焊接特性（精选3篇）
焊接特性 篇1
30Cr Mn Si A钢是使用广泛的调质钢之一,在淬火高温回火状态下具有较高的强度和良好的韧性, 被广泛应用于各种工业设施中,尤其是在航空航天、 核电站、压力容器等领域[1]。焊接是一种重要的制造技术。经过几十年的发展,目前已在许多工业部门的金属结构制造中取代了大部分铆接[2]。 同时焊接接头的类型也变得更加繁多,因此,焊接结构中的疲劳问题也日显突出。焊接结构中的疲劳往往是从焊接接头处产生[3]。在交变动载荷作用下焊接结构经常发生断裂,因此,结构的疲劳是研究的重点[4]。针对某型机结构部件焊接区连接模拟件开展了疲劳特性研究,分析焊接钢结构的疲劳断裂性质,测试其疲劳寿命,为该部件的结构设计方案进行验证,为进一步改进设计方案提供理论依据。
1静力试验测试
1.1试件及边界条件
测试件为某型号飞行器焊接连接区模拟件,试验件材料为30Cr Mn Si A钢,几何形状如图1所示,采用两块钢板搭接焊接而成,左侧板宽度610 mm,厚度2 mm; 右侧板宽度970 mm,夹持位置厚度4 mm, 焊缝长度31 mm,宽度7 mm。试验件是完全按照某型机的结构部件的设计方案制备的模拟缩比件,两板搭接处有缺口存在,此次试验目的是考察该模拟缩比件的薄弱部位,验证该设计方案的可行性,以此改进后续的结构设计方案。
1.2测试方法
试验件的母板 和子板厚 度不同,母板厚度4 mm,子板厚度2 mm。为了保证试验件焊缝位于加载系统中心,在试验件两端分别粘接加强片,加强片的厚度如图2所示。试验环境为 室温。采用SANS-CMT5305微机控制电子万能力学试验机,随机选取2件试验件,测试静态极限强度,为后续疲劳试验计算 载荷。试验机量 程为300 k N,加载速率2 mm/min。
1.3静力试验结果
通过两件试验件的静力测试,获得静态极限载荷分别为120 k N和123 k N。如图3所示,两件试验件的载荷-位移曲线在位移量小于4 mm范围内重合度较好,其中一件在达到123 k N时,位移量较大,超过5 mm,此时是由于裂纹扩展仍然在吸收能量,可以使试验件继续承受较高的载荷。裂纹宽度如图4所示。
1.4静力试验件破坏部位
图4为两个试验件静力破坏宏观照片。可以看出,试验件从右侧缺口处开始裂纹、发生断裂。两个试验件的焊缝均完好,该试验件为实际结构的模拟缩比件,通过该项试验件可以得出,该缺口位置即为本试验件的薄弱部位,在后续的设计中应进行相应改进。
2疲劳试验测试
2.1测试方法
测试温度为室温。试验件粘接加强片和夹持方案与静力试验相同。以静力试验获得的静强度为基准,30% ~ 65% 选取12个应力水平作为疲劳载荷, 采用MTS370. 25疲劳试验机,测试试验件在不同循环载荷作用下的疲劳寿命,试验机额定载荷为250 k N,测试频率为8 Hz,应力比分别为R = 0. 5和R = - 0. 1。
2.2疲劳试验结果
疲劳试验共测试12个应力水平下的疲劳循环寿命,如图5和图6所示。图5是应力比R = - 0. 1时的应力-循环寿命曲线,图6是应力比R = 0. 5时的应力-循环寿命曲线。从相同应力水平对应的循环寿命值可以看出,R = 0. 5时循环寿命较长,R = - 0. 1时循环寿命较短,这是由于R = 0. 5时试验件承受拉拉疲劳载荷,幅值相对较小,试验件能够承受更长时间的载荷作用,因此寿命较长。
采用双对数方法对试验数据进行拟合,曲线趋势和文献[5]中关于30Cr Mn Si材料的疲劳寿命曲线基本一致。随着轴向应力水平的增加,疲劳寿命降低,在应力比R = 0. 5的情况下,应力水平在87 MPa时,循环寿命达到了106; 在应力比R = - 0. 1的情况下,相同应力水平时对应的循环寿命较R = 0. 5的低很多,说明该结构对拉、压疲劳比较敏感。
