铱与镍基合金焊接接头的组织与性能分析
专题研究机"#蓮％摘----焊接）册
铱与镍基合金焊接接头的组织与性能分析
张建军！，杜德魁!，杨辉睦！，陈小双!，赵仕方2
(1.株洲湘火炬火花塞股份有限公司，湖南株洲412001 ;2.中南大学，湖南长沙410083)
摘要：为解决原有火花塞中心电极焊接工艺造成的贵金属用量多、焊接不牢靠以及易产生裂纹、气孔等问题，通过电子探
针(EPMA)研究了不同焊件结构对焊接区域的元素的扩散、材料之间的冶金结合的影响，通过扫描电镜（SEM)研究了不同
结构对焊接区域断口界面组织的影响，同时测试了不同结构焊件样品的电阻率及弯折强度。结果表明，采用平面结构焊
接，确保了焊接端面的接触，有利于材料的冶金结合，虽然弯折强度降低了11.6%，但是整体焊接稳定性有所提升，同时大
幅度降低了焊接气孔生成的几率，降低了平均电阻率，提高了整体性能。
关键词：贵金属焊接；火花塞电极；微观组织；焊接性能
中图分类号:TG406
Microstructure and properties of iridium and nickel base alloys welded joint
Zhang Jianjun1，Du Dekui1，Yang Huimu1，Chen Xiaosliuang1，Zhao Shifang2
(1. Zhuzhou Torch Spark Plug Co.，Ltd.，Zhuzhou412001，China;2.Central South
University，Changsha410083，China)
Abstract ；In order to solve the problems，such as cost of precious metals，unstable welding strengtl ing defects lil^e crack and pores，existing sparl^plug center electrode welding process，the influence structures on the element diffusion and metallurgical combination between two materials was studied by electron
probe micro-analyzer(EPMA)and the welding area fracture morj^hology was studied by scanning electron mi-
croscopy (SEM).Besides，the resistivity a nd welding strength of samples were tested.The results showed that
the flat welding structure e nsured the welding contact area，which was beneficial to the metallurgical bonding of
the material.Although the bending strength reduced by 11.6'，the overall welding stability was improved probaility of welding porosity was greatly reduced.Meanwhile，the average resistivity reduced and the overall
performance was improved.
Key words；precious metal welding；spark plug electrode;microstructure;welding performance
/-v、t‘.>，
0 刖s
铱合金具有高熔点、高温抗氧化性好、抗腐蚀性好、高温韧性好等特点，被广泛应用在汽车、航空航天等领域[1]。尤其在火花塞上的使用，铱合金可使火花塞点火间隙更小、点火温度更高，并有可能获得比铂合金较高的性价比，故而在汽油机火花塞商用市场的应用发展迅速[2]。近年来，铱合金的高温抗蠕变性能和焊接性能方面的研究已经取得了很大的进展[3v4]。许 多新型铱合金材料已经能够在高温下具有比铱更高的
基金项目：湖南省战略性新兴产业科技攻关项目（20165K4031);湖南省创新平台与人才计划(2016TP2022) 8 2019年第2期
专题研究
延展性能和高温抗氧化性能，同时铱合金在性能和 手段上也获得了明显，并此促进了t 合金材料的研究[5_6]。
铱金火花塞是新一代高性价比火花塞，它的电极 是用镍基合金（NiCrMnSi)电上焊接铱合金材料形成的[7-9]。的焊接方法通常为孔焊法[1°]，即在镍基电极上钻一小孔，将铱丝中的一小段插入孔中进行焊接，通常孔洞结构和锥孔结构。此焊接方法铱与镍电 接牢固，不 铱的脱落，但在孔中往往会洞及气孔，电极的电阻，影响电极的使用性能，此，埋入的铱 了铱的用量。而采用平面结构，即直接将铱的横截面焊接在镍电极端面上，该
在保证铱与镍电 接牢固的前提下，决孔焊工存在的上述问题。
