王亞榮，滕文華，余 洋，樊亞麗

(中國工程物理研究院 機械制造及工藝研究所，綿陽 621900)

高強鋁合金因具有良好的耐蝕性、較高的比強度和比剛度、良好的導電性及導熱性等綜合性能，在航天航空、國防等領域有著廣泛的應用前景[1?3]。同時，由于其特殊的理化性質(zhì)，如密度低、熔點低、熱導率和電導率大、熱膨脹系數(shù)大、化學活潑性很強、易氧化、且氧化物的熔點很高，所以，在焊接高強鋁合金過程中會產(chǎn)生如氣孔、變形、熱裂等一系列問題[4?6]。2A14高強鋁合金屬于熱處理強化鋁合金，其高強低韌的特殊物理性質(zhì)和沉淀強化機制[7?8]使得這種材料在焊接過程中較其他鋁合金更容易產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷，可焊性很差。利用電子束焊接高強鋁合金，不僅有效地防止焊接過程的氧化，而且可以減少和抑制鋁合金焊縫中氣孔的產(chǎn)生，同時由于電子束的穿透能力非常強，焊接速度快，可以很好地抑制鋁合金焊縫熱影響區(qū)晶粒的長大，可以在一定程度上改善鋁合金接頭軟化現(xiàn)象，因此，電子束焊接高強鋁合金具有明顯優(yōu)勢。

高功率密度的電子束焊接鋁合金時，束流與材料作用加熱速度非常快，同時小孔效應促使電子束流在很短時間內(nèi)形成深寬比很大的熔池。焊縫的冷卻過程主要是通過大溫度梯度的金屬材料的自傳導實現(xiàn)的，冷卻速度非常大[9?10]，而相對于鋼鐵材料，鋁合金材料的熔點低、比熱小、熱導率高(是低碳鋼的 5倍)，因此，焊縫液態(tài)金屬的凝固速度很快，其電子束焊接頭組織有著區(qū)別于其它金屬的顯著特點。目前的研究大多關注于鋁合金電子束焊接工藝與接頭組織的關系，很少去關注接頭內(nèi)部不同區(qū)域內(nèi)微觀組織的分布特征，而接頭的組織構成與分布卻直接影響接頭最終的綜合性能，因此，研究電子束焊接鋁合金接頭組織分布特征具有重要的意義，本文作者將針對電子束焊接 2A14鋁合金的微觀組織構成及分布特征進行深入研究，揭示鋁合金電子束焊接過程中熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的凝固行為，為接頭性能的綜合控制提供依據(jù)。

1 實驗

試驗材料 2A14高強鋁合金，尺寸規(guī)格為 230 mm×100 mm×10 mm，焊前狀態(tài)為固溶處理后再人工時效的穩(wěn)定狀態(tài)，微觀組織見圖1所示，以Al-Cu二元相圖為參考依據(jù)，借鑒其他資料文獻可知[11?13]，母材組織為含有少量Cu的Al基固溶體—α相，強化相為Al2Cu和Mg2Si。

圖1 2A14 母材組織Fig. 1 Microstructure of base metal 2A14

表1所列為2A14鋁合金的主要成分。材料主要的物理性能見表2所列。試驗在德國Pro-beam公司生產(chǎn)的高壓電子束焊機上進行，焊前試件表面用銅刷輕刷以去除表面油污和附著物，之后用丙酮清洗表面。具體的焊接參數(shù)見表3所列。焊接時焦點位置的變化是通過控制聚焦電流來實現(xiàn)的，增加聚焦電流，焦點位置向上移動，因此表3中焦點位置+40 mA代表著焊件表面上聚焦，即散焦焊接。而掃描圖形的掃描頻率對接頭組織分布及氣孔等缺陷的形成有很大的影響，頻率越高，氣孔含量越少，在本試驗中，采用的頻率為10 kHz。焊后在光學和電子顯微鏡下對焊縫橫截面組織分布和特征進行觀察。

表1 2A14鋁合金的主要化學成分Table 1 Chemical composition of 2A14 Al alloy (mass fraction, %)

表2 室溫時2A14 鋁合金常用物理性能和機械性能Table 2 Major mechanical and physical properties of 2A14 Al alloy at room temperature