2.3疲劳试验件破坏部位
一般来说,有缺口材料的疲劳强度比平滑材料低[6]。由于试验件本身带有缺口,因此施加载荷后,缺口处自然形成应力集中,裂纹在该处产生,最后拉断整块薄板。焊缝区域完好。试验件破坏宏观照片如图7所示。
结构或构件在多次重复载荷作用下,即使最大的重复交变应力低于材料的屈服极限,经过一段时间的工作后,最后也会导致破坏,结构或构件的这种破坏被称作疲劳破坏[7]。由于构件在制造过程中不可避免地存在着这样或那样的缺陷,材料中的微裂纹也总是存在着,特别是在焊缝处这些微裂纹在交变载荷作用下聚合和扩展,形成宏观裂纹,宏观裂纹的进一步扩展导致最后的断裂破坏。疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程,在宏观上一般来说可以分为三个阶段: 裂纹萌生阶段、裂纹的稳定扩展阶段和裂纹的瞬时断裂阶段。本试验正好验证了这样一个过程。
3断口扫描电镜分析
将两个应力水平的试验件分别取相同部位的断口进行断口切割与清洗后,利用电子显微镜( SEM) 进行观测分析,如图8和图9所示。图8是应力比R = - 0. 1的试验件断口形貌,图9是应力比R = 0. 5的试验件断口形貌。可以看出,在R = - 0. 1时,由于进行拉压疲劳,试验件断口相对平滑,没有太多沟壑和韧窝。在R = 0. 5时,由于处于拉拉疲劳,试验件断口粗糙,能够在试验过程中吸收更多的能量,在观测中甚至发现了二次断裂区域,因此寿命相对较长。
4结论
对30Cr Mn Si A钢焊接区模拟件进行了疲劳特性研究,可以看出,缺口的存在对试验件寿命的影响比焊缝区域更为明显,即破坏部位均在缺口处,缺口是该模拟件的薄弱部位。应力比R = - 0. 1时,试验件承受拉压载荷,寿命较短,断口形貌较平滑。应力比R = 0. 5时的断口表面非常粗糙,有明显的裂纹扩展痕迹。通过疲劳试验和断口分析,对该模拟件的设计方案修改起到了关键作用,需要对连接处缺口位置进行更改以提高结构寿命。
摘要：针对某型机部件焊接区连接模拟件开展了疲劳特性研究。首先通过静力试验机测试试验件的极限强度,确定试验件的薄弱部位。然后利用MTS疲劳试验机测试试验件的疲劳特性。试验结果显示,试验件在应力水平87 MPa时的疲劳寿命为106。试验件破坏位置均发生在缺口处。对断口采用扫描电子显微镜进行观测,分析了影响疲劳寿命的因素。该试验结果为部件结构设计的修正提供了依据。
关键词：30CrMnSiA钢,焊接,疲劳,断口
参考文献
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焊接特性 篇2
关键词：非晶态焊接材料,非晶态合金,化学特性,物理特性
非晶态合金是短程、有序的玻璃态合金, 它在一定温度范围内能保持相对稳定的状态。由于具有独特的合金结构, 所以, 非晶态焊接材料具有较高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性, 并且逐渐成为了焊接领域重点研究的材料。作为焊接材料, 非晶态材料充分展现了其特性和奇妙的能效。因此, 研究非晶态焊接材料的特性及其应用是非常必要的。这样做, 可以为材料的推广和应用奠定良好的基础。
1 非晶态焊接材料的特性研究
1.1 材料的化学特性
目前, 非晶态钎料是应用最广泛的非晶态焊接材料之一, 它具有组织均匀、成分均匀的特点。作为由液态合金快速冷却形成的材料, 非晶态钎料能保持液态时的均匀性。同时, 材料本身熔化均匀, 没有晶粒和共晶相, 也不含粗大的化合物, 呈现出组织单一、细化的特点。因为材料所含杂质比较少, 所以, 其纯度也相对较高。在制取材料的过程中, 不需要进行锻、轧、拉、拔等处理, 材料性能也不受加工氧化和润滑剂的影响。从目前发展情况看, 已经研发出的非晶态钎料多由合金元素Ni、Cu、Ti、Al和非金属元素Si、B、P构成。由于非晶态钎料成分相对均匀, 制成的钎料箔也不同于高温钎焊的钎料, 它具有较好的柔韧性。在生产钎接件的过程中, 可以根据实际需要预制形状, 然后再将钎接件放置在钎焊接头间隙中, 从而减少钎料的浪费。此外, 调整母合金成分可以更容易地制备出各种成分的非晶态钎料。
