无氧铜(OFC)作为一种高纯度铜材料，有着极好的导热、导电性和良好的耐蚀、加工、焊接性。基于铜在各个领域中的广泛应用，其焊接性能越来越受到关注。

但是，铜在焊接过程中会出现以下几种问题：

1.焊缝难熔合，成形差；

2.容易发生焊接变形，热裂倾向大；

3.热输入量大导致晶粒粗大，焊接接头性能下降。

解决方法：电子束焊接热效率高、能量集中、热输入量小，使得焊缝金属冷却快，能有效避免晶粒粗大。

近年来，有学者针对铜及铜合金与异种金属的焊接性能进行了一些研究，主要焊接方式有搅拌摩擦焊、激光焊、氩弧焊、钎焊等，而关于无氧铜电子束焊接的研究较少。为此，笔者选取了合理的电子束焊接工艺，研究了大厚度无氧铜板材焊接接头的显微组织和力学性能，为铜及铜合金的电子束焊接应用提供参考依据。

一、试样制备与试验方法

试验材料：

牌号为TU１的国产退火态无氧铜板，化学成分(质量分数％)为：99.97Cu＋Ag，0.002P，0.004Fe，0.003Pb，0.003Zn，0.002O，0.004S。

试验设备：

高压真空电子束焊机ZD150-15A、Leica DM6000M光学显微镜、DMH-2显微硬度计、Zeiss Supra 55扫描电镜、日本岛津AG-100kNG电子万能试验机

工艺方式：临界穿透焊，焊接参数为加速

使用标准：

GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第１部分：室温试验方法》

二、试验结果与讨论

1.显微组织

由图1可见无氧铜厚板焊接接头横截面表面形貌良好，无明显缺陷。焊缝为深宽比很大的钉形焊缝，***大宽度约为1mm。焊缝与母材组织分界明显，而焊缝两侧热影响区很窄与母材分界不明显。

由图2可见，母材为单相α-Cu组织，由于铜的层错能较低，导致晶内生成大量退火孪晶；焊缝熔池在凝固过程中形成了大量等轴晶粒；热影响区受焊接热影响，越靠近母材，过冷度和冷却速率越小，导致晶粒粗化长大，焊缝与母材的显微组织同为α-Cu相。

由图3可见，随着与焊缝上表面距离的增大，焊缝等轴晶晶粒尺寸逐渐减小。

2.显微硬度

由图4可知，3个位置的硬度均在50~60HV0.025。对于同一位置的焊接接头来说，硬度在焊缝、热影响区和母材处没有明显区别；对于上、中、下3个位置的接头来说，组织晶粒尺寸不同没有给材料的显微硬度带来明显差异，即上、中、下3个位置抵抗局部变形能力相同。无氧铜纯度很高，焊接过程中，熔池内外几乎没有成分差异，凝固时不发生相变，因此焊缝内外的晶体结构相同。虽然焊缝上、下部位显微组织的晶粒尺寸相差较大，但测得材料的显微硬度没有太大变化。

3. 拉伸性能

由表1可见，电子束焊接接头的抗拉强度稍低于母材的，约为母材的97%，屈服强度则与母材的相当。对比母材与接头的断后伸长率和断面收缩率，可知接头的断后伸长率相比于母材的稍有下降，而断面收缩率几乎一致，说明焊接接头塑性无明显降低，在使用要求范围内。

图5所示为焊接接头分别断于母材与焊缝的断口纵截面显微组织形貌。可见母材断裂前，晶粒被拉长呈纤维状，晶内出现大量裂纹；焊缝断裂前，断口处部分等轴晶粒没有较大变形，说明等轴晶粒的塑性变形能力不如母材的，这也解释了焊接接头平均断后伸长率相比母材的稍有下降的原因。

图6为母材和焊接接头拉伸断口扫描电镜微观形貌，可见无氧铜母材与焊接接头光滑试样的拉伸断裂均为韧性断裂，并发生明显颈缩，断口外形呈杯锥状，锥面与主应力成45°。母材断口表面较为平整，大量等轴韧窝在表面均匀分布。断口侧面出现大量蛇行滑动花样，这是拉伸开动时多个滑移系交互作用的结果。焊缝断口表面较为凹凸不平，韧窝分布不均匀，局部有剪切形成的拉长韧窝。

三、结论

1.电子束焊接能量集中、热输入量小，且无氧铜导热率高，因此焊接接头焊缝狭窄且表面无明显缺陷。焊缝区显微组织为αＧC铸态等轴组织，母材显微组织为αＧCu退火孪晶组织，热影响区显微组织为母材晶粒粗长大的组织，且与母材的区别不明显。

2.无氧铜焊接接头从焊缝到母材，显微硬度没有发生明显变化，说明焊缝和母材抵微区变形的能力相当。

3.无氧铜焊接接头经室温拉伸发生明显塑性变形，在母材和焊缝处均有断裂，其抗拉强度和塑性与母材的相当。

来源：《理化检验-物理分册》微信公众号 选自：《理化检验-物理分册》 Vol.54 2018.3作者：丁寻，助理工程师，中国航空制造技术研究院

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