异种金属焊接接头金相试样的制备

LM弧焊之家 2018-03-28

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摘要

以紫铜与低碳钢钎焊接头为例,介绍了异种金属焊接接头金相试样制备过程中磨光、抛光和浸蚀等关键操作,成功地获得了紫铜与低碳钢钎接头金相组织图,可在科研中推广应用。

关键词 异种金属焊接接头金相试样

通过对焊接接头的金相组织观察,可以了解母材及焊接热影响区晶粒大小及分布、取向等,特别是可观察出母材和焊缝金属之间是否熔合(是否有互相扩散),从而可对接头的焊接质量作出正确判断。

目前有关异种金属接头金相试样制备的报道较少,这主是跟操作困难有关,因为异种金属具有不同的物理和化学性能,在制备焊接接头过程中,两种金属界面处易形成台阶。此外,由于异种金属的电化学电位不同,浸蚀试样也较困难,为此合理地选择浸蚀剂显得十分重要。

近年来我们对制备紫铜与低碳钢接头的金相试样进行了一些摸索,整个过程为:取样→镶嵌→磨光与抛光→浸蚀→组织观察。鉴于取样、镶嵌和组织观察的操作较规范,下面主要对磨光,抛光及浸蚀的操作过程作一些探讨。

磨光

磨光是为了得到平整、光滑的磨面,磨面上允许有极细而均匀的磨痕,磨光分为粗磨和细磨两步。

(1)粗磨。

粗磨前,试样较软一侧(紫铜侧)可用锉刀修平,而较硬的一侧(低碳钢侧)用砂轮机整平,然后在XQ22型镶嵌机上镶嵌成规格为<>×15mm的金相试样。在粗磨操作中,压力不宜过大,以免产生范性变形。为了保证试样不致因发热而引起金属组织发生变化,要不断将试样浸入水中冷却,粗磨时一定要保证磨面平整。

(2)细磨。

试样表面粗磨后,用水冲洗干净即可细磨,细磨的目的是消除粗磨遗留下来的较深的痕迹,为抛光作好准备。细磨是在由粗到细的各号金相砂纸上(底下垫金属平台)进行。考虑到本试样的特殊性,我们先用粒度为280#、320#的金相砂纸把试样磨得较为平整,然后再按砂纸的粒度400#、500#、600#、800#由粗到细顺序磨制。

为了能观察磨痕是否消除,后道磨削的方向应与前道磨痕方向相垂直。磨面与砂纸应保持完全接触,施加的压力要力求均匀,不能把观察面磨成鼓肚状。更换砂纸时,注意不要把前一道的砂粒带入,磨制过程中,应在明亮处反复观察磨面的均匀程度与磨纹状况。

抛光

抛光的目的在于除去金相磨面上由细磨所留下的细微磨痕,使磨面成为无划痕的光滑镜面。本实验采用机械抛光,所用的抛光机为P22型。

(1)粗抛:

抛光盘转速为500转/min左右,抛光前先将金刚石研磨膏(粒度为W2.5)均匀涂在抛光织物上靠近中心部分,然后滴加清水,开机抛光。

具体操作是握住试样,使磨面均衡地压在旋转的抛光盘上,并不断地将试样在盘与盘的边缘之间往返转动。由于抛光盘的边缘和近中心处的线速度不同,所以抛光时应尽可能使较硬的一侧(低碳钢侧)离盘心较远,而较软的一侧(紫铜侧)靠近盘心的位置。整个试样由盘边逐渐移至盘心处抛磨。对试样施加的压力要均衡,且应先重后轻。

在抛光初期,试样上的磨痕方向应与抛光盘转动的方向垂直,以利于较快地消除磨痕。在抛光后期,需将试样缓缓转动,这样可获得光亮平整的磨面,同时能防止夹杂物及硬性的相产生曳尾现象,一般情况下是观察磨痕一致时转动90°再抛。反复几次,直到显微镜下看到细细的并且方向一致的磨痕时为止。此外,抛光时水是一直不能缺少的,以保持金属磨面与抛光织物之间具有一个润滑层,使磨面光滑、明亮。

