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异种材料真空电子束焊接研究现状分析冯吉才,王廷,张秉刚,陈国庆(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨150001摘要:真空电子束焊接具有高能量密度、束斑直径和位置精确可控,焊接残余应力小,焊缝无污染等优点,因此,电子束焊接在异种材料连接领域的应用成为近年来研究的热点,并取得了大量的研究成果,部分已经在工业生产中得到了应用.由于电子束焊接属于熔化焊接,因此在异种金属连接中也存在冶金过程带来的困难.文中对异种材料的真空电子束焊接的研究现状进行了分析,对不同类型的异种材料接头真空电子束焊接中存在的问题和解决方法进行了总结,并提出了今后异种材料真空电子束焊接的研究重点.关键词:异种材料;真空电子束焊接;研究现状中图分类号:TG456.3文献标识码:A文章编号:0253-360X(200910-0108-05冯吉才0序言随着经济的发展和科学技术的不断进步,新材料、新工艺应用日益广泛,对零部件综合性能的要求越来越高.单一金属结构通常很难满足工业生产的需求,或者即使某种金属比较理想,也往往由于十分稀缺,不能在工程中普遍应用,因此异种材料连接的复合结构是发展趋势.但异种材料熔化焊时存在冶金不相容性,例如形成脆性金属间化合物、不同熔点相的偏析以及大的残余应力等问题,使接头性能较差.采用钎焊、摩擦焊、电阻焊、扩散焊、胶结以及机械连接都能实现异种金属的可靠连接,但使用条件受到极大限制[1].解决问题还需要从熔化焊入手.从异种金属连接研究近年来发表的文献分布可以看出,电子束焊接技术是采用频率最高的[2],这是因为真空电子束焊接具有以下优点:(1焊缝热输入小,热应力低;(2焊接变形小;(3在真空条件下进行焊接,焊缝纯洁度高;(4焊接参数精确可调,工艺适应性强,重复性和再现性好[3].文中对异种材料电子束焊接的研究现状进行了总结,分析了异种材料电子束焊接存在的问题和解决方法.1异种金属电子束焊接主要方法根据电子束焊接(EBW的特点,对于难焊的异种材料的电子束焊接,目前主要采取以下两种工艺方法.(1过渡材料法.该工艺针对一些冶金上不相容的金属的连接,通过填充另一种(或几种与两者皆相容的金属箔片(或金属丝来改善接头的冶金性能,从而实现电子束焊接.添加过渡金属材料的方法可以通过机械镶嵌,也可以通过表面熔覆或者堆焊的方法.表1是电子束焊接异种金属接头常采用的过渡金属材料[3,4].表1电子束焊接异种金属常用过渡金属材料Table1Transitionmaterialsusedinelectronbeamweldingfordissimilarmaterials被焊异种金属过渡层金属镍合金(Ni+铌合金(NbPtMo+钢Ni不锈钢+Ti,NiV硬质合金+钢Co,Ni黄铜+铅(PbSn铝合金(Al+铜合金(CuZn,Ag低合金钢+碳钢10MnSi8钢+钛合金(TiNb,青铜,V+Cu,Cu+Ni紫铜(Cu+低碳钢Ni,CuNi合金铝合金(Al+不锈钢Ni,Ag不锈钢+CuNi合金镍基合金Ta-W-Hf+W-Re-MoMoTZM(主要含Mo+N-iCr-WNb-Zr钛合金(Ti+铼(ReTi+Mo+Re粉末熔覆第30卷第10期2009年10月焊接学报TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONVol.30No.10October2009能量精确可控的特点,在焊接异种金属接头时控制能量在两侧金属的分布,从而控制两侧金属的熔化量.主要控制方法包括偏束法和扫描轨迹法.偏束法指在焊接时通过焊枪的移动或偏转使电子束入射到某一侧母材上.扫描轨迹法则是通过控制线圈和扫描函数发生器,使电子束按照特定的轨迹扫描,从而实现对电子束能量分布的控制[5].2异种材料电子束焊研究现状2.1同种金属不同系列2.1.1异种铝合金何金江等人[6]对14mm厚高纯AlCu0.5合金与6061合金进行了电子束焊接,采用圆形扫描方式.