H62黄铜与T2紫铜搭接激光焊接工艺和焊缝微观组织研究.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.7Jul.2023第 53 卷 第 7 期2023 年7 月H62黄铜与T2紫铜搭接激光焊接工艺和焊缝微观组织研究成晓雷，唐文敏，汪选国武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070摘要：黄铜和紫铜形成的异种金属复合结构可以兼顾黄铜的机械性能和紫铜的导热性能，因此在航空航天、汽车、制冷设备等领域经常需要将两者进行焊接。采用光纤激光器对H62黄铜与T2紫铜薄板搭接激光焊接进行试验。对比研究了激光功率、焊接速度等主要工艺参数对焊缝成形性能、力学性能的影响，获得具有良好外观的焊接接头。当热输入大于105 J/mm时，焊接模式由激光热导焊转变为激光小孔深熔焊，熔深大幅升高，当激光功率为1 800 W，焊接速度为13 mm/s时获得了最大深宽比为2.51。分析了焊接接头及界面处成分、组织的分布与演化，探究了组织和力学性能之间的关系。发现熔池流动以环形流动为主，形成了焊缝中心锌元素含量高于焊缝边缘的成分分布。提出熔池流动和成分偏析造成的成分不均匀是接头组织和性能不均匀的主要原因。焊缝中心硬度测试显示，在两材料界面附近存在较大的硬度梯度，发现较高的热输入可以促进两材料混合，降低界面处力学性能差异。关键词：激光焊；黄铜；紫铜；微观组织；工艺参数中图分类号：TG456.7 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）07-0052-08Research on Laser Welding Process and Microstructure of H62 Brass and T2 CopperCHENG Xiaolei,TANG Wenmin,WANG XuanguoSchool of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,ChinaAbstract:It is often necessary to weld brass and copper in aerospace,automobile,refrigeration equipment and other fields,because the dissimilar metal composite structure formed by the two has the mechanical properties of brass and the thermal conductivity of copper.In this paper,the laser welding of H62 brass and T2 copper plate was studied by fiber laser.The influence of laser power,welding speed and other main process parameters on the forming properties and mechanical properties of the weld was studied,and the welded joint with good appearance was obtained.When the heat input was greater than 105 J/mm,the penetration depth increased greatly,and the welding mode changed from laser thermal conductivity welding to laser keyhole penetration welding.When the laser power was 1800 W and the welding speed was 13 mm/s,the maximum depth to width ratio was 2.51.The distribution and evolution of the composition and structure of welded joints and interfaces were analyzed,and the relationship between the microstructure and mechanical properties was explored.It is found that the flow of molten pool is mainly annular,forming the component distribution of zinc content in the weld center is higher than that in the weld edge.It was suggested that the non-uniformity of the composition caused by molten pool flow and component segregation was the main reason for the non-uniformity of the joint properties.The hardness test at the weld center showed that there was a large hardness gradient near the interface of the two materials,and higher heat input could promote the mixing of two materials and reduce the difference of mechanical properties of two materials at the interface.