摘要 对QCr0.8与1Cr21Ni5Ti偏铜电子束焊接接头的组织和力学性能进行了研究。研究结果表明，随电子束距对接中线铜侧偏移值的增加，QCr0.8／1Cr21Ni5Ti对接接头焊缝组织及成分逐渐均匀化，接头熔接状态得到改善；铜侧偏移值达0.8-1.0mm时，形成焊缝组织成分均匀化的熔钎接头，其拉伸强度可达330Mpa左右，已可满足实际使用要求。
关键词： 异种材料；电子束；熔钎焊
0 序言
目前新一代航天发动机中大量采用新材料及异种材料的连接结构，以充分发挥材料各自的性能优势及结构的特殊用途，从而保证发动机的整体性能。双相不锈钢具有优异的力学性能及耐全腐蚀性能，特别是具有良好的抗应力腐蚀能力，因此已广泛应用于石油、化工、原子能工程及航空航天发动机制造等领域[1]。而铬青铜是一种耐蚀性较好、热导率较高的材料，其中微量元素Cr的加入起到了细化晶粒、进一步提高强度的双重作用[2]。
铬青铜与双相不锈钢异种材料的有效组合同时满足了发动机推力室冷却及高强要求，从而涉及到铜—钢异种材料的焊接。针对电子束焊接具有能量密度高、加热速度快、焊接热影响区及变形小、参数稳定再现性好、易于控制及适于焊接难熔及异种金属等一系列的优点[3-5]，本文对QCr0.8与1Cr21Ni5Ti进行了电子束焊接的试验研究,并对不同偏铜距离下束焊接而形成接头的显微组织状态及其力学性能进行了分析,其结果可为合理的制定QCr0.8与1Cr21Ni5Ti焊接工艺,获得其优质连接提供理论和实验依据。
1 试验材料及方法
试验用铬青铜及双相不锈钢的化学成分及力学性能见表1。
试验用焊接设备为法国TECHMETA公司生产的MEDARD43型真空电子束焊机，焊机最大加速电压60KV，最大功率6kw,本实验所使用的阴极直径为Ф2.0。如图1所示，将清理好的铬青铜与双相不锈钢试件底面平齐沿长边对接放入焊机真空室工作台上的自制夹具中紧贴压靠，注意使其对接缝间隙最大不得超过0.25mm。然后在真空度为5.4×10-4mbr,加速电压HV＝60KV，电子束束流Ib＝45mA,焊接速度v=1m/min,表面聚焦状态下，改变电子束相对于对接接头中线向铬青铜侧的偏移值进行施焊。
图1 电子束焊对接接头示意图
采用日本进口的PMG3 OLYMPOS光学显微镜对焊后试样接头区进行显微组织分析。并在INSTRON MODEL1186电子万能试验机上进行接头拉伸试验。
2 试验结果与分析
2.1接头组织状态
QCr0.8与1Cr21Ni5Ti两种材料的熔点、热导率等热物理性能存在显著差异。通常纯Cu的热导率比纯Fe要大6～10倍，因此Cu侧的传热比Fe要快得多。这样，在偏铜值为0mm（即对中焊）时电子束作用于QCr0.8与1Cr21Ni5Ti对接接头母材两侧热量的分布极不均匀，这种相对于对接接头中线非对称温度场的形成将导致两侧母材熔化不均，1Cr21Ni5Ti的熔化量要大于QCr0.8，这对形成可靠熔焊接头不利。同时，考虑到在高能电子束作用下QCr0.8侧Cu元素烧损严重。为此，我们采用如图1所示的不等厚偏铜侧下束的接头形式以使焊缝两侧母材的热输入达到平衡，同时弥补了Cu烧损而引起的下塌焊缝形状。由图2（a）可见，偏铜值为0mm接头两侧母材均发生熔化，其焊缝组织宏观极不均匀，左上部的浅色组织区与中部及右上部的深色组织区有明显的分界线，结合Fe-Cu二元相图我们推断焊缝中部及近不锈钢侧的深色组织为α+ε相铸态混合组织；焊缝左上部近QCr0.8侧的浅色组织为Fe在Cu中的固溶体Cu(ss.Fe)，内含少量离散分布的α+ε相；此外，焊缝中α+ε两相组织的体积含量要大于Cu(ss.Fe) 相，说明在电子束对中焊接头中线两侧形成了非对称分布的温度场，从而导致两侧母材熔化不均。这种宏观组织和成分不均匀焊缝的形成缘于异种材料物理化学性能差异及电子束高能量密度，高效快速成缝的焊接特点。在对中焊时，两侧母材虽都有熔化参与熔池形成，但由于二者熔点、密度、原子活性及高温流动性的差异，在快速移动电子束深穿作用下两侧熔化母材金属尚未在液态无限互溶即开始结晶凝固，从而形成焊缝宏观组织的不均匀。在偏铜值为0.3mm时,如图2(b)所示，铬青铜侧熔化量明显增加，焊缝组织均匀化程度有所改善，焊缝为Cu(ss.Fe)与α+ε相混合组织，其中α+ε相不再聚集成大片的组织区，而是以小区块离散分布在焊缝中，在钢侧熔合线附近依然可见1Cr21Ni5Ti的明显熔化痕迹。如图2（c）所示，随着偏铜值的进一步增加，在偏铜值为0.8mm左右，可见焊缝组织基本上为全Cu(ss.Fe)相，接头区宏观组织不均匀现象完全消失。 