表3 電子束焊接工藝參數(shù)Table 3 Parameters of EB welding

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫的典型微觀組織

電子束焊接 2A14鋁合金焊縫截面的整體形貌如圖2所示。整個區(qū)域可以明顯地分為母材、熱影響區(qū)和焊縫3大部分。由于電子束焊接熱輸入量小且集中，焊縫冷卻迅速，熱影響范圍較小。整個焊縫內(nèi)部組織沿著熔深方向存在明顯的差異，為了能更好地研究組織的變化情況，將放大的組織照片沿深度方向拼接，可以發(fā)現(xiàn)焊縫組織在縱深方向存在明顯的分層現(xiàn)象，標識出焊縫內(nèi)部各個特征區(qū)域，如圖2所示，對各個區(qū)域的組織特點進行對比分析。

2.2 焊縫中心組織沿熔深方向的分布特征

根據(jù)沿著焊深方向焊縫中心組織的變化特點可以分為6個區(qū)域，將這6個區(qū)域的組織進行對比，見圖3所示。從對比中可以發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)部組織的形貌、尺寸和生長方向有著很大的區(qū)別，證明其在凝固過程中所處的溫度環(huán)境存在很大的差異。Ⅰ區(qū)的焊縫組織為大塊的等軸晶，Ⅱ區(qū)的晶粒為柱狀枝晶，晶粒尺寸達到20～50 μm存在著明顯的結(jié)晶方向，由晶粒的生長方向可以得到此處熔池凝固時最大的熱散方向，可以看到晶粒生長的方向與垂直于熔池凝固的分層輪廓線。而到達Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)后，焊縫內(nèi)部的晶粒非常的細小，晶粒尺寸小于10 μm，為細小均勻的枝晶組織，晶粒凝固沒有明顯的方向性，證明在整個焊縫當中，這里經(jīng)歷的高溫時間最短，凝固速度最快，也就是說焊縫的中心部位受到的攪動最為劇烈，液體流動速度最快，各個方向的散熱速度相同。而到達Ⅴ區(qū)后。晶粒又有所增大，可以看到晶粒的生長方向。到達焊縫根部Ⅵ區(qū)，晶粒為塊狀等軸晶，尺寸呈現(xiàn)明顯長大，這說明焊縫根部晶粒有充分的時間長大。

圖2 2A14電子束焊接頭的顯微組織Fig.2 Microstructures of 2A14 EB welding joint

圖3 焊縫中心組織沿熔深方向分布Fig. 3 Microstructures distributions of weld center along fusion depth direction: (a)Area Ⅰ; (b)Area Ⅱ; (c)Area Ⅲ; (d)Area Ⅳ;(e)Area Ⅴ; (f)Area Ⅵ

由于電子束是靠加速電壓加速電子轟擊工件表面，電子的動能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬迅速熔化和蒸發(fā)。在焊縫根部的Ⅵ區(qū)，電子束對這里的金屬沖擊和攪拌均減弱，即此處焊縫溫度梯度較小，對流不充分，沿各個方向散熱緩慢，液態(tài)金屬有較為充足的時間長大。

2.3 焊縫邊緣組織沿熔深方向的分布特征

焊縫邊緣靠近熔合線的組織分布如圖4所示。圖4中在熔合線左邊為焊縫，右邊為熱影響區(qū)。對于靠近熔合線區(qū)域的焊縫組織，焊縫上部A和B區(qū)的晶粒尺寸明顯較大，生長方向很一致，均沿著最大散熱方向，且在與母材相連接的區(qū)域聯(lián)生晶區(qū)范圍較寬，這也證明在這一部分溫度梯度較大，且在高溫區(qū)停留時間較長，晶粒有較充裕的時間沿散熱方向生長為較大的晶粒。而靠近中心部位的C、D區(qū)晶粒變得很細小，且枝晶生長方向不是很清晰，也就是這一部分液態(tài)金屬受到的攪動非常劇烈，溫度梯度減小，而且液態(tài)金屬的流動會將母材半熔化區(qū)的組織沖刷進熔池，增加了異質(zhì)形核中心，增大形核率的同時，又打亂了枝晶原本的生長方向。而到E區(qū)，液態(tài)金屬的流動減緩，熔合線附近液態(tài)金屬凝固為枝晶組織，生長方向垂直于熔合線，而到F區(qū)后，晶粒有明顯長大，呈現(xiàn)等軸晶狀，這里電子束的攪拌作用減弱，液態(tài)金屬流動緩慢，溫度梯度很小，晶粒生長非常充分。

