吳 磊 夏春智 劉 鵬

(1.江蘇科技大學材料科學與工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.山東建筑大學材料科學與工程學院,濟南 250101)

鉬錸合金焊接技術研究現狀

吳 磊1夏春智1劉 鵬2

(1.江蘇科技大學材料科學與工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.山東建筑大學材料科學與工程學院,濟南 250101)

鉬錸合金是一種極具發(fā)展前景的材料，但鉬錸合金對C，N，O敏感，呈現出高溫易氧化的特點，焊接接頭易形成氣孔，生成脆性化合物，造成性能下降。因此，國內外學者對其焊接性進行了研究。綜述鉬錸合金的電子束焊、激光焊、電阻焊、摩擦焊和真空釬焊等在國內外的研究現狀。對焊接中出現的問題進行分析與總結，并指出防止生成脆性相、氣孔和裂紋是鉬錸合金獲得良好焊接接頭的關鍵。

鉬錸合金 焊接 性能

0 序 言

金屬鉬硬度高，熔點高，具有較好的高溫強度，優(yōu)異的導電導熱性能，在電子、航天、能源等領域應用廣泛。然而鉬在常溫時較脆、加工性能差、易氧化、韌脆轉變溫度較高等缺點，限制了純金屬鉬的應用[1]。在鉬中加入一定量的錸元素，可大幅度地降低了鉬合金的塑脆轉變溫度，使得鉬錸合金具有良好的常溫性能[2]；同時又提高了鉬合金的再結晶溫度，提高鉬合金的高溫性能[3]。此外，鉬錸合金的焊接性能、抗輻射特性以及熱電特性表現優(yōu)異[4-6]。目前，鉬錸合金被廣泛應用在航空航天、加熱設備、核工業(yè)等眾多領域。

隨著工程實踐的不斷發(fā)展，對材料提出了更高的要求，而性能優(yōu)異的鉬錸合金是一種極具應用前景的材料。為滿足工業(yè)生產需要，擴大鉬錸合金的應用范圍，開展鉬錸合金焊接技術的研究工作，就顯得尤為迫切和重要。目前國內外學者對鉬錸合金的焊接進行了大量的研究并取得了長足的進步。

1 鉬錸合金焊接研究進展

目前，關于鉬錸合金焊接的方法主要包括電子束焊接、激光焊、電阻焊、摩擦焊和真空釬焊等方法。

1.1電子束焊接

真空電子束焊接具有能量密度高、束斑直徑和位置精確可控，焊接殘余應力小，焊縫無污染等優(yōu)點，是目前鉬錸合金應用最廣泛的焊接方式。

F.Morito等人[7-9]系統(tǒng)地研究了不同工藝方法制備的鉬錸合金焊接性、結構和力學性能。F.Morito等人改善制備工藝，發(fā)現在氫氣氛或真空中燒結可得到較純的鉬錸合金，使粉末冶金制備的鉬錸合金也能獲得良好的電子束焊縫。研究發(fā)現焊縫的晶界強度隨Re含量增大而增強；同時指出經熱處理后可改善焊材的晶間脆性，而且焊后熱處理與滲碳處理過程都可以有效恢復材料的強度和韌性，其實質是晶界碳的分離并均勻沉淀而使晶界粘合力增強的結果。試驗結果表明，為獲得性能良好的焊接接頭，鉬錸合金中錸含量應控制在25%(質量分數，下同)以上，而此時粉末冶金的鉬錸合金焊件塑性優(yōu)異。

F.Morito[10]進一步研究了鉬錸合金的焊接性。經焊后退火，含錸5%與13%的合金在到達屈服之前就斷裂，而含錸41%的鉬錸合金焊件不僅在室溫下具有優(yōu)異的延展性和屈服強度，而且低溫性能也顯著提高。在-90 ℃以下，含錸41%的合金具有1 000～1 500 MPa屈服強度；在-194 ℃的溫度下，觀察到屈服現象后，還有微小的延展性。主要是因為錸含量的增加和焊后退火處理共同降低了鉬錸合金焊件的韌脆轉變溫度，使Mo-41%Re焊件的韌脆轉變溫度由-60 ℃降到-154 ℃，極大的改善了鉬錸合金的低溫韌性。隨著錸含量的增加，鉬錸合金焊接凝固時晶粒再細化；而且錸含量增加引起焊件由晶間斷裂到穿晶斷裂的顯著改變，這就造成含錸41%的合金比含錸較低的合金更容易獲得無缺陷且性能優(yōu)良的焊件。

錸含量增加雖然可以有效改善鉬錸合金的力學性能及焊接性，但當錸含量超過45%時，鉬錸合金開始析出第二相σ相[11]。D.Freund等人[12]研究發(fā)現，實際生產的鉬錸合金中錸含量不應超過51%，當錸的質量分數超過51%時，生產過程中將會產生大量硬脆的σ相，不適宜焊接與生產加工[13-14]。同時發(fā)現Mo-47.5%Re經長時間熱處理也會產生σ相，造成硬度增加，韌性降低，且經1 800 ℃退火處理后，雖溶解了σ相，但在冷卻過程中會重新形成[15-16]。