阶段针对铱及其合金与镍基合金焊接方面的研 究较少，在贵金 贵金属的焊接研究[%，11]，或者关于镍基合金焊接方面的研究[12_13]，此有必要 针对贵贱金属焊接机理进行研究。
1试验材料与方法
1.1样品制备
分别制备孔洞结构、锥孔结构以及平面结构，如图 1所示，样 3组各20个。三结构均先采用电阻焊接（焊接电流400 A±40 A，时间4 s±0.2 s)后激光焊 接（功率 230 W ± 15 W，时间 1 000 ms ±200 ms)的方法，电阻焊在焊接时会在电极垂直方向施的压力，再采用激光焊在焊接位置一圈进行 焊接。在相焊接 下将不同结构的铱金电极（纯度>99.9')头与镍基基座电极（NiCrMn10Si&或基板焊接，各组中 的20个样品，取其的10个样品直接焊接在镍基电上，用于焊接横截 观 分析以及电阻率分析;取另10个样品直接焊接在 用的镍基基板上，用于焊接强度分析以及断口形貌分析。
机"#蓮％搐----鮮接）册
图1焊接结构示意图1.2试验方法
分别制取3种不结构样品的截面样品，EP-MA(EPMA-1600 &对焊接区进行元素面扫描，获得上述
区域的元素面分布 ，同时对焊接区 较 分的焊接层进行厚度测定。
采用直流电阻测试仪(CHT3540-1 &，小电流脉冲测试 模式，温度补偿内部触发方式，对比不同样品的电阻率。
考 GB/T 6791—2012+ 火花塞及其气 装孔基本特征及尺寸》与GB/T 34586—2017+ 气火花塞方法和要求》中对火花塞 体弯折强度方法，拉力测试仪(SH-2000N)用装测试样件焊接后的弯折强度。
折断力 的两个样品，对样品断口截面进行 SEM分析以及EPMA分析。
2试验结果与分析
2.1焊接截面EPMA测试分析
图2为3种铱合金电极焊接结构样 的二电子相。由图2 ，孔焊在镍基体电极孔的底区域与铱线材因不可能 配 洞，这种洞会影响电极的导电性、结合强度，此，W @L元 素都没 化，界限分明，说明该电极焊接能使Ir，N i元素达到融熔状态，W和N i没有形成冶金结合; 锥孔结构焊接的铱电极尖端在焊接入了大约200 !m到镍基体电 ；而平面结构焊接是铱电
镍基座交界处W元素有明显的熔化 。
(%)孔洞结构（b)锥孔结构（c)平面结构
图2 3种焊接结构的剖面二次电子相
图3为铱合金电极孔洞结构焊接 元素分布，孔洞结构焊接 为孔洞的存在使得焊接时两种金属断面接触面较小，在入两侧面的摩擦减小了接触面的压力，使得焊后接触断面的熔融区减少，因此 侧面的W元素和镍基座 融而实 接。同时，焊接后融合区域较少同时出现了焊接不均的现象。
图4为铱合金电极锥孔结构焊接元素分
布，在铱电极和镍基座两种基体材料中均有的：元素
2019年第2期
9
专题研究
(c ) Ni 元素(d )各元素
图3铱电极孔洞结构焊接竖剖面元素分布
(a ) Ir 元素(b ) Cr 元素
(c ) Ni 元素
（d )各元素
图4铱电极锥孔结构焊接竖剖面元素分布
的存在，铱与镍基材料形成扩散偶，W ?元素没有发生向 镍基座一侧的 ，但
W 元素的浓度突 明显。
在
区有均匀的W n N i 元素的固溶体，同时亦可
， 区 N i 元素的浓度较W ?元素的浓度高。
在
和 力下两种基体的 焊，铱和镍基座
表面接触
蠕变和
作用而实现两种材料的
冶金结合。
10 2019年第2期
图5为平面结构铱合金电极样品的 元素分布。在铱、镍两种基体材料中均有的：元素的存在，W
元素没 向镍基座一侧的
，而
N i 元
素
：生了向铱基体的单向 ， 镍基体距离的 ，其浓度近
渐变，没
突然下降的
。锥孔结
构与平面结构均为在 和 力下两种基体的扩
焊，W 和镍基材料
表面接触
蠕变和
作
用而实现两种材料的冶金结合。相对于上述两种结 构，平结构铱电极的焊接
接触面较多，镍基材料了向铱基体的单向 ，：元素、Mn 元素
：至
铱基体中以W 元素为 ，容易
W 的固溶体而不
易
：
W ，Mn 3W ，MnW 等金属间化合物。
______________机"#遠％摘—
鮮接）册
(c ) Ni 元素 （d )各元素
图5铱电极平面结构焊接竖剖面元素分布
2.2 S E M 断口形貌分析及E D S 分析
图6为型平面结构焊接的断口 SEM 形貌。图
6a 中的样件断裂 在以（Ni ，W )相为主体的区域，断
口处较为光滑，断裂
状，结构致密，焊
接区域（铱直径） 融的W 元素存在，镍基基体无
裂纹存在。而图6b 中的样件断裂面是W ?和N i 元素的
结合 ，断处
不平，
的为W ，
分
的
Ni 裸露
。
根据图6a 及表1可将整个样品分为两个区域，首 先是镍电极基体与铱丝接触焊接面，该区 为(W ，Ni )相为主的扩散区，其中，W:Ni =98.49: 1.51%质
量分数，％)(表1)#在圈是因焊接热传导
的
机械#造％摘------鮮辏）册
(b)低弯折强度断口
图6典型平面结构断口 SEM形貌
表1高弯折强度样品的断面元素点分析 ％
元素
位置i位置2
量分子分量分子分
Ni 1.51 4.7987.3687.10
Ir98.4995.217.23 2.20
0—— 1.85 6.80
C r—— 1.82 2.05
