紫铜厚板GTAW热裂纹形成原因分析

0 序 言

紫铜具有优异的拉伸性能、抗磨性能、导电性和导热性，是制造电工器材及导热器材的理想材料[1].目前工程中应用最多的是GTAW焊接工艺[2].采用GTAW工艺焊接紫铜构件时，当紫铜板厚度超过4 mm，就需要对其预热[3].预热和保温的工艺较复杂，焊缝容易出现热裂纹[4-5].为了消除热裂纹，往往需要对工件进行焊后热处理，导致工作环境恶劣，降低了生产效率.因此，为了从根源上消除热裂纹，提高生产率.分析GTAW焊接工艺下，焊缝中热裂纹产生的原因，在工程应用中，具有重要的意义.

理解教学内容是上好课的基础，课堂调研中一个突出的问题就是教师对教学内容的认识不到位，导致教学目标不清晰.

一般认为，产生热裂纹通常主要有冶金因素和力学因素两方面的原因.冶金因素，即紫铜中的杂质元素，如氧的存在，导致Cu2O和Cu元素的低熔共晶出现；力学因素，即焊缝金属在脆性温度区间内的延性与拉伸应变比较小[6].

焊缝中的氧通常有两个来源[7]，一是空气中的氧被电离，以离子形式进入熔池；二是电弧或预热的热量使焊接前方的母材和坡口处被提前氧化，氧化皮在焊接时被电弧重新熔化进入熔池.目前常用的抑制热裂纹的方法，是通过在焊丝中添加脱氧元素，以抑制氧的侵入造成的晶界的弱化.目前，使用TIG焊接紫铜厚板用的焊丝主要有铜镍B30，HS201、铝青铜焊丝等.HS201焊丝含有Mn，Si等元素，可以用于去除紫铜中本身的杂质，并脱掉焊缝中的氧.然而在实际工程焊接中，使用HS201焊丝，并不能完全消除热裂纹，紫铜的热裂纹倾向仍然很严重，目前仍不能确定造成热裂纹的主要原因.

文中选择HS201焊丝，使用氦气保护的TIG焊接工艺，焊接紫铜厚板，研究了产生热裂纹的主要原因.通过刚性拘束裂纹试验，评定了在空气中，以及在充满氩气的密闭环境中，TIG焊接工艺的热裂纹敏感性.通过真空高温拉伸试验，对比了HS201焊丝，以及HS201焊丝在紫铜表面堆焊后的熔敷金属的高温延性.

1 试验方法

试验母材为T3紫铜，其化学成分如表1所示.母材尺寸为200 mm×100 mm×10 mm.母材加工成Y形坡口，坡口角60°，钝边5 mm，间隙2 mm.焊丝选用HS201成分如表2所示.

表1 T3紫铜的化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical composition of T3 copper

Cu O Pb S Bi 99.70 0.1 0.01 0.01 0.002

焊接过程是在自制650 mm×600 mm×450 mm的氩气仓内进行的，如图1所示，这是一个完全隔离空气中氧的环境.

表2 HS201焊丝的化学成分(质量分数，%)
Table 2 Chemical composition of HS201 filler

Si Sn Mn Cu 熔点T/℃0.3 1.0 0.3 余量 1 050

图1 自制氩气仓实物图
Fig.1 Photograph of a cabin filled with Ar gas

2 试验方法及结果

2.1 空气中刚性拘束裂纹试验

选择刚性拘束裂纹试验，评定在空气中使用氦气保护的TIG焊接紫铜厚板的热裂纹敏感性.用Cu-Ni30焊丝将两块T3紫铜厚板四周固定在800 mm×800 mm×40 mm的钢板上，坡口间隙预留2 mm.待工件冷却至室温，使用HS201焊丝，在氦气随焊保护下TIG焊接紫铜板.焊接电流220 A，氦气保护气流量为10 L/min.焊前不预热，整个焊接过程在空气中进行.图2为刚性拘束裂纹试验示意图.