1.2 材料的物理特性
从物理性能方面看, 非晶态钎料润湿性良好, 在加热过程中, 它能够均一地熔化和铺展, 不会出现晶态钎料熔化分层的情况。同时, 由于非晶态钎料的非晶型结构并不稳定, 所以, 在临近熔化状态时, 会析出晶体, 并且会在熔化瞬间释放大量的热能。热能的释放会导致钎料中的相关元素被迅速扩散, 从而提高其润湿能力。如果使用镍基非晶态钎料焊接, 它本身有较强的耐高温性和耐腐蚀性, 而且可以制作成比较薄的钎料箔, 减小钎缝的间隙。另外, 在冷凝后, 非晶态钎料熔化, 产生合金晶结构。由此可见, 低温条件下是不会发生钎接层熔化的问题的。此外, 与粉状钎料相比, 非晶态钎料中不含助焊剂和黏结剂, 可以避免对钎焊炉造成的污染。使用非晶态钎料无需使用垫片保护钎缝间隙, 进一步简化了钎焊操作。
2 非晶态焊接材料的应用研究
2.1 镍基非晶态焊接材料的应用
镍基非晶态钎料是研发较早的非晶态焊接材料, 它具有抗氧化性、耐高温性和耐腐蚀性, 被广泛应用于航天、航空等领域的高温合金焊接方面。与普通镍基钎料相比, 镍基非晶态钎料能够快速凝固, 很好地解决了钎料变脆的问题。在具体应用过程中, 因为不需要使用助溶剂等物质, 所以, 焊缝不仅不会被污染, 还具备较好的力学性能。但是, 在制备镍基非晶态钎料时, 要精确控制各成分的含量和工艺参数。目前, 制备该材料仍有一定的难度。
2.2 铜基非晶态焊接材料的应用
铜基非晶态钎料是有较强玻璃形成能力的焊接材料, 具有制备成本低的优势。20 世纪90 年代, 该材料被研发出来。从性能上来讲, 铜基合金具有耐腐蚀性和导热性强等特点, 可用于电子仪表的制作和银合金等材料的焊接工作中。而使用含硼的铜基非晶态钎料焊接紫铜, 能够大大提高钎料的润湿性和接头性能。此外, 在铜基非晶态钎料中添加Si、B、Zr等微量元素, 可以使钎料具有较好的流动性, 还能代替昂贵的银基钎料用于焊接铜合金等。
2.3 铝基非晶态焊接材料的应用
从目前情况看, 铝基非晶态钎料的应用范围比较广。在焊接电子器件等产品时, 低温或中温铝基非晶态钎料的应用情况良好。但是, 这类材料的熔点较高, 钎焊温度接近铝合金的固相线。在Al-Si基体中加入铜、铬等元素, 能够在一定程度上降低材料的熔点, 避免出现母材过烧的问题。此外, 可以使用快速凝固法制备铝基非晶态钎料, 使材料具有高接头强度和钎焊温度低等优势, 从而扩大其应用范围。
2.4 其他非晶态焊接材料的应用
在钎焊钛合金、石墨和陶瓷等材料时, 钛基非晶态钎料的利用率极高。从目前的发展形势看, 加入铜、镍等元素的钛基钎料具有流动性好和熔点低的特点, 它在陶瓷和钛合金材料的焊接上表现出了优异的性能。而贵金属铂具有较好的耐氧化性和耐热性, 用该元素制备的铂基非晶态钎料具有良好的玻璃形成能力, 可以成功焊接铜棒。此外, 锗基非晶态钎料也具有较好的玻璃形成能力, 它在钛合金材料等异种材料的焊接方面有良好的应用。
3 结论
总而言之, 非晶态合金具有良好的物理性能和化学性能, 有一定的应用潜力。作为焊接材料, 应用它能进一步降低焊接工艺的成本, 并在一定程度上实现焊接工艺的节能高效发展。随着科学技术的发展, 非晶态焊接材料将会有广阔的应用前景。
参考文献
[1]房卫萍, 杨凯珍, 张宇鹏, 等.低碳经济下的非晶合金发展与应用[J].材料研究与应用, 2010 (04) :526-529.