M n—— 1.74 1.85 (W,Ni)相为主的扩散区，其中，Ir:L =98.49: 1. 51
%量分数,'）（表1)#在圈是因焊接热传导：的L与I元素的熔融表分Ni,Ir元素互扩散区，该区域内主要以（L,W)相为主，其中，I L = 7.23：87.36 (量分数，％)，并不状。同时
亦可确定，基体中的元素如Cr，M,，S i等没 到镍基基体与铱丝接触的（W，L)相焊接 。
图6b断处分的I，分的L裸露出来，该断裂面是W和L的结合 ，断裂的_____________________________________专题研究以（I，L)相为主的区域，其中，I N i= 96. 23: 3.77(质 量分数，％)，N i向I中的 #也有以（Ni，Ir)相为主的区域，其中，I L= 6.54: 89. 56 (质量分数，'），
I?向L中的扩散减少。因L较W的熔点低了 1 000 _以上,脆断是由结合 处靠Li一边的（L，W)相晶粒长 的，如图7所示。铱在镍基体上分，由图7 ，断 不平，焊接区域（铱直径）融的W存在，镍电极基体存在大量裂纹，有
。
(b)低弯折强度
图7断口样品（lr,6)相区域的二次电子相
根据表2可将镍电极基体与铱丝接触焊接面分为 两 ：①L i元素向铱基体中的的(Ni,Ir)相层区域;②I元素向镍基体中的
的（Ir,Ni)相层区域。同时 ，基体中的元素Cr,Mn,Si等没 到镍电极基体与铱丝接触的
(Ir,Ni)相焊接面中。
2.3电阻率测试分析
由于火花塞点火电压可到达30 000 V以上，电阻 率的 对点火能量显著影响，且引起电阻率化的 为气孔率及气孔的大小。如表3所示，正常情况下 电阻率应该在7. 1a10-8 $ .m左右，由于孔洞与锥孔结构焊接容易气孔与焊接不均等不，较气孔现象时，即焊接时
2019年第2期
11
专题研究 机"#蓮％摘—焊接）册
表2低弯折强度样品的断面元素点分析%
元素
位置1位置2位置3
质量分数原子分数质量分数子分量分原子分数
L 3.7711.3889.5693.4422.0212.74 Ir96.2388.62 6.54 2.0810.2512.10 0—— 1.99 2.3523.8215.18 Cr—— 1.91 2.1321.1012.73 Mn————22.8147.25
表3 3种焊接结构的电阻率测试结果1〇-8" % +编号孔焊锥焊平焊
17.067.147.06
27.787.067.08
37.219.827.16
47.037.237.75
512.528.367.11
67.237.227.23
77.427.127.13
813.537.157.81
97.0612.457.13
107.017.167.06
标准值7.1467.1837.120
平均值8.3858.0717.252
焊件由于洞壁的阻碍，端面未完全接触，冶金结合面积降低，焊件电阻率出现明显增加，从7. 1x l0_8 $ ?m左右上升到12.5 x l0_8 $ ?m以上，同时从表 3可以推断孔洞结构与锥孔结构均有可能形成不同
大小的气孔，根据气孔大小不同，电阻率范围在7. 8 x10-8~9.8x10-8$.m之内。虽然平面结构焊接样品也有可能出现气孔，电阻率升至7.4x10_8$ ?'，说明气孔大小明显小于上述两种结构，因此平面结
构焊件的整体焊接稳定性明显高于其它两种焊接结构。2.4铱合金焊接强度测试分析
表4为3种焊接结构的弯折强度测试结果。在焊 接正常的情况下，由于有洞壁的支撑，孔洞焊接结构有 最高的弯折强度，在0. 74 MPa左右，锥孔结构在0. 69 MPa左右，平焊结构在0.65 MPa左右，但孔洞结构焊
接次品率较高，最差的弯折强度仅有0.10 MPa，说明因 此该样品焊件端面没有结合，或焊接后出现裂纹，大幅 度的降低了焊接面积。孔洞结构样品平均弯折强度为0.600 MPa，锥孔结构样 平均弯折强度为 0.620 MPa，而平面结构样品平均弯折强度为0.617 MPa。尽管平 面结构样品在正常焊接情况下的标准弯折强度降低了 11.6%，但平均弯折强度提升了 2. 8'，且有缺陷的焊接样品产生几率明显下降。因此平焊结构更加有利于 质量把控。
表4 3种焊接结构的弯折强度测试结果 MPa 样品编号孔焊锥焊平焊
10.640.670.65
20.730.680.63
30.740.630.52
40.730.440.62
50.690.620.64
60.100.690.61
70.510.620.61
80.740.690.65
90.410.660.61
100.710.500.63
标准值0.7100.6580.627
平均0.6000.6200.617
12 2019年第2期
机"#蓮％摘----焊接）册专题研究
3结论
(1) E PMA结果表明，3 焊接结构均了不同
度的 焊，但平焊结构冶金结合的体积明显大于其它两种，W?元素向镍基体 多。
(2) 平焊结构 弯折强度是 量微裂纹，且结合 处靠Ni—边的（Ni，W)相晶粒长 的，W 元素未能足够的向镍基体扩散导致结合力变差是产生裂 纹的 。同时由于焊接工艺不稳 蚀过度的现象，镍电极基体存在大量裂纹等不 。
