銅和不銹鋼是應(yīng)用十分廣泛的兩類金屬材料,其復(fù)合結(jié)構(gòu)不但能夠?qū)崿F(xiàn)不同生產(chǎn)條件下對(duì)材料性能的要求,而且還可以節(jié)省銅材的使用,大大降低了復(fù)合結(jié)構(gòu)的成本,充分發(fā)揮了復(fù)合結(jié)構(gòu)在性能與成本上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),因此具有廣闊的應(yīng)用前景,而電解銅陰極板與導(dǎo)電桿的連接就是其典型應(yīng)用之一。本文采用鎢極氬弧焊(Gas Tungsten Arc Welding,GTAW)方法對(duì)T2紫銅與316L不銹鋼異種金屬進(jìn)行了薄板對(duì)接焊,確定了獲得良好焊縫成形的焊接工藝參數(shù)范圍。通過(guò)向焊縫中填充含不同合金元素的銅焊絲研究了不同焊絲中合金元素Al、Si對(duì)銅-鋼焊接接頭微觀組織、力學(xué)性能、導(dǎo)電性以及腐蝕性的影響,此外,還研究了退火熱處理對(duì)銅-鋼焊接接頭微觀組織、拉伸性能、導(dǎo)電性能以及腐蝕性的影響。采用S201焊絲進(jìn)行了T2紫銅和316L不銹鋼的對(duì)接焊,通過(guò)大量工藝試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了銅-鋼異種金屬的不開(kāi)坡口單面焊雙面成形,研究了不同工藝參數(shù)下(焊接電流、對(duì)接間隙、電弧偏距)銅-鋼焊接接頭的焊縫成形、微觀組織形貌、力學(xué)性能以及導(dǎo)電性能。結(jié)果表明:對(duì)接間隙對(duì)焊縫成形無(wú)明顯影響,電弧偏距對(duì)焊縫成形影響較大,當(dāng)電弧偏向銅側(cè)時(shí)能獲得成形良好的焊縫。隨著熱輸入的增大,電弧攪拌作用增強(qiáng),焊縫金屬中混入的富Fe相數(shù)量增多,而且分布不均勻,銅-鋼界面也由平直狀轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀,但銅-鋼接頭的拉伸強(qiáng)度并未發(fā)生明顯變化。采用S201、S211和S214三種銅焊絲對(duì)T2紫銅和316L不銹鋼進(jìn)行了對(duì)接焊。通過(guò)SEM、EDS、XRD等方法分析了銅-鋼接頭界面的微觀形貌及組織,發(fā)現(xiàn)加入Al、Si元素會(huì)對(duì)改變焊縫中富Fe相的形態(tài)及分布產(chǎn)生明顯影響。S201焊絲對(duì)應(yīng)接頭焊縫中的富Fe相的形態(tài)呈花瓣?duì)?S214焊絲對(duì)應(yīng)接頭焊縫中的富Fe相的形態(tài)呈細(xì)小的樹(shù)枝晶,而且分布沒(méi)有規(guī)律;而S211焊絲對(duì)應(yīng)接頭焊縫中的富Fe相呈球形顆粒狀,沿焊縫-鋼界面的焊縫中分布,形成了一條明顯的富Fe帶。S201焊絲接頭的焊縫組織主要是(γ+ε)的雙相固溶體組織,S211和S214焊絲對(duì)應(yīng)接頭的焊縫組織為(γ+ε+α),此外,焊絲中的合金元素Si、Al與不銹鋼中的Fe分別反應(yīng)生成了Fe_2Si和Fe_3Al的金屬間化合物。對(duì)三種銅焊絲對(duì)應(yīng)的銅-鋼焊接接頭分別進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)量、導(dǎo)電性測(cè)量以及電化學(xué)腐蝕,結(jié)果發(fā)現(xiàn):采用不同焊絲獲得的銅-鋼接頭具有很高的抗拉強(qiáng)度,平均抗拉強(qiáng)度約為224MPa,達(dá)到了銅母材強(qiáng)度的95%左右,拉伸斷口均位于銅側(cè)熔合區(qū);從鋼側(cè)到焊縫再到銅側(cè),接頭的顯微硬度總體呈下降趨勢(shì),焊縫區(qū)域顯微硬度分布不均勻,這主要是由于焊接過(guò)程中不銹鋼基體熔化后,在電弧力的劇烈攪拌以及熔池流動(dòng)作用下混入了焊縫中,熔池快速冷卻凝固后析出形成無(wú)規(guī)律分布的富Fe相導(dǎo)致的;三種焊絲對(duì)應(yīng)接頭的導(dǎo)電性由高到低依次為:S211S214S201,與對(duì)應(yīng)焊絲導(dǎo)電性恰好相反,表明加入Si、Al均能提高銅-鋼接頭導(dǎo)電性,原因有兩方面:一是Si、Al與Fe反應(yīng)生成了Fe_2Si和Fe_3Al的穩(wěn)定化合物,降低了固溶元素引起晶格畸變導(dǎo)致的電子散射增加,二是Si、Al均為鐵素體形成元素,會(huì)使部分不銹鋼基體由奧氏體組織γFe轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織αFe,晶體類型發(fā)生變化,間接減少了固溶體的形成,在一定程度上改善了接頭導(dǎo)電性;銅-鋼接頭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%Na Cl溶液中的電化學(xué)試驗(yàn)測(cè)得了各接頭的極化曲線,擬合得出了接頭的腐蝕電位和腐蝕電流密度,分析認(rèn)為S214接頭的耐腐蝕性能最好,S201接頭次之,S211接頭最差。對(duì)三種銅焊絲對(duì)應(yīng)銅-鋼接頭分別進(jìn)行了不同溫度下保溫2h的時(shí)效處理。通過(guò)EDS分析發(fā)現(xiàn),退火處理后銅-鋼接頭焊縫中的元素發(fā)生了均勻化擴(kuò)散,焊縫中的過(guò)飽和固溶體分解,固溶于Cu基體中的Fe元素大量析出形成富Fe相的細(xì)小顆粒,密集分布于焊縫之中,這就使得溶質(zhì)原子引起的晶格畸變所產(chǎn)生的電子散射減少,一定程度上改善了銅-鋼接頭的導(dǎo)電性,但退火處理后銅-鋼接頭的拉伸性能明顯下降,這是由退火后接頭銅側(cè)受熱軟化所致,退火后銅-鋼接頭的腐蝕電位增大,接頭發(fā)生腐蝕的傾向增大,而接頭腐蝕電流密度變小,腐蝕速率變小。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG407

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2819183