無氧銅(OFC)作為一種高純度銅材料，有著極好的導熱、導電性和良好的耐蝕、加工、焊接性。基于銅在各個領域中的廣泛應用，其焊接性能越來越受到關注。

但是，銅在焊接過程中會出現以下幾種問題：

1.焊縫難熔合，成形差；

2.容易發(fā)生焊接變形，熱裂傾向大；

3.熱輸入量大導致晶粒粗大，焊接接頭性能下降。

解決方法：電子束焊接熱效率高、能量集中、熱輸入量小，使得焊縫金屬冷卻快，能有效避免晶粒粗大。

近年來，有學者針對銅及銅合金與異種金屬的焊接性能進行了一些研究，主要焊接方式有攪拌摩擦焊、激光焊、氬弧焊、釬焊等，而關于無氧銅電子束焊接的研究較少。為此，筆者選取了合理的電子束焊接工藝，研究了大厚度無氧銅板材焊接接頭的顯微組織和力學性能，為銅及銅合金的電子束焊接應用提供參考依據。

一、試樣制備與試驗方法

試驗材料：

牌號為TU１的國產退火態(tài)無氧銅板，化學成分(質量分數％)為：99.97Cu＋Ag，0.002P，0.004Fe，0.003Pb，0.003Zn，0.002O，0.004S。

試驗設備：

高壓真空電子束焊機ZD150-15A、Leica DM6000M光學顯微鏡、DMH-2顯微硬度計、Zeiss Supra 55掃描電鏡、日本島津AG-100kNG電子萬能試驗機

工藝方式：臨界穿透焊，焊接參數為加速

使用標準：

GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第１部分：室溫試驗方法》

二、試驗結果與討論

1.顯微組織

由圖1可見無氧銅厚板焊接接頭橫截面表面形貌良好，無明顯缺陷。焊縫為深寬比很大的釘形焊縫，***大寬度約為1mm。焊縫與母材組織分界明顯，而焊縫兩側熱影響區(qū)很窄與母材分界不明顯。

由圖2可見，母材為單相α-Cu組織，由于銅的層錯能較低，導致晶內生成大量退火孿晶；焊縫熔池在凝固過程中形成了大量等軸晶粒；熱影響區(qū)受焊接熱影響，越靠近母材，過冷度和冷卻速率越小，導致晶粒粗化長大，焊縫與母材的顯微組織同為α-Cu相。

由圖3可見，隨著與焊縫上表面距離的增大，焊縫等軸晶晶粒尺寸逐漸減小。

2.顯微硬度

由圖4可知，3個位置的硬度均在50~60HV0.025。對于同一位置的焊接接頭來說，硬度在焊縫、熱影響區(qū)和母材處沒有明顯區(qū)別；對于上、中、下3個位置的接頭來說，組織晶粒尺寸不同沒有給材料的顯微硬度帶來明顯差異，即上、中、下3個位置抵抗局部變形能力相同。無氧銅純度很高，焊接過程中，熔池內外幾乎沒有成分差異，凝固時不發(fā)生相變，因此焊縫內外的晶體結構相同。雖然焊縫上、下部位顯微組織的晶粒尺寸相差較大，但測得材料的顯微硬度沒有太大變化。

3. 拉伸性能

由表1可見，電子束焊接接頭的抗拉強度稍低于母材的，約為母材的97%，屈服強度則與母材的相當。對比母材與接頭的斷后伸長率和斷面收縮率，可知接頭的斷后伸長率相比于母材的稍有下降，而斷面收縮率幾乎一致，說明焊接接頭塑性無明顯降低，在使用要求范圍內。

圖5所示為焊接接頭分別斷于母材與焊縫的斷口縱截面顯微組織形貌。可見母材斷裂前，晶粒被拉長呈纖維狀，晶內出現大量裂紋；焊縫斷裂前，斷口處部分等軸晶粒沒有較大變形，說明等軸晶粒的塑性變形能力不如母材的，這也解釋了焊接接頭平均斷后伸長率相比母材的稍有下降的原因。

圖6為母材和焊接接頭拉伸斷口掃描電鏡微觀形貌，可見無氧銅母材與焊接接頭光滑試樣的拉伸斷裂均為韌性斷裂，并發(fā)生明顯頸縮，斷口外形呈杯錐狀，錐面與主應力成45°。母材斷口表面較為平整，大量等軸韌窩在表面均勻分布。斷口側面出現大量蛇行滑動花樣，這是拉伸開動時多個滑移系交互作用的結果。焊縫斷口表面較為凹凸不平，韌窩分布不均勻，局部有剪切形成的拉長韌窩。

三、結論

1.電子束焊接能量集中、熱輸入量小，且無氧銅導熱率高，因此焊接接頭焊縫狹窄且表面無明顯缺陷。焊縫區(qū)顯微組織為αＧC鑄態(tài)等軸組織，母材顯微組織為αＧCu退火孿晶組織，熱影響區(qū)顯微組織為母材晶粒粗長大的組織，且與母材的區(qū)別不明顯。

2.無氧銅焊接接頭從焊縫到母材，顯微硬度沒有發(fā)生明顯變化，說明焊縫和母材抵微區(qū)變形的能力相當。

3.無氧銅焊接接頭經室溫拉伸發(fā)生明顯塑性變形，在母材和焊縫處均有斷裂，其抗拉強度和塑性與母材的相當。

來源：《理化檢驗-物理分冊》微信公眾號 選自：《理化檢驗-物理分冊》 Vol.54 2018.3作者：丁尋，助理工程師，中國航空制造技術研究院

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