行加固焊接。在相同焊接参数下将不同结构的铱金电极(纯度>99.9%)头与镍基基座电极(NiCrMn10Si)或基板焊接,各组中的20个样品,取其中的10个样品直接焊接在镍基电极上,用于焊接横截面微观形貌分析以及电阻率分析;取另10个样品直接焊接在试验用的镍基基板上,用于焊接强度分析以及断口形貌分析。

图1 焊接结构示意图

1.2 试验方法

分别制取3种不同结构样品的截面样品,通过EPMA(EPMA-1600)对焊接区进行元素面扫描,获得上述区域的元素面分布情况,同时对焊接区域有较大成分差异的焊接层进行厚度测定。

采用直流电阻测试仪(CHT3540-1),小电流脉冲测试模式,温度补偿内部触发方式,对比不同样品的电阻率。

参考国家标准GB/T 6791—2012《道路车辆 火花塞及其气缸盖安装孔 基本特征及尺寸》与GB/T 34586—2017《道路车辆燃气火花塞 试验方法和要求》中对火花塞绝缘体弯折强度试验方法,通过拉压力测试仪(SH-2000N)及专用工装测试样件焊接后的弯折强度。取折断力最高与最低的两个样品,对样品断口截面进行低倍SEM形貌分析以及EPMA分析。

2 试验结果与分析

2.1 焊接截面EPMA测试分析

图2为3种铱合金电极焊接结构样品竖剖面的二次电子相。由图2可看出,孔焊在镍基体电极孔的底部区域与铱线材因不可能完全匹配而产生空洞,这种空洞会影响电极的导电性、结合强度,此外,Ir和Ni元素都没有熔化,界限分明,说明该电极焊接工艺未能使Ir,Ni元素达到融熔状态,Ir和Ni没有形成冶金结合;锥孔结构焊接的铱电极尖端在焊接过后压入了大约200 μm到镍基体电极中;而平面结构焊接是铱电极与镍基座交界处Ir元素有明显的熔化现象。

为提高青年教师信息技术能力,省市、学校应科学、规范开展各式各样针对性强的培训和比赛,将信息技术应用能力作为对教师教学能力评估的一部分[4]。学校可以组织优秀课件、教学视频、Flash动画等评选大赛,或对青年教师进行信息技术培训,把这些能力纳入考核教师的标准。开展培训和比赛的目的是让青年教师的信息技术应用能力得到提高,让他们真正体会到信息技术的优势。

图2 3种焊接结构的剖面二次电子相

图3为铱合金电极孔洞结构焊接竖剖面元素分布,孔洞结构焊接工艺因为孔洞的存在使得焊接时两种金属断面接触面较小,在压入过程中两侧面的摩擦减小了接触面的压力,使得焊后接触断面的熔融区减少,因此主要通过侧面的Ir元素和镍基座发生熔融而实现连接。同时,焊接后融合区域较少同时出现了焊接不均的现象。

图4为铱合金电极锥孔结构焊接竖剖面元素分布,在铱电极和镍基座两种基体材料中均有的Cr元素的存在,铱与镍基材料形成扩散偶,Ir元素没有发生向镍基座一侧的扩散,但Ir元素的浓度突变界线很明显。在互扩散区有均匀的Ir+Ni元素的固溶体,同时亦可确定,互扩散区中Ni元素的浓度较Ir元素的浓度高。在高温和一定压力下两种基体的扩散焊,铱和镍基座通过表面接触发生蠕变和扩散作用而实现两种材料的冶金结合。

2.2.2 不同柱温对fs/i的影响 考察了不同柱温(25、28、30、32、35 ℃)对各fs/i的影响,结果(表3)朝藿定B、朝藿定A、朝藿定C、淫羊藿苷、木犀草素、槲皮素、川陈皮素、山柰酚、宝藿苷Ifs/i的RSD依次为0.57%、1.18%、0.98%、1.08%、2.08%、1.90%、0.76%、2.45%和2.81%,表明柱温的波动对各成分fs/i无显著影响。