[2]张春芝, 李辉平.非晶态钎料——非晶合金作为功能材料应用的新思路[J].功能材料, 2015 (09) :9019-9025.
焊接特性 篇3
WCuTe是一种真空接触器用触头材料, 20世纪90年代开发成功并得到应用。其主要制造工艺流程为:W骨架成型→W骨架渗Cu→加入高纯Te于1 200℃下合金化→WCu Te触头。W的熔点高, 触头的抗熔焊性能好, Te的熔点低蒸汽压高, 触头材料的截流值低, 因此WCu Te是一种优良的真空接触器用触头材料, 是国内真空接触器的主要触头材料之一。但其制造工艺 (熔渗法) 使得触头在具有优良性能的同时, 其焊接层材料的性质和钎焊性能与纯Cu相比发生了变化。在真空接触器灭弧室的封排焊接过程中, 如果焊接工艺控制不当, 可能会使触头焊接层与导电杆的焊接强度降低, 更为甚者出现触头脱落, 导致整批灭弧室报废。因此, 分析WCu Te焊接层的材料特性并了解其对钎焊的影响, 有利于制定合理的钎焊工艺, 确保触头与导电杆焊接的可靠性。
2 试验
从WCu (30) Te (1) (以下简称WCu Te (1) ) 产品中 (常规规格ϕ33×7/3) 任意抽取检测和试验用样品;采用化学分析法分析WCu Te (1) 材料的Cu、Te含量及其焊接层的Te含量;采用显微镜观察焊接层的金相组织。
按焊接层厚度为0.8~1 mm将WCu Te (1) 毛坯车至焊接坯尺寸 (焊接面无孔洞) , 并将与之配套焊接的纯铜棒车至焊接坯尺寸;采用Ag Cu28 (真空钎焊常用) 作焊料;使用丙酮将WCu Te (1) 、纯铜棒车坯及Ag Cu28焊料清洗干净, 并确保WCu Te (1) 、纯铜棒车坯的焊接面无氧化层;将清洗干净的WCu Te (1) 、纯铜棒车坯及Ag Cu28焊料装配好后装入真空炉, 抽真空至10-2Pa后升温, 在820℃下保温20 min进行焊接, 然后停止加热随炉降温至650℃再快冷至40℃出炉。将焊接坯的纯铜棒夹紧, 使用铁锤沿纯铜棒的轴向敲击WCu Te (1) 触头使两焊接件分离, 以此法检测焊接层与纯铜棒的焊接效果。
使用电镜分析钎焊后WCu Te (1) 焊接层的微区成分。
3 结果与分析
3.1 WCu Te (1) 及焊接层化学成分
表1列出了WCu Te (1) 及焊接层的化学成分。从表1可以看出, WCu Te (1) 的焊接层为Cu Te合金, 而且其Te含量比触头合金层WCu Te (1) 的高得多。
WCu Te (1) 触头的主要制造流程: (1) WCu的制造。在Cu的熔点 (1 083℃) 以上, 使Cu熔液渗满W骨架制得WCu材料; (2) WCu与Te的合金化。将炉温升至Cu的熔点以上, 当Cu熔化时, Te会全部溶入Cu熔液中, 并通过浓度扩散途径渗入到WCu坯中, 使WCu坯内外Cu熔液的Te浓度一致, 从而形成WCu Te (Te的熔点 (450℃) 比Cu的低很多, 在Cu熔化之前早已熔化, 因此只要炉温在Cu的熔点以上, 且保温时间足够, Te即可轻易而充分地渗入WCu内并使得WCu坯内外Cu熔液的Te浓度趋于一致) 。
由WCu Te (1) 触头材料制造工艺特点可知, WCu Te (1) 触头的焊接层含Te, 而且触头内外Cu和Te浓度趋于一致, 也就是说焊接层含Te量由WCu Te (1) 触头材料的含Te量决定。两者的关系如下:设WCu Te (1) 的Cu、Te含量分别为a、b, 则焊接层的Te含量约为b/a×100%。如表1所示, WCu Te (1) 样品的Cu、Te含量分别为29.21%和0.74%, 那么焊接层的Te含量应为0.74/29.21×100%=2.53%, 该结果与样品的Te含量实测值 (2.46%) 很接近。