a)偏铜0mm(对中焊) b)偏铜0.3mm
 
c)偏铜0.8mm d)偏铜2.0mm
1Cr21Ni5Ti
图2 不同偏铜值接头中上部区域显微组织形貌
对该接头钢侧熔合线处的焊缝及热影响区的进一步观察（见图3）我们可以看出，在钢侧熔合线靠近试件上表面的很短的长度范围内，出现了一个熔合过渡区，结合其组织形态及Fe-Cu二元相图,我们分析认为其组织为Fe元素含量较高的α+ε相；在焊缝钢侧熔合线中下部1Cr21Ni5Ti母材未见熔化，而是与焊缝区形成了一薄的扩散过渡层。进一步增加电子束的偏移值，如图3（d）所示，只有铜侧母材熔化，而钢侧母材未熔合，从图中可见清晰的未焊合对接面。 
a)钢侧熔合线上部 b）钢侧熔合线下部
图3 熔钎焊缝结合界面微观形貌(偏铜0.8mm)
综上所述，随着电子束距对接中线铜侧偏移量的增加，电子束在母材两侧形成的焊接温度场的分布也随之变化，焊缝组织逐渐均匀化。在偏铜值0.8-1.0mm范围内，接头呈熔钎焊缝结合特征。此时，铬青铜母材熔化，而钢侧母材几乎不熔，熔化的铬青铜母材作为钎料，与钢侧母材相联结。偏铜量超过2.0mm，则接头无法熔合。
2.2 接头力学性能
图4 电子束偏铜距离对接头强度的影响
为了考核不同偏铜距离对接接头的连接性能,我们进行了接头拉伸试验。由图4可见，随电子束距对接中线铜侧偏移值的增加，QCr0.8／1Cr21Ni5Ti电子束焊接接头的强度呈近抛物线变化规律。在偏移值为0mm（即对中焊）时，接头拉伸强度很低，由上述组织分析可知，这主要是对中焊接头的焊缝组织及成分的宏观极不均匀分布造成的。随偏移值的增加，接头组织及成分逐渐均匀化，直至偏移值达0.8-1.0mm时，接头强度出现峰值，形成焊缝组织成分均匀化的熔钎接头。此时接头联结良好，强度最高可达330Mpa左右，已近接头最低母材强度的90％以上。偏铜值进一步增加，由于电子束斑的较大偏移及铜侧母材的急剧热散失，从而使接头钢侧对接面的电子束温度场的热作用降低，导致钎接界面处的原子扩散能力及程度下降，接头性能也随之降低。在偏铜量超过2.0mm时，由于电子束只对铜侧母材的加热作用，已无法形成有效的熔钎接头，接头未焊合。
4 结 论
1） 电子束距对接中线铜侧偏移值的增加将导致QCr0.8／1Cr21Ni5Ti对接接头焊缝组织及成分的均匀化，改善了接头的熔接状态。
2）铜侧偏移值达0.8-1.0mm时，形成焊缝组织成分均匀化的熔钎接头，其拉伸强度可达330Mpa左右，已可满足实际使用要求。
参考文献
[1] 任家烈,吴爱萍.先进材料的连接[M].机械工业出版社,2000.
[2] 森永卓一.铜及铜合金[M].国防工业出版社,1963.
[3] 王之康,高永华等.真空电子束焊接设备及工艺[M]．原子能出版社出版,1990.
[4] R.R.college. Electron beam welding[J]. Tooling & production, june 1974:66-67.
[5] [苏]B.B.巴申柯等.电子束焊接[M].国防工业出版社,1975.
作者简介：张秉刚，男，1971年9月出生，博士研究生。主要研究方向为异种材料电子束焊接工艺及机理。发表论文5篇。
Email:zhangbgcnhlj@yahoo.com.cn(end)
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