(2)精抛:

精抛光的目的是为了消除粗抛光所留下的划痕。试验中采用丝绒作为抛光织物,以粒度稍细(W1或W0.5)的金刚石研磨膏作为抛光材料。

具体操作是:开始加少许研磨膏,滴加清水量稍多,使研磨膏的浓度先大后小,由于紫铜较软,试样表面易划伤而形成细微的划痕,应尽量做到抛光机专用。手拿试样要轻、稳,并间隙地轻轻转动试样;在显微镜下观察到磨痕极细时,可只用清水抛光,清水抛光一般10-15分钟为宜,待显微镜下观察几乎无磨痕时,便可认为试样已抛光好。

注意抛光时间不宜太长,否则会使表面产生变形层或造成夹杂物曳尾或脱落,有时铜表面还会出现氧化层和浮雕等。

试样的浸蚀

金相试样的浸蚀主要采用化学浸蚀和电化学浸蚀方法。在本实验中,采用了通常的化学浸蚀。

(1)浸蚀剂的选择。

焊接接头的组成包括三部分,即紫铜、焊缝金属、低碳钢,由焊接工艺可知,火焰钎焊紫铜与低碳钢时,所加入的填充材料为黄铜类,它与母材紫铜之间的熔合该是不存在问题的,对它们的浸蚀也容易。至于焊缝金属与低碳钢之间的浸蚀,从理论上讲,FeCl3水溶液对紫铜和低碳钢都能达到浸蚀目的,但实际操作中发现,仅用Fe2Cl3水溶液浸蚀,低碳钢一侧的组织能清楚显示,而紫铜一侧浸蚀效果不理想,故对两种母材的浸蚀很难同时达到最佳效果。

有资料报道,对于异种金属接头,例如焊缝是奥氏体金属,母材是以铁素体为基的金属,往往难以同时浸蚀出焊缝与热影响区金属的组织。只有采用电解浸蚀与化学浸蚀双重处理才能得到两者兼顾的效果。其浸蚀过程是试样经抛光后,先采用10%铬酸或10%草酸试剂电解浸蚀,以获得满意的焊缝浸蚀质量,然后再采用化学浸蚀显示母材热影响区组织。

根据如上所述,考虑到紫铜与低碳钢的焊接接头的特殊性及实际制备过程中的可操作性,在参阅了大量文献资料的基础上[2,3,4,5],我们选择并配置了对铜和钢都能进行浸蚀的两种浸蚀剂,这两种浸蚀剂在组成上也大致相近。一种为酸性的FeCl3酒精溶液(FeCl35g,HCl2ml,酒精96ml),用于浸蚀铜,另一种为酸性的FeCl3水溶液(FeCl35g,HCl50ml,H2O100ml),用于浸蚀钢。

实践证明,用这两种不同的浸蚀剂分别浸蚀不同的母材,效果很好,不过在具体操作过程中要注意先后顺序和浸蚀时间等。

(2)浸蚀操作过程。

常规的化学侵蚀方法有浸蚀法和擦拭法两种,本实验选用了擦蚀法,即将试样抛光面朝上,平放在浸蚀台上,用蘸有浸蚀剂的棉花球在试样表面轻轻擦蚀,直至获得恰当的浸蚀程度为止,冲洗和吹干的程序与通常的浸蚀法相同。

针对紫铜与低碳钢接头,具体操作过程是:先用酸化FeCl3水溶液浸蚀剂擦拭钢的一侧,在界面处应尽量避免浸蚀液与铜接触,时间约为半分钟左右;擦拭完钢后,不冲洗,立即用另一棉花球蘸酸性FeCl3酒精溶液浸蚀剂擦拭焊缝金属和紫铜侧,变色后(时间约为十几秒种)即用水冲洗磨面,再滴几滴酒精脱水,用吹风机吹干,浸蚀过程即告完成。整个浸蚀过程要及时、迅速,稍有怠慢将难于达到理想的浸蚀效果。