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图2 刚性拘束裂纹试验示意图
Fig.2 Schmatic diagram of the rigid restraint cracking test

使用HS201焊丝在空气中氦气保护TIG焊接紫铜时的焊缝表面形貌，可以看出在氦气保护下焊缝的成形较好.但宏观的表面裂纹明显，裂纹沿焊缝中心扩展，几乎贯穿整条焊缝.宏观接头形貌如图3，裂纹率测试结果如表3所示.

3.培训需求预测分析的核心在于确认差距。其核心是通过对被培训者现有状况和理想状况的调查与分析，确定二者的差距，为确定是否需要培训及需要培训的内容提供依据。

图3 紫铜板在空气中焊接焊缝宏观形貌
Fig.3 Macro morphology of the joint welded in air

表3 空气中TIG焊接紫铜裂纹率(质量分数，%)
Table 3 Rate of hot cracking after welding in the air

表面裂纹率Cf(%) 根部裂纹率Cr(%) 断面裂纹率Cs(%)91.25 97.5 100

图4为金相显微镜下热裂纹的宏观形貌.可以看到，宏观裂纹边缘并不规则.如图5所示，在焊缝的中心处宏观裂纹的附近还能发现有若干不连续分布的微裂纹存在，长度大约在50～150 μm，且微裂纹的方向大多与竖直方向呈一定角度指向焊缝中心.

图4 热裂纹的宏观形貌
Fig.4 Macro morphology of the hot cracking

图5 微观裂纹
Fig.5 Microcrack

图6 是裂纹晶经FeCl3与盐酸的水溶液腐蚀后的金相组织.从图中可以清晰看到宏观裂纹出现在柱状晶交汇的焊缝中心的晶界处，微裂纹出现在指向焊缝中心的柱状晶之间的晶界处，裂纹的方向与柱状晶的生长方向一致.

门口有两匹马，一匹有鞍，一匹没鞍。杨连长单腿弓立在没鞍的马的左侧，并把老树桩伸向田志芳，示意踩他大腿上马，田志芳踩着杨连长的左大腿，却拒绝了老树桩，她抓紧向阳花的手，爬上马背。为了安全起见，一般不熟马的人，头几次都不给鞍，怕马意外受惊撩人，马蹬能把人拖伤或拖死。向阳花绕到另匹马左侧，把左脚套进马蹬，右腿一跨，轻松上了马。士兵拉着田志芳的马缰走在前，田志芳还在哭，不过已停了声，只是抽泣，低着头，肩膀一耸一耸。

图6 腐蚀后热裂纹的金相组织形貌
Fig.6 Metallograph of the hot cracking after corrosion

图7 为热裂纹尖端在SEM下的微观形貌.在裂纹尖端附近可以看到网格状的组织.表4是图7中不同区域的能谱结果.网格状组织B处铜和氧的原子数量比为3:1；可知网格状组织为Cu2O和Cu元素的低熔共晶.从图中看出裂纹尖端处的网格状组织有撕裂痕迹，说明共晶组织是在凝固时撕裂的.由于共晶组织的出现，使得裂纹两侧的α-Cu建立了联系，并且暂时阻碍了裂纹的扩展.当焊缝继续冷却，两侧α-Cu受到更大的拉伸应力时，而共晶组织变形抗拉能力较α-Cu差，共晶组织就被应力撕裂，裂纹继续沿共晶组织扩展，并在不远处止裂.

图7 热裂纹微观形貌
Fig.7 Microstructure of the hot cracking

表4 点A，B处的能谱
Table 4 EDX results of regions A and B

位置 原子分数at(%) 质量分数w(%)O元素 Cu元素 O元素 Cu元素A 0 100 0 100 B 28.04 71.95 8.89 91.11

图8为断口上部靠近表面的区域的宏观形貌，图中可以看到断口表面有很多小块和小球状的晶粒，同时长条状晶体的生长方向是斜向上的，这与焊接方向有关，晶粒朝着后凝固的方向生长.此处的开裂并没有破坏原有晶粒的生长，说明此处结晶较晚是许多柱状晶树枝晶交汇的地方.