(3) 平结构明显优于其它两种结构，由于结构特 性，大气孔不可能产生，从降低了整体的电阻率，虽 然弯折强度下降了 l l.6%，但焊接质量质量 稳定，率明显 ，综合性能明显优于另外两种结构。
参考文献
(l ] Panfilov P，Yermakov A. Mechanisms of inherent and impu-rity-induced brittle intercrystalline fracture in pure FCC-met-
al iricJium [ J ]. International Journal of Fracture，2004，128
⑴：147 -151.
[2 ] Graff M，Kempf B，Breme J. Iridiumalloyforsparkpluge-
lectrodes [ J ]. Materials for Transportation Technology，2005
⑴：1 -8.
[3 ] Cawkwell M J，Nguyenmanh D，Woodward C，et al. Origin
of brittle cleavage in iridium [ J ]. Science，2005，309
(5737) ：1059 -1062.
[4] George E P，Mckamey C G，Ohriner E K，et al. Deformation
and fracture of iridium : microalloying effects [ J ] . Materials
Science and Engineering: A，2001，319(1 ): 466 -470. [5 ] Ohriner EK. Processing of iridium and iridium aioys [ J ]. Plat-
inum Metals Review^，2008，52(3)：186 -197.，
[6] Yamabe-mitarai Y，Ro Y，Harada H，et al. Ir-lDase refracto-
ry superalloys for ultra-liigh temperatures [ J ]. Metallurgical
and Materials Transactions：A，1998，29(2) ：537 -549. [7] Lin H T，Brady M P，Richards R K，et al. Characterization
of erosion and failure processes of spark plugs after field
service in natural gas engines [ J ]. Wear，2005，259 ( 7 ):
1063 -1067.
[8 ] Quitmeyer F J. Method of capacitive discharge welding firing
tip to spark plug electrode: USA，20140239796 [P]. 2014
-08 -28.
[9] Baus S. Spark plugelectrode material and spark plug: USA，
20140125214 [ P]. 2014 -05 -08.
[10] PolcynN C.Sparkplugelectrodeandm ethodofm anufac-
ture：USA，20110241521 [ P]. 2011 -10-06.
[11] Antoszewski B，Tofil S. The laser welding of iridium-plati-
num tijDs to sparl^ plug electrodes [ C ]. The 6th Symposium
on Laser Technoloy Conference，Poland，The International
Society for Optics and Photonics，2016.
[12]何鹏，李海新，林铁松，等.T i l合金与镍基高温合金的
接[J].焊接学报，2012, 33(1): 17 -20. [13]董志波，马瑞，王勇，等.镍基合金焊接熔池凝固组织模
拟[J].焊接学报，2010, 31(10): 27 -30.
收稿日期：2018 -12 -06
张建军简介：1972年出生，学士，设计室主任；主要从事火花塞 结构及焊接工艺研究；137417464@qq. com。
中国焊接协会《铝合金焊丝质量评价规范》
团体标准启动会在珠海召开
由中国焊接协会组织的《铝合金焊丝质量评价规范》团体标准启动会于2019年3月29日在广东省
珠海市召开。相关领域专家、参与标准制定企业代表及特邀代表共计20余人出席了本次会议。会议由上
海市焊接行业协会秘书长彭曄华主持，上海工程技术大学张天理向与会嘉宾介绍了该标准的制定背景、意义以及试验方案细则。与会代表对该团体标准提出了多项编写意见与建议，就相关问题进行了充分讨论，并最终达成共识。（中国焊接协会供稿)
2019年第2期 13