焊縫組織分布上的不均勻說明電子束焊接中能量分布非常不均勻，致使不同部位的焊接材料在熔化、流動、凝固過程中的差異，ARATA[14]采用鎢粒示蹤體研究電子束焊接匙孔周圍熔體的流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在熔池上部的流動很緩慢且相當平靜，但進入中部，流動變得很劇烈，而接近底部時，運動軌跡變窄，且在根部處，接近停止。也就是說在電子束焊接時，液態(tài)金屬的流動在整個焊接區(qū)內(nèi)是非常不平衡的，在中部非常劇烈，而在頂部則相對較為平緩，再到根部則接近停止[15]，這樣的流體運動分布決定了焊接熔池各部分的熱循環(huán)曲線也必定相差很大，焊縫沿熔深方向的微觀組織分布從一個側(cè)面驗證了電子束焊接時液態(tài)金屬的流動行為。

2.4 焊縫根部縮孔與裂紋的產(chǎn)生與防治

電子束焊接鋁合金時，電子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，電子束持續(xù)撞擊金屬表面，在高壓金屬蒸汽的作用下，熔化的金屬被排開，電子束繼續(xù)撞擊深處的固態(tài)金屬，形成一個小孔，隨著電子束與工件的相對移動，液態(tài)金屬沿小孔周圍流向熔池后部，逐漸冷卻，凝固而成為焊縫。但在攪拌不充分的情況下，根部熔化的金屬在凝固時流動緩慢，不能很好地完整地填充所有的熔化區(qū)域，在焊縫根部很有可能形成縮孔，且常常伴隨著裂紋的產(chǎn)生，如圖5所示。這樣的焊接缺陷嚴重影響到接頭的性能和使用，因此必須加以抑制。

對于電子束焊接鋁合金時出現(xiàn)這種根部缺陷，一方面加大束流攪拌頻率，采用散焦焊接，可以延長熔池凝固的時間，增加電子束對熔池底部的攪動作用，圖6所示為電子束焊接中散焦與聚焦束流對熔池的作用示意圖。另外，可以采取焊后背部重熔的方法加以改善，重熔后的接頭形貌如圖7所示，根部縮孔和裂紋缺陷在重熔過程中得到消除。

圖4 焊縫邊緣組織沿熔深方向分布Fig. 4 Microstructures distributions of weld edge along fusion depth direction: (a)Area A; (b)Area B; (c)Area C; (d)Area D;(e)Area E; (f)Area F

圖5 焊縫根部縮孔Fig. 5 Shrinkage cavity in weld root

圖6 散焦與聚焦焊接示意Fig.6 Schematic diagrams of focusing out(a)and focusing(b)beams in electron beam welding

圖7 焊后重熔消除根部縮孔示意圖Fig. 7 Schematic diagram of eliminating shrinkage cavity of weld root by re-melting

3 結(jié)論

1) 2A14鋁合金電子束焊縫接頭的組織分布由上而下晶粒尺寸逐漸減小，到焊根處晶粒尺寸又進一步增大，這樣的組織分布特征與電子束焊接時熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的流動行為有著密切的關系。

2) 焊縫中心部位液態(tài)金屬流動速度快，降低了熔體內(nèi)的溫度梯度，大量的晶核在溫度梯度較小的液相中向各個方向長大成為細小均勻的枝晶組織。

3) 在焊縫的邊緣處溫度梯度較大，由于散熱方向不盡相同，其上聯(lián)生結(jié)晶生長出的晶粒在方向上存在差異，熔合線附近焊縫微觀組織晶粒生長具有明顯的方向性。

4) 焊縫根部容易產(chǎn)生縮孔和裂紋等缺陷，影響接頭性能，應采取措施消除。

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