所以生态旅游发展刻不容缓，其核心在于产业链循环系统以循环经济的理念为导向。与传统服务业相比，生态旅游服务业的管理上有着服务主体生态化，途径清洁化，消费模式绿色化，与其他产业生态耦合化的特点。

图8 断口靠近表面区域的微观形貌
Fig.8 Morphology of the fracture near the surfaces of the joint welded in air

图9 所示是断口表面区域的微观形貌，在自由结晶的表面有许多细小的二次裂纹.表5是图9断口不同区域的能谱结果.在二次裂纹的尖端A点测得有大量的O元素存在，说明此处有Cu元素与Cu2O的低熔共晶.在照片C的暗色物质为基本未被氧化的铜；亮白色的有一定形状和角度的物质B经分析为表面附有Cu元素和Cu2O低熔共晶的铜.

图9 二次裂纹微观形貌
Fig.9 Magnified micrograph of the secondary cracks

表5 点A，B，C处的能谱
Table 5 EDX results of regions A, B and C

位置原子分数at(%) 质量分数w(%)O元素 Cu元素 Mn元素 O元素 Cu元素 Mn元素A 26.38 73.62 - 8.28 91.72 -B 12.78 86.17 1.05 3.57 95.43 1 C 1.64 98.35 - 0.42 99.58 -

2.2 氩气仓的使用及焊接保护效果

为了验证在氩气仓中焊接的保护效果，开V形坡口的200 mm×100 mm×10 mm的紫铜厚板，在氩气仓中使用HS201焊丝焊接.图10所示是焊缝的外观.在焊缝中心处取φ5×6 mm的小圆棒，用立可公司生产的RO-316定氧仪进行分析测试，测试前应先用砂纸打磨表面，并用丙酮清洗表面污渍.试验结果测得在氩气仓中氦气保护焊接得到的焊缝含氧量为0.009 8%.

图10 氩气保护下，TIG焊接紫铜板的焊缝外观
Fig.10 Macrosopic image of the copper joint TIG welded in the Ar atmosphere

图11 为在铜板上不填丝进行熔凝试验后，母材表面外观形貌，熔凝后的母材表面光亮，保持金属原有颜色.而图10焊缝和铜板表面被灰黑色的物质覆盖.这是由于焊丝中有易挥发物质，在焊接时高温挥发在焊缝表面和铜板上.证明氩气仓保护良好，在氩气仓中焊接可达到排除空气中的氧的效果.

图11 铜板熔凝试验后表面外观
Fig.11 Appearance of fused copper in the Ar atmosphere

2.3 氩气保护下进行刚性拘束裂纹试验

试验在氩气仓中进行，以达到隔绝空气的效果.选用刚性拘束裂纹试验评定裂纹倾向，焊接条件、材料与在空气中氦气保护焊接紫铜厚板保持一致，使用HS201焊丝，氦气随焊保护，气流量为10 L/min，焊接电流220 A.值得注意的是，将铜板固定在钢板上后应再次清理试件的坡口和铜板表面，避免在组装焊时，铜板表面吸附的氧带到氩气仓中.此外，整个焊接过程持续通入氩气，气流量10 L/min，待铜板冷却后停止通气.

图12是氩气仓中氦气保护TIG焊接紫铜的焊缝表面形貌.在收弧处有约1 cm长的弧坑裂纹，但与在空气中焊接的焊缝外观不同，该裂纹并未贯穿整条焊缝.焊缝的其它区域成形良好，无裂纹产生.

图12 宏观接头形貌
Fig.12 macrograph of the joint

沿垂直于焊缝长度的方向将试件切下，取10个试样做金相组织及裂纹率分析，接头的宏观形貌图13所示.表6是接头裂纹率的测试结果.