图3 铱电极孔洞结构焊接竖剖面元素分布

图4 铱电极锥孔结构焊接竖剖面元素分布

图5为平面结构铱合金电极样品的竖剖面元素分布。在铱、镍两种基体材料中均有的Cr元素的存在,Ir元素没有发生向镍基座一侧的扩散,而Ni元素却发生了向铱基体的单向扩散,随与镍基体距离的增加,其浓度近似呈现渐变,没有发生突然下降的趋势。锥孔结构与平面结构均为在高温和一定压力下两种基体的扩散焊,Ir和镍基材料通过表面接触发生蠕变和扩散作用而实现两种材料的冶金结合。相对于上述两种结构,平面结构铱电极的焊接受压接触面较多,镍基材料发生了向铱基体的单向扩散,Cr元素、Mn元素扩散至铱基体中以Ir元素为熔剂,容易形成Ir的固溶体而不容易形成Cr3Ir,Mn3Ir,MnIr等金属间化合物。

图5 铱电极平面结构焊接竖剖面元素分布

2.2 SEM断口形貌分析及EDS分析

图6为典型平面结构焊接的断口SEM形貌。图6a中的样件断裂发生在以(Ni,Ir)相为主体的区域,断口处较为光滑,断裂面呈亮白色圆形状,结构致密,焊接区域(铱直径)外有熔融的Ir元素存在,镍基基体无裂纹存在。而图6b中的样件断裂面是Ir和Ni元素的结合界面,断口处凹凸不平,亮白色的为Ir,也有部分的Ni裸露出来。

根据图6a及表1可将整个样品分为两个区域,首先是镍电极基体与铱丝接触焊接面,该区域内主要为(Ir,Ni)相为主的扩散区,其中,Ir∶Ni=98.49∶1.51(质量分数,%)(表1);在外圈是因焊接热传导而形成的(Ir,Ni)相为主的扩散区,其中,Ir∶Ni=98.49∶1.51(质量分数,%)(表1);在外圈是因焊接热传导而形成的Ni与Ir元素的熔融表面及部分Ni,Ir元素互扩散区,该区域内主要以(Ni,Ir)相为主,其中,Ir∶Ni=7.23∶87.36(质量分数,%),并呈不规则形状。同时亦可确定,基体中的元素如Cr,Mn, Si等没有扩散到镍基基体与铱丝接触的(Ir,Ni)相焊接面中。

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图6 典型平面结构断口SEM形貌

表1 高弯折强度样品的断面元素点分析%

元素位置1质量分数原子分数位置2质量分数原子分数Ni1.514.7987.3687.10Ir98.4995.217.232.20O——1.856.80Cr——1.822.05Mn——1.741.85

图6b断口处有部分的Ir,也有部分的Ni裸露出来,该断裂面是Ir和Ni的结合界面,断裂的发生既有以(Ir,Ni)相为主的区域,其中,Ir∶Ni=96.23∶3.77(质量分数,%),Ni向Ir中的扩散增加;也有以(Ni,Ir) 相为主的区域,其中,Ir∶Ni=6.54∶89.56(质量分数,%),Ir向Ni中的扩散减少。因Ni较Ir的熔点低了1 000 ℃以上,脆断是由结合界面处靠Ni一边的(Ni,Ir)相晶粒长大造成的,如图7所示。铱在镍基体上有清皙分界线,由图7可看出,断口凹凸不平,焊接区域(铱直径)外有熔融的Ir存在,镍电极基体存在大量裂纹,有严重烧损痕迹。

图7 断口样品(Ir,Ni)相区域的二次电子相

根据表2可将镍电极基体与铱丝接触焊接面分为两种扩散过程:①Ni元素向铱基体中的扩散形成的(Ni,Ir) 相层区域;②Ir元素向镍基体中的扩散形成的(Ir,Ni) 相层区域。同时亦可确定,基体中的元素如Cr,Mn,Si等没有扩散到镍电极基体与铱丝接触的(Ir,Ni)相焊接面中。

“这当然是沾了政策的光,拆迁让我们住上了跟城里一样的楼房。”表姑的话把我拉回了现实中。吃饭时间到了,妈妈说随便吃点就算了,表姑说:“那哪行,城里客人来了,当然要去饭店了。”说着喊出了表哥、表姐,让我们一起出门。让我意想不到的是,表哥居然开出一辆崭新的汽车。看到我惊讶的表情,表哥说这几年政策很好,他办了养殖场,赚了不少钱,这不,刚买了车。到了饭店,表姑点了满满的一桌菜。席间,大家谈笑风生,都在感叹改革开放好,大家的日子才越过越红火。