焊缝中没有发现Mg2Si强化相的存在,接头强度高于AlCu0.5母材,焊缝得到了强化.Dahan等人[7]对纯铝1050与6061铝合金的电子束焊接进行了研究,发现焊缝中出现裂纹,焊缝中的硅含量和镁含量对裂纹长度有重要影响,分别与裂纹长度呈线性和抛物线关系.2.1.2异种镍基合金王亚军[8]对镍基高温合金GH4169与铁基高温合金GH907电子束焊接进行了研究,发现主要的缺陷是根部液化裂纹(图1.液化裂纹的产生是由于奥氏体晶界存在连续的液化膜,这种液化膜主要来自于GH4169中的NbC,GH907中的富Nb及富Si的Laves相或G相.通过降低热输入,能够减少液化裂纹的产生.图1近缝区液化裂纹Fig1Liquefiedcracknearweld2.1.3异种钢铁材料(1碳钢与不锈钢.异种钢的焊接主要是碳钢与不锈钢之间的焊接,因此接头的抗腐蚀性能是关注的重点.Lee等人[9]对690钢与SUS304L电子束焊缝枝晶间包含细小的TiN沉淀和富N-iCr相.休氏试验发现,TiN沉淀和富N-iCr相周围的基体是点蚀优先产生的区域.由于EBW过程中快速冷却,相比GTAW接头,焊缝中形成的TiN沉淀和富N-iCr相相对较少,同时还可以抑制铬碳化物的析出,减小晶界Cr元素的损耗.结果,EBW焊缝中只观察到有限的点蚀,体现出更好的抗晶内腐蚀性和抗枝晶间抗腐蚀性能.Lee等人[10]还在空气和Na2S2O3+NaCl腐蚀环境中进行了低应变拉伸性能测试.拉伸断裂都位于熔化区,在腐蚀环境中的抗拉强度和伸长率都低于空气中的数值.(2铸铁与碳钢.铸铁能够实现近净形成形,铸铁构件的形状几乎可以不受限制,因此将铸铁与其它钢焊接起来是减小构件尺寸的有效方法.Hatate等人[11]对低碳钢SS400和球墨铸铁FCD450电子束焊接时发现,接头中铸铁熔化并快速冷却形成渗碳体,使得接头塑性下降.通过在对接面加入含大量Ni元素的铸铁薄片,能够阻止渗碳体的形成,接头抗拉强度可以达到400MPa,高于用Fe-Ni焊丝进行MAG焊时的350MPa.2.1.4异种镁合金异种镁合金电子束焊接时由于两种合金在熔池中的流动性不同而易产生微孔,从而使接头产生裂纹,使接头的强度和塑性都变差.Chi等人[12]研究了Al元素对改善异种镁合金接头的强度和塑性的作用.结果显示,Al元素能够提高焊缝金属的流动性,有利于闭合微孔,从而提高接头的强度和塑性.在对以下不同组合AZ31B-AZ61A,AZ31B-AZ91D,AZ61A-AZ91D的电子束焊接时,铝元素含量高的组合,接头最终抗拉强度高,焊缝区域的显微硬度值也较高.2.2能相互固溶的异种金属材料对于能相互固溶的异种金属材料的电子束焊接比较容易实现,需要注意的是焊接过程由于物理性能差异造成的焊接缺陷问题.这一类异种金属的焊接最典型的就是钛合金与铌合金的焊接.钛和铌可形成固溶体组织,不会产生脆性金属间化合物.但两种合金的熔点差异大,热传导性能也有差别,两侧热输入相同时,会导致焊缝几何尺寸不对称.杨尚磊等人[13]对BT5-1钛合金与C-103铌合金进行电子束焊接时,通过扫描电子束在两侧采用不同的占空比控制两侧的热输入.在C-103侧占空比为0.9时接头熔合良好.胡振海等人[14]对7715D钛合金与铌合金C-103进行电子束焊接时,为了补偿两种金属的物理性能差别,焊接时通第10期冯吉才,等:异种材料真空电子束焊接研究现状分析109头平均抗拉强度为552MPa,高于铌合金母材的强度,接头可弯曲180而无裂纹出现.2.3两种难以共溶的异种金属材料这类合金焊接的典型是铜和钢的焊接,二者不易发生相互作用,但由于铜的线膨胀系数和收缩率均很大,与钢焊接时热应力和组织应力较大,且两种金属在固相很难互溶,如果焊接时不能很好的控制母材的熔化量,极易在界面形成缺陷.同时,铜因其导热性极好而容易出现基材难以熔合、焊不透和表面成形差等缺陷.Magnabosco等人[15]对CuAISI304L,CuAISI304以及CuCrZrAISI316L进行电子束焊接时发现,Cu元素能够扩散进入钢奥氏体晶界,导致微裂纹产生.