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图13 接头宏观形貌
Fig.13 Macrograph of a section of the joint

表6 氩气仓中紫铜焊接裂纹率(%)
Table 6 Rate of hot cracking after welding in the Ar protection

表面裂纹率Cf(%) 根部裂纹率Cr(%) 断面裂纹率Cs(%)4.32 0 0

2.4 脆性温度区间和高温延性的分析

用差热分析对HS201焊丝的固液相线温度进行了测定，测得它的固液温度区间为1 020～1 080 ℃.将固相线的温度-50 ℃作为起始测温点开始测量.表7为HS201焊丝的高温延性的数据.HS201焊丝的脆性温度区间为970～1 025 ℃，最小延性为0.2%，出现温度在1 010 ℃.

表7 HS201焊丝的高温延性数据信息
Table 7 the data of the ductility of HS201 filler metal

温度T/°C 延性ε（%）1 005 0.5 1 010 0.2 1 020 2.2 1 025 1.75

用HS201焊丝堆焊在紫铜板表面，取熔敷金属，近似的认为熔敷金属与焊缝金属成分相同.表8为HS201焊丝熔敷金属的高温延性数据.熔敷金属的脆性温度区间为1 000～1 070 ℃，最小延性出现在1 058 ℃，为0.261%.由于整个高温拉伸的过程是在高纯氧气保护条件下进行，因此HS201焊丝中没有Cu2O和Cu元素的低熔共晶，而HS201堆焊的熔敷金属中，由于氧的侵入，有低熔共晶生成.通过比较HS201焊丝和HS201的熔敷金属的高温性能可知，熔敷金属的最小延性和HS201焊丝的最小延性差距不明显，只是脆性温度区间的范围有所变化，这是由于焊丝中的铜与熔敷金属中的铜的含量不同导致的.

表8 HS201焊丝熔敷金属的高温延性数据信息
Table 8 Data of the ductility of HS201 deposited metal

温度T/°C 延性ε（%）1 047 0.39 1 058 0.261 1 066 0.37 1 070 0.41

HS201焊丝与熔敷金属的延性均较差，但是在隔绝氧的条件下（在氩气仓中），采用HS201焊丝焊接紫铜板，可以有效抑制热裂纹的产生.由此可得出结论，TIG焊接紫铜厚板，氧的侵入是造成热裂纹的主要原因.

3 结 论

(1) 在空气中使用HS201焊丝，氦气保护的TIG不预热焊接紫铜厚板的热裂纹倾向很大，导致热裂纹的原因是HS201焊丝脱氧能力不足，氧侵入焊缝形成Cu2O和Cu元素的低熔共晶，在一次结晶的柱状晶晶界处偏聚.低熔共晶在应力下开裂.

教学活动中课程导入环节有重要的作用，良好的课程导入可以提高学生学习兴趣，增强学生学习积极性。因此，教师在课程开始之前可以为学生引入生活化的教学案例，以此提高学生的探索欲望，增强学生学习的积极性。比如在学习“热传导”知识点时，教师可以为学生创设这样的情境：热凉粥或冷饭时，锅内发出“扑嘟、扑嘟”的声音，并不断冒出气泡来，但一尝，粥或饭并不热，同样质量的水，在发出“扑嘟、扑嘟”的声音时就会变热，产生两种不同结果的原因是什么？这样具有生活化的课程导入更可以激发学生的求知欲，增强学生的学习兴趣，为下一步学习奠定良好的基础[1]。

(2) 在氩气仓中使用HS201焊丝，氦气保护的TIG不预热焊接紫铜厚板的热裂纹倾向极小.

(3) HS201焊丝的高温延性较差，与HS201焊丝熔敷金属的高温延性相比，由于铜含量不同，二者脆性温度区间不同，但是最小延性差距不明显.

(4) 通过对比在空气中和隔绝空气的氩气仓中，TIG焊接紫铜板热裂纹倾向差异，以及HS201焊丝的高温延性，可知焊接过程中氧的侵入，是引起热裂纹的主要原因.

参考文献：

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