A.V.Krajnikov等人[17-20]系統(tǒng)地研究了電子束焊接的鉬錸合金，在低溫和高溫中子輻射下的脆化現象。試驗結果表明，低溫輻射將導致試樣硬度顯著增加，但缺少韌性；而高溫輻射雖然同樣導致鉬錸合金焊件硬度增強，但在高溫測試中仍具有20%～30%的斷后伸長率。主要是因為高溫輻射導致富集錸的相均質形核，平衡了焊縫、熱影響區(qū)和母材力學性能的差異。

真空電子束焊接可抑制氧和氮的不利影響，而且焊接能量集中，減少了氣孔和焊接裂紋的產生。但焊接溫度過高，使得鉬錸合金焊縫區(qū)晶粒粗大，導致焊接接頭韌性和強度下降。當錸含量在25%～51%時，電子束焊接可獲得良好的焊接接頭，而適當的滲碳及熱處理可提高焊件性能。

1.2激光焊

激光焊是一種高效精密焊接方法，激光作用時間短，熱影響區(qū)小，焊接能量密度相對較大，為無接觸焊接，可用于焊接高熔點難熔金屬。

激光焊接過程中激光能量、激光束作用時間、脈沖寬度對焊縫成形以及焊接性能影響很大。D.P.Kramer等人[21]研究了用電子束焊接與Nd-YAG激光焊對Mo-44.5%Re板材焊接。采用的焊接工藝參數為：電子束功率120 W；脈沖頻率15次/秒；脈沖長度5 ms；焊接速度22.86 cm/min。由于鉬錸合金對氧、氮氣體雜質極其敏感，激光焊接時，采用氬氣雙面保護；為焊透板材(0.5 mm)，采用雙面焊接(功率為120 W)。

試驗結果表明，電子束焊接試樣的拉伸強度和延展性顯著優(yōu)于激光焊。主要原因是在激光焊縫中心出現了微小的裂紋，嚴重影響了焊接接頭性能。激光焊與電子束焊接相比，激光焊接頭具有更小的晶粒和熱影響區(qū)。

D.P.Kramer指出，裂紋的形成極有可能與凝固模式、熱輸入相關。電子束焊接過程中，采用單面焊雙面成型，凝固從焊縫背面開始，一直跟隨電子束，直到焊接結束，是一個完整的過程；而激光焊采用的是脈沖激光，凝固過程發(fā)生在兩個脈沖之間，整個焊縫是多次凝固成型的，而在凝固的間隙易形成裂紋。

筆者課題組最近利用低功率CO2通用脈沖激光器對Mo-50%Re薄片材料(0.13 mm厚)進行了激光搭接試驗研究。試驗中搭接區(qū)采用Ar氣單面保護，當激光工作功率為80～90 W時，能夠實現搭接接頭局部區(qū)域的有效冶金結合，但在搭接接頭有效冶金結合區(qū)仍存在少量的微氣孔，但未發(fā)現存在裂紋；而當激光工作功率高于90 W時，兩個搭接Mo-50%Re薄片將會嚴重燒損甚至直接熔斷；當激光工作功率低于80 W時，將造成搭接Mo-50%Re薄片的上板在激光焊接區(qū)兩側上翹變形，與下板激光焊接區(qū)未形成有效冶金結合。

有效連接工藝試驗表明，由于Mo-50%Re材料自身具有的高的脆性性能，以及快速、高溫的激光焊條件下很難實現有效的連接，圖1為激光功率80 W時獲得搭接接頭的顯微硬度試驗結果，結果表明整個搭接區(qū)(包括焊縫區(qū)WZ、熱影響區(qū)HAZ)的硬度顯著高于兩側上下母材(BM)硬度，熱影響區(qū)(HAZ)+焊縫區(qū)(WZ)兩區(qū)平均硬度約高于母材(BM)區(qū)120 HV左右。這說明在熱影響區(qū)(HAZ)+焊縫區(qū)(WZ)兩區(qū)中經過激光焊接后產生了硬度較高的硬質相。但由于被焊母材僅有兩種元素組成，并且焊接過程受到Ar氣體有效保護，受外來元素侵入進而形成高硬質相可性能較小，因此探討Mo-Re二元合金在激光焊接過程中的相變及其影響將十分必要，尤其是如何通過相關輔助工藝盡可能減少高硬質相的存在對實現接頭的有效連接至關重要。

圖1 Mo-50%Re低功率激光焊搭接接頭顯微硬度分布

激光焊接鉬錸合金過程中易出現焊接強度低、裂紋、硬質相等問題，而趙世柯等人[22-26]采用過渡合金元素的方式使鉬合金焊點的強度和脆性有明顯的改善，使過渡合金元素成為改善激光焊接鉬錸合金工藝的重要方向。