接头由两种非平衡的富Cu相和含有Fe,Cr,Ni的奥氏体组成,必须在对束流、焊道数目和焊接速度等工艺参数的精确优化设计下,才能获得优良的焊接接头.王向斌等人[16]采用焊前预热和铜侧偏束的方法对不等厚的T2紫铜(厚34mm和10钢进行电子束焊接.预热采用散焦电子束沿紫铜侧扫描进行.焊前多次预热,使紫铜温度达到150~200,电子束偏10钢侧0.3~0.5mm,接头能够获得满意的焊缝成形.张秉刚等人[17]采用电子束熔钎焊对QCr08和1Cr21Ni5Ti接头进行了焊接,调整电子束距对接面的距离可以改善接头的焊缝组织,在铜侧偏值达0.8~1.0mm时,形成焊缝组织成分均匀,抗拉强度可达330MPa.2.4形成金属间化合物等脆性相的异种金属材料这类接头两种金属间的物理及化学性能具有显著差异,这给熔焊带来了很大困难.焊接时易在接头区生成大量的金属间化合物等脆性相,给接头强度带来不利影响,甚至根本无法进行直接熔化焊接.2.4.1铝和钢铝合金与钢焊接时易在接头区生成大量的Fe-Al脆性金属间化合物,而且铝和钢熔点相差较大,得到成形良好的焊缝也比较困难.张秉刚等人[18]采用100m厚Cu箔作为中间层对2mm厚LF2铝合金和Q235钢进行电子束焊接,结果显示铜对铝钢接头金属间化合物的抑制作用不明显,连接接头的强度为75MPa.2.4.2铜和钛刘伟等人[19]对QCr0.8和TC4的电子束焊接性进行了研究,结果发现,焊缝中形成大量的钛铜金属间化合物,断裂发生在化合物层中,接头抗拉强度最大为82MPa.采用偏束焊能够大幅度提高二者的结合强度,在铜侧束偏量为0.8mm时,接头塑性得到,2.4.3钛和钢由T-iFe相图可知,铁在-Ti中的溶解度只有0.04%,熔化焊接时接头中几乎全部由T-iFe金属间化合物组成,在焊接热应力作用下发生开裂,无法实现连接.进行电子束焊接时可选用钒、铌或青铜作为中间材料,以改善接头组织.焊前严格清理被焊材料,可按焊接钛或钛合金的焊接参数选择工艺参数.焊接过程中也可采用偏束的工艺来改善焊缝成形和显微组织[4].通过焊前预热和焊后后热可以降低降温速率,有助于缓解焊接热应力,避免接头开裂.2.4.4钛和铼铼属于稀有难熔金属,并具有较高的密度,良好的抗化学性能和稳定性,没有脆性转变温度,但非常昂贵且难以加工成形.钛合金与铼的复合结构在航空航天领域有很好的应用前景.杨尚磊等人[20]对铼与BT5-1钛合金的电子束焊接进行了研究,发现直接进行电子束焊接的焊缝成形不良,在钛合金侧容易出现气孔和马氏体相,在铼侧出现裂纹和Ti5Re24脆性相.Re含量超过10%时,焊缝中出现脆性相,也会降低接头的塑性.为了改善接头性能,在BT5-1表面用电子束熔覆含有Ti,Re和Mo元素的粉末,然后采用焊前预热和焊后后热的方法对热量进行控制,接头成形良好,裂纹和气孔消除,Re,Mo,Ti元素在接头中变化均匀.2.5金属与陶瓷、化合物材料、非晶材料2.5.1金属与陶瓷材料真空电子束焊接是金属与陶瓷的一种有效的焊接方法.但陶瓷与金属的焊接接头容易在热应力作用下开裂,因此焊接时要注意减小焊接应力.焊接时要进行适当的焊前预热和焊后后热,以降低冷却速度,缓解残余应力.高纯Al2O3陶瓷与难熔金属(W,Mo,Nb,Fe-Co-Ni合金电子束焊接时,宜采用高压电子束焊机进行[4].2.5.2金属与金属间化合物材料(1钛铝与钛合金.钛铝金属间化合物由于塑性差,焊接时接头容易在热应力作用下产生宏观裂纹,与其它金属焊接时应注意控制焊缝金属降温速率,以降低热应力,从而控制焊接裂纹的产生.张秉刚等人[21]对T-i43A-l9V-0.3Y与TC4的电子束焊进行了研究,TiAl合金侧局部产生横向裂纹,焊缝中还常会形成气孔.焊缝区以-Ti3Al相为主,焊接速度的变化对接头抗拉强度的影响不大,而束流与抗拉强度的关系曲线存在峰值,接头强度最高可达210MPa.张洪涛等人[22]研究发现T