3.2 WCu Te (1) 焊接层的金相组织
图1是WCu Te (1) 焊接层的金相组织图, 图2为Cu-Te相图[1]。
从图1可以看出, 焊接层的金相组织为网状组织, 析出的Cu2Te沿晶界呈网状分布, 这种组织特征是由材料及其制造工艺决定的。从Cu-Te相图可以看出, 在Cu熔点以上时Cu-Te为液态。在保温结束随炉降温的过程中, Cu-Te的凝固过程为:当温度降至液相线时Cu液开始凝固, 随着Cu的不断凝固, Cu-Te液体中Te的浓度不断升高, 当温度降至共晶线时, Cu-Te液体就会共晶析出Cu和Cu2Te。共晶发生之前, 大部分Cu已凝固, 并分布于整个焊接层空间, 且呈多单元状, 各单元之间仍有一定的空隙, 而剩余的Cu-Te液体就充满于其中, 因此在剩余的Cu-Te液体共晶析出后, Cu2Te相就必然只能分布于铜晶界上, 从而形成网状组织, 这种网状组织可以直接用肉眼从经车加工后的焊接层表面观察到 (见图3) 。
3.3 WCu Te (1) 焊接层对钎焊的影响
表2列出了WCu Te (1) 焊接层与纯铜棒的钎焊效果。
从表2可以看出, 当焊接面积过小 (ϕ12) 时, 即使单位面积加入过量的焊料, 触头与导电杆纯铜棒的焊接也极为不可靠。而当焊接面积大于一定值 (ϕ25) 时, 触头与导电杆纯铜棒的焊接才可靠。
图4为钎焊后WCu Te (1) 焊接层的金相组织, 与图1钎焊前焊接层的组织对比可以发现, 钎焊后WCu Te (1) 焊接层的金相组织发生了变化, 靠近焊接面的浅层组织出现了银灰色网状物。
图5为钎焊后焊接层银灰色网状物电子探针微区成分分析结果, 图6为焊接层铜基体电子探针微区成分分析结果, 图7为钎焊后远离焊接面网状物电子探针微区成分分析结果。
表3汇总了钎焊后WCu Te (1) 焊接层电子探针微区成分分析结果。从表3可知, 靠近焊接面的浅层银灰色网状物为Ag Cu Te, 深层网状物仍然为Cu2Te, 而铜基体不含Ag。
由于焊接层无孔洞, 故可以判断, 在保温焊接过程中, Ag Cu28与焊接层上的网状物Cu2Te发生了合金化。在Ag Cu28熔液的作用下, Cu2Te由表及里地溶入并扩散到Ag Cu28熔液中, 形成了Ag Cu Te合金, 因整个焊接面都分布有Cu2Te (见图3) , 通过Cu2Te的溶入和浓度扩散, 实际上已将焊料Ag Cu28变成了Ag Cu Te。Te是低熔点非金属元素, Te的加入大大降低了焊料的机械强度, 从而降低了WCu Te (1) 焊接层与纯铜棒的焊接强度。
4 结论
WCuTe (1) 焊接层是Cu Te合金, 其Te含量由WCu Te (1) 触头中的Te含量决定。焊接层具有Cu2Te呈网状分布于铜晶界上的组织特征。WCu Te (1) 焊接层的焊接强度较低, 焊接面积要大于某一定值才能确保触头与导电杆焊接的可靠性。
摘要：分析了WCuTe (1) 焊接层的材料特性及其对钎焊的影响。WCuTe (1) 焊接层CuTe合金具有Cu2Te相沿晶界呈网状分布的组织结构, 焊接层CuTe合金的含Te量由WCuTe (1) 触头的含Te量决定;WCuTe (1) 焊接层的焊接强度较低, 焊接面积要大于某一定值才能确保触头与导电杆焊接的可靠性。
关键词：WCuTe (1) ,触头,焊接,焊接层
参考文献