1.3電阻焊

電阻焊是將焊件壓緊在兩電極之間，并通以電流，利用電阻熱將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，使其結合的一種方法。熔核形成時，始終被塑性環(huán)包圍，熔化金屬與空氣隔絕，冶金過程簡單。

J.Xu和T.Zhai等人[27-28]研究微型電阻焊焊接50Mo-50Re合金薄片。通過對主要參數(焊接時間、電極材料、電極形狀、電極壓力、電流增長時間、焊接電流、保壓時間)適當調整參數，可有效改善焊接質量。其中，一定范圍內電流增長時間的增加可顯著提高焊縫強度，減少噴濺，并且減少電極和工件之間的接觸電阻；而較小的電極壓力可以形成直徑最大為電極直徑30%～40%的熔核，有效提高焊件載荷。在焊接過程中，焊縫凝固過程中收縮及原材料中殘留的揮發(fā)性物質在焊接過程中揮發(fā)導致焊縫會普遍形成氣孔，降低焊縫性能。

1.4摩擦焊及真空釬焊

與熔焊方法相比，摩擦焊和真空釬焊由于焊接溫度低，對母材的影響小，更有利于鉬錸合金的焊接。有研究表明，利用摩擦焊焊接鉬錸合金的韌性和強度優(yōu)于電子束焊接得到的接頭。

V.M.Felix等人[29]發(fā)明了摩擦焊接鉬錸合金的設備，可以用來焊接錸含量為10%～50%的鉬錸合金。試驗結果表明，Mo-41%Re棒材焊件焊接后，焊接彎曲強度可以達到母材的85%，拉伸強度達到母材的90%；而Mo-13%Re的棒材，焊接后極限抗拉強度達到551 MPa。在焊前經1 100 ℃加熱保溫3 h的Mo-41%Re管材式樣，在彎曲測試中斷裂；而在焊后經960 ℃熱處理15 min的式樣，彎曲測試可達30°，而焊接接頭強度可與母材相當。

陸允信等人[30]研究了鉬的釬焊，指出釬焊鉬時應采用熔點高、蒸汽壓低的釬料。同時為發(fā)揮鉬錸合金的高溫性能，筆者課題組采用Fe-Si-B，BNi5及自制的Ni基高溫釬料實現了Mo-50%Re合金的真空釬焊。研究發(fā)現，Mo-50%Re合金熔點較高，與其它元素冶金反應較少，或在較高溫度才能反應可選釬料較少；由于對O元素極敏感，同時對釬料制備及高溫釬焊設備要求較高。釬焊溫度控制應在釬料液相線附近才能與母材潤濕良好，并發(fā)生冶金化學反應，形成致密焊縫，而構件焊縫致密，接頭牢固。

Mo-50%Re合金晶粒尺寸分布在20～50 μm之間，如圖2所示。釬焊溫度低于其再結晶溫度，焊后鉬錸合金母材晶粒無明顯長大。經研究發(fā)現，在釬料中加入Si，B等降熔元素在釬焊過程中可擴散進母材，降低鉬錸合金的熔點，使母材元素進入焊縫，發(fā)生冶金反應，形成固溶體，同時擴散到焊縫中的Mo和Re元素，起到骨架的作用，限制釬料的過分流動。Fe基釬料焊縫中，母材側存在明顯擴散層與固溶體層；BNi5釬料焊縫中，反應復雜，等溫凝固過程中形成(Mo-Cr)固溶體及含Si脆性相；NiMnSiCuZr釬料焊縫中，釬料與母材反應劇烈，形成(Re-Zr)固溶體與Ni基固溶體。

圖2 Mo-50%Re合金形貌

摩擦焊與釬焊為固相焊接，溫度低，對鉬錸合金影響小，獲得的焊接接頭性能優(yōu)異，可滿足未來工程中的應用，具有極大的發(fā)展前景。

2 結束語

鉬錸合金是高溫難熔金屬合金，由于其本身的特點，使得鉬錸合金的焊接還存在很多問題。在鉬錸合金中的熔化焊中，應用廣泛的是電子束焊接，其在真空環(huán)境中，可抑制氧和氮的不利影響，焊接能量集中，但焊件受真空室尺寸的限制，對設備要求高；激光焊焊接鉬錸合金，熱影響區(qū)小，焊縫晶粒細小，真空釬焊焊接溫度低，對母材影響小，可獲得性能優(yōu)異的焊接接頭。

為解決鉬錸合金焊接過程中出現的問題，應采用低氧或超低氧焊接，熱輸入通常選擇能保證熔深的最小值，焊前預熱和適當緩冷，減少冷裂傾向。通過在焊接接頭中過渡合金元素Ti，Zr，Pt來細化晶?；蚪档湍虦囟?，減少焊縫內雜質與熱應力改善焊縫性能，都是鉬錸合金焊接具有發(fā)展前景的研究方向。

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2016-06-21

國家自然科學基金資助項目(51405205)；中國博士后科學基金面上資助項目(2015M581751)。

TG441

吳 磊，1989年出生，碩士研究生，研究方向為新材料及特種焊接技術。