2.3 电阻率测试分析

由于火花塞点火电压可到达30 000 V以上,电阻率的高低可对点火能量造成显著影响,且引起电阻率变化的主要原因为气孔率及气孔的大小。如表3所示,正常情况下标准电阻率应该在7.1×10-8 Ω·m左右,由于孔洞与锥孔结构焊接容易出现气孔与焊接不均等不良现象,当出现较大气孔现象时,即焊接时焊件由于洞壁的阻碍,端面未完全接触,冶金结合面积降低,焊件电阻率出现明显增加,从7.1×10-8 Ω·m左右上升到12.5×10-8 Ω·m以上,同时从表3可以推断孔洞结构与锥孔结构均有可能形成不同大小的气孔,根据气孔大小不同,电阻率范围在7.8×10-8 ~9.8×10-8 Ω·m之内。虽然平面结构焊接样品也有可能出现气孔,电阻率升至7.4×10-8 Ω·m,说明气孔大小明显小于上述两种结构,因此平面结构焊件的整体焊接稳定性明显高于其它两种焊接结构。

表2 低弯折强度样品的断面元素点分析 %

元素位置1质量分数原子分数位置2质量分数原子分数位置3质量分数原子分数Ni3.7711.3889.5693.4422.0212.74Ir96.2388.626.542.0810.2512.10O——1.992.3523.8215.18Cr——1.912.1321.1012.73Mn————22.8147.25

表3 3种焊接结构的电阻率测试结果 10-8Ω·m

编号孔焊锥焊平焊17.067.147.0627.787.067.0837.219.827.1647.037.237.75512.528.367.1167.237.227.2377.427.127.13813.537.157.8197.0612.457.13107.017.167.06标准值7.1467.1837.120平均值8.3858.0717.252

2.4 铱合金焊接强度测试分析

表4为3种焊接结构的弯折强度测试结果。在焊接正常的情况下,由于有洞壁的支撑,孔洞焊接结构有最高的弯折强度,在0.74 MPa左右,锥孔结构在0.69 MPa左右,平焊结构在0.65 MPa左右,但孔洞结构焊接次品率较高,最差的弯折强度仅有0.10 MPa,说明因此该样品焊件端面没有结合,或焊接后出现裂纹,大幅度的降低了焊接面积。孔洞结构样品平均弯折强度为0.600 MPa,锥孔结构样品平均弯折强度为0.620 MPa,而平面结构样品平均弯折强度为0.617 MPa。尽管平面结构样品在正常焊接情况下的标准弯折强度降低了11.6%,但平均弯折强度提升了2.8%,且有缺陷的焊接样品产生几率明显下降。因此平焊结构更加有利于质量把控。

表4 3种焊接结构的弯折强度测试结果 MPa

样品编号孔焊锥焊平焊10.640.670.6520.730.680.6330.740.630.5240.730.440.6250.690.620.6460.100.690.6170.510.620.6180.740.690.6590.410.660.61100.710.500.63标准值0.7100.6580.627平均值0.6000.6200.617

3 结论

(1)EPMA结果表明,3种焊接结构均出现了不同程度的扩散焊,但平焊结构冶金结合的体积明显大于其它两种,Ir元素向镍基体扩散更多。

(2)平焊结构具有低弯折强度是出现大量微裂纹,且结合界面处靠Ni一边的(Ni,Ir)相晶粒长大造成的,Ir元素未能足够的向镍基体扩散导致结合力变差是产生裂纹的主要原因。同时由于焊接工艺不稳定会造成烧蚀过度的现象,镍电极基体存在大量裂纹等不良现象。

(3)平面结构明显优于其它两种结构,由于结构特性,大气孔不可能产生,从而降低了整体的电阻率,虽然弯折强度下降了11.6%,但焊接质量质量更加稳定,成品率明显增加,综合性能明显优于另外两种结构。

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