收稿日期：2023-06-05作者简介：成晓雷（2001），男，本科，材料成形及控制工程专业。通讯作者：汪选国（1972），男，副教授，博士，主要从事材料成形与加工、结构残余应力测试分析研究。E-mail：。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.08Keywords:laser welding;brass;copper;microstructure;process parameter引用格式：成晓雷，唐文敏，汪选国.H62黄铜与T2紫铜搭接激光焊接工艺和焊缝微观组织研究 J.电焊机，2023，53（7）：52-59.Citation:CHENG Xiaolei,TANG Wenmin,WANG Xuanguo.Research on Laser Welding Process and Microstructure of H62 Brass and T2 CopperJ.Electric Welding Machine,2023,53(7):52-59.0 前言紫铜具有良好的导电性、导热性、延展性以及在某些介质中良好的抗腐蚀性能。黄铜是铜锌二元合金，具有比纯铜更高的强度和优良的塑性加工性能。两者形成的异种金属复合结构可以兼顾黄铜的机械性能和紫铜的导热性能，因此在航空航天、汽车、制冷设备等领域经常会遇到两者的焊接需求。但铜及其合金焊接性较差，存在不易熔化、易产生裂纹和气孔的问题。且黄铜的焊接还易产生锌蒸汽问题，干扰对焊接过程的观察，污染工作环境，危害操作人员身体健康1，因此黄铜焊接对焊接过程机械化、自动化也提出了较高要求。由于铜的导热率很高，传统焊条电弧焊、氩弧焊等能量密度低的焊接方法通常需要高温预热或者采用强高规范才能进行焊接，能量利用率低，生产成本高，且生产质量不稳定。另外搅拌摩擦焊也可以用于铜合金的焊接，作为一种固相连接工艺，搅拌摩擦焊可避免熔焊的固有不足，获得力学性能良好的铜接头2-5，但存在设备灵活性低、焊接速度慢等问题。激光焊具有热量集中、热影响区域小、焊后产品变形也较小，焊接强度高，易实现自动化生产等优点6-7，针对铜及其合金的激光焊接，近年来国内外学者们开展了一些研究。Zhou等8-9通过激光钎焊方法有效限制了H62黄铜与5052铝合金焊接时脆性金属间化合物的生成。Hugger等10研究了黄铜激光深熔焊中焊接参数对锌的蒸发作用以及锁孔形态的影响。皮友东等11-12采用激光搭接焊方法，聚焦激光作用在黄铜一侧，形成深熔焊接熔池，实现了黄铜管和紫铜管的焊接。刘雁清等13通过在紫铜和黄铜之间加入一层锡片或锡膏，增强导热效果的同时有效防止锌蒸汽的溢出，实现了紫铜在上的紫铜与黄铜的激光搭接焊。Yang 等14采用450 nm蓝色半导体激光器和1 060 nm光纤激光器对紫铜进行了焊接和数值模拟分析，使得Cu对激光器能量的吸收率提高了20%。但是目前对H62黄铜与T2紫铜薄板激光搭接焊的研究较少，且存在工艺复杂、设备要求高等问题。本文旨在获得一种工艺操作简便、接头综合力学性能良好的黄铜与紫铜板材激光搭接焊方法，通过改变焊接功率、焊接速度，研究其与熔深和熔宽的关系，并分析焊接过程中接头组织分布与演化及其对力学性能的影响。1 试验材料与方法试验用黄铜板材为H62黄铜，紫铜板材为T2紫铜，两者尺寸均为100 mm50 mm2 mm。焊前用280#金相砂纸打磨待焊位置，并用乙醇清洗。黄铜板在上，紫铜板在下，采用自制夹具固定夹紧，尽可能减小两板之间的间隙。激光器采用创鑫激光公司生产的MFSC-4000W连续光纤激光器，最大输出功率为4 000 W，输出光纤半径0.2 mm，激光波长1 080 nm。为防止反射激光损伤设备，激光头倾斜15，激光作用于黄铜，离焦量为-0.5 mm（焦点位于工件表面下0.5 mm处），选用氩气作为保护气，流量30 L/min，焊接一道焊缝，搭接方式如图1所示。焊接接头外观如图2所示。焊接结束后，垂直于焊接方向取样，经过打磨、抛光、腐蚀后在光学显微镜下观察金相显微组织，采用Zeiss Ultra Plus场发射扫描电子显微镜对焊接接头黄铜部分微观形图1搭接方式示意Fig.1Schematic diagram of the lap welding method第 7 期成晓雷，等：H62 黄铜与 T2 紫铜搭接激光焊接工艺和焊缝微观组织研究Keywords:laser welding;brass;copper;microstructure;process parameter引用格式：成晓雷，唐文敏，汪选国.H62黄铜与T2紫铜搭接激光焊接工艺和焊缝微观组织研究 J.电焊机，2023，53（7）：52-59.Citation:CHENG Xiaolei,TANG Wenmin,WANG Xuanguo.Research on Laser Welding Process and Microstructure of H62 Brass and T2 CopperJ.Electric Welding Machine,2023,53(7):52-59.0 前言紫铜具有良好的导电性、导热性、延展性以及在某些介质中良好的抗腐蚀性能。黄铜是铜锌二元合金，具有比纯铜更高的强度和优良的塑性加工性能。两者形成的异种金属复合结构可以兼顾黄铜的机械性能和紫铜的导热性能，因此在航空航天、汽车、制冷设备等领域经常会遇到两者的焊接需求。但铜及其合金焊接性较差，存在不易熔化、易产生裂纹和气孔的问题。且黄铜的焊接还易产生锌蒸汽问题，干扰对焊接过程的观察，污染工作环境，危害操作人员身体健康1，因此黄铜焊接对焊接过程机械化、自动化也提出了较高要求。由于铜的导热率很高，传统焊条电弧焊、氩弧焊等能量密度低的焊接方法通常需要高温预热或者采用强高规范才能进行焊接，能量利用率低，生产成本高，且生产质量不稳定。另外搅拌摩擦焊也可以用于铜合金的焊接，作为一种固相连接工艺，搅拌摩擦焊可避免熔焊的固有不