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铜/不锈钢激光填丝焊接接头组织与力学性能研究

摘要

铜和不锈钢组成的复合结构具有性能和成本双重优势，在军工、电力、造船、

汽车、航空航天等领域应用广泛。但铜/不锈钢的理化性能差异较大，导致两者的

焊接存在一定困难。激光填丝焊不但保留了激光焊能量密度高、焊后变形小、焊

接效率高、无真空要求等优点，而且具有降低装配精度、冶金调整方便、接头形

式不受限制等优点，用来解决铜/不锈钢激光焊接中金属烧损严重、束缝对中精

度要求高、间隙敏感性大等问题。本文利用激光填丝焊的焊接方法焊接T2紫铜

和301不锈钢异种金属，采用了600合金焊丝(Ni基焊丝)、S201焊丝(Cu基焊

丝)、ERNiCu-7焊丝(Ni-Cu基焊丝)3种不同焊丝，分别研究了焊接参数对焊缝成

形的影响，接头不同位置的显微组织特点及力学性能。

试验结果表明：使用600合金焊丝时，随着焊接功率的提高，焊缝熔宽呈现

增大的趋势，焊缝熔深及余高呈现减小的趋势；随着焊接速度的提高，焊缝熔深、

熔宽及余高均呈现下降的趋势。在熔池中存在的各种力的综合作用下，铜/焊缝

界面产生凹凸不平的形状；随着焊接功率的提高，接头横截面的形貌由X形转

变为T形。Cu-HAZ中具有粗大的铜晶粒，并且Cu-HAZ中晶粒平均尺寸随着热

输入的提高而变大。铜/焊缝界面处存在未混合区(UZ)，铜侧焊缝中的微裂纹随

着焊接功率的提高而消失。不锈钢侧焊缝的凝固模式为A模式，成分为奥氏体。

铜、不锈钢母材区具有很高比例的小角度晶界，而焊缝区、不锈钢/焊缝界面及铜

/焊缝界面均具有很高比例的大角度晶界。焊缝区具有一个相对均匀的硬度分布，

Cu-HAZ中硬度下降。通过正交试验得出对接头抗拉强度影响最大的为焊接功率，

其次为焊接速度及填丝速度。经优化的接头的抗拉强度为253.75MPa，达到了铜

母材抗拉强度的96.29%。焊缝区的应变较低，焊缝/铜母材界面位置存在应力集

中，这二者导致接头的延伸率较低，接头的断裂模式为准解理断裂。

使用S201焊丝时，改变对接间隙、激光束偏移位置同时提高焊接

热输入，得到了成形良好的接头。焊缝熔宽随着焊接功率的提高而增大，焊

缝熔深及余高随着焊接功率的提高而减小，随着焊接速度的提高，焊缝熔深、熔

宽及余高均呈现下降的趋势。在熔池中存在的各种力的综合作用下，不锈钢/焊

缝界面产生了条状UZ，焊缝中不锈钢与铜的混合存在多种可能。不锈钢侧UZ

宽度随着焊接功率的提高而减小，随着焊接速度的提高而增大，焊接功率提高导

致熔池金属混合地更加充分。焊缝中的组织由细小的α-Fe及ε-Cu组成，沿着铜

侧焊缝-不锈钢侧焊缝的方向，α-Fe相及ε-Cu相尺寸增大，随着焊接速率提高，

各组成相尺寸减小，并且α-Fe相在焊缝中分布地更加均匀。接头的抗拉强度均

达到母材的90%以上，断裂模式为韧性断裂，S201焊丝接头延伸率明显提高，

达到了20%以上。接头的抗拉强度随着Cu-HAZ晶粒平均面积的增大而下降，与

Cu-HAZ的宽度间无明显关系。

使用ERNiCu-7焊丝时，随着焊接功率的提高，焊缝熔宽增大，焊缝熔深减

小，焊缝余高先增大后减小。提高焊接功率可以有效抑制不锈钢侧UZ及元素过

渡平台的出现。在过冷效应的作用下，铜/焊缝界面也存在一个UZ，铜/焊缝界面

UZ中存在晶粒细化。随着焊接功率提高，铜侧焊缝UZ的面积下降。相比于铜

母材，Cu-HAZ中晶粒没有明显粗化。铜/焊缝界面处具有较高比例的小角度晶界，

而不锈钢/焊缝处具有较高比例的大角度晶界。不锈钢/焊缝界面的晶粒平均尺寸

较大，然而铜/焊缝界面晶粒平均尺寸较小。不同功率下，在铜侧UZ中均存在一

个硬度值较高的区域。在拉伸试验中，接头的抗拉强度及延伸率随着焊接功率的

提高而增大，当焊接功率为1500W时，抗拉强度为241.45MPa，达到了铜母材

抗拉强度的91.64%，接头的延伸率大于22.5%。焊接功率低于1300W时，接头

的断裂模式为准解理断裂，焊接功率高于1300W时，接头的断裂模式为韧性断

裂。

关键词：

铜/不锈钢异种金属，激光填丝焊，焊接参数，界面成形，组织与性能

Studyonmicrostructureandmechanicalpropertiesofwire-

feedinglaserweldingjointsofcopper/stainless