黃以平,李少林,劉海浪,蔣健博,彭治國,譚 毅
(1.桂林電子科技大學機電工程學院,桂林 541004;2.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室,鞍山 114000;3.大連理工大學材料科學與工程學院,大連 116024)
自20世紀50年代電子束設備成功應用于焊接領域以來[1],其獨特的熱源特點和優(yōu)異的焊接質(zhì)量使其在航空航天、核電、船舶重工等行業(yè)得到快速發(fā)展[2-5]。與傳統(tǒng)的焊接相比,電子束焊接能量密度高、熱輸入低、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小、焊接變形小、自動化程度高,在難熔金屬及異種金屬焊接方面具備極大優(yōu)勢[6]。
磁場作為自然界中最為重要的能量場之一,在金屬熔煉、控制凝固、固態(tài)相變等多個材料加工領域應用廣泛[7-8]。在熔煉過程中施加電磁場,可以凈化鋼液,去除夾雜物,起到精煉除雜的作用[9];在材料的凝固過程中施加電磁場,可以影響金屬液體的流動狀態(tài),改變凝固過程中的溶質(zhì)分布,從而改善鑄坯的表面質(zhì)量,細化鑄坯內(nèi)部的凝固組織,減少鑄件的疏松和縮孔[10];在固態(tài)相變過程中施加電磁場,可以改變相變的熱力學條件,影響合金析出相的組織取向[11],改變相變溫度、相變過程及產(chǎn)物形貌[12]。焊接是一個涉及冶金、凝固和相變的復雜的物理化學過程。研究表明,在電弧焊、激光焊等焊接過程中引入單一磁場[13-16]或電磁超聲復合能量場[17],可以調(diào)控焊接熔池液態(tài)金屬結(jié)晶過程的傳質(zhì)及傳熱行為,減小成分偏析,細化焊縫組織,調(diào)整焊縫形狀,從而改善焊縫的綜合性能。而在電子束焊接過程中,為了更好地控制電子束,通常會對焊接件進行退磁處理,因此磁場對電子束焊縫組織和性能影響的相關(guān)研究極少,這也限制了電子束焊接在無法完全退磁或有特定磁場要求環(huán)境中的應用。為了拓展電子束焊接在磁場環(huán)境中的應用,作者通過外加不同方向的外加穩(wěn)恒磁場,對15Mn合金板進行電子束焊接,研究了外加磁場對電子束焊縫成形、組織及性能的影響。
待焊材料為由鞍鋼提供的鐵磁性15Mn合金鋼板,尺寸為410 mm×195 mm×45 mm,化學成分如表1所示。
表1 15Mn合金鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of 15Mn alloy steel(mass fraction) %
采用如圖1所示的高壓數(shù)控真空電子束焊機對15Mn合金鋼板進行無填充材料的自熔焊試驗,電子槍與合金鋼板之間的工作距離為345 mm,電子束焊接工藝參數(shù)如表2所示。在焊接過程中施加不同方向的外加磁場,外加磁場采用強磁體,單塊強磁體尺寸為50 mm×25 mm×25 mm,其表面磁場強度為0.55 T,強磁體的數(shù)量、放置位置以及焊接方向如圖2所示,分別將未放置強磁體、在合金板中間位置的底部放置強磁體、在合金板長度方向兩側(cè)中間位置放置強磁體、在合金板寬度方向兩側(cè)中間位置放置強磁體的焊接工藝記作工藝1、工藝2、工藝3和工藝4,其中工藝2、工藝3和工藝4下的磁場方向分別為沿焊縫深度方向、垂直于焊接方向和沿焊接方向。
圖1 電子束焊接裝置示意Fig.1 Diagram of electron beam welding equipment
表2 電子束焊接工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of electron beam welding
圖2 焊接時外加強磁體的數(shù)量、位置及焊接方向Fig.2 Number and position of applied magnet during welding and welding direction
焊接完成后,在焊縫長度的中心位置處垂直于焊接方向截取金相試樣,經(jīng)磨拋并用體積分數(shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后,采用Zeiss Axio Observer型光學顯微鏡觀察顯微組織。采用XD-1000TM型顯微硬度計測焊縫截面的硬度分布,測試位置為距焊縫長度方向中間位置表面10 mm深度處焊縫截面垂直于焊接方向的不同區(qū)域,測試間隔為1 mm,載荷為1 N,保載時間為10 s。
圖4 不同外加磁場條件下電子束焊接接頭中心位置的截面形貌Fig.4 Cross-section morphology of center position of electron beam welded joint under different applied magnetic field conditions:(a) process 1; (b) process 2; (c) process 3 and (d) process 4
圖3中箭頭方向為預設焊接軌跡。由圖3可以看出:工藝1下,焊縫金屬飽滿、連續(xù)且均勻,焊縫與預設焊接軌跡完全重合,并在焊縫尾部形成弧坑;工藝2下,電子束在平行電子束方向的磁場中不受洛倫茲力影響,因此焊縫表面形貌與無磁場條件下的相似;工藝3和工藝4下,磁場方向垂直于電子束方向,在洛倫茲力的作用下,焊縫明顯偏離預設焊接軌跡。當磁場方向垂直于焊接方向時,電子束受到強磁體的影響發(fā)生偏轉(zhuǎn),導致焊縫嚴重偏離焊接預設軌跡。當磁場方向沿焊接方向時,焊縫兩端的磁場強度較高,電子束偏轉(zhuǎn)嚴重,焊縫中段的磁場強度為零,焊縫與預設焊接軌跡重合,最終焊縫偏離預設軌跡而呈兩端對稱分布。
圖3 不同外加磁場條件下電子束焊接接頭的表面形貌Fig.3 Surface morphology of electron beam welded joint under different applied magnetic field conditions:(a)process 1; (b) process 2; (c) process 3 and (d) process 4
由圖4可以看出:不同外加磁場條件下電子束焊接后均可得到成形系數(shù)較小的全熔透焊縫[18],并且焊縫無裂縫、氣孔和夾渣等焊接缺陷;焊接接頭截面包括焊縫、熱影響區(qū)和母材。工藝1下的焊縫方向與工藝2下的一致,均垂直向下,但是與工藝1的相比,工藝2下的焊縫深度與寬度均較大,這主要是因為外加磁場導致電子束動能增加,而電子束在寬度方向上掃過的面積不變,從而造成材料表面的能量密度增大,母材金屬的熔化量增多。與工藝1的相比,工藝3下的焊縫在深度方向發(fā)生較小角度的偏轉(zhuǎn),深度不變,寬度增大,這主要是因為在垂直焊接方向的磁場作用下,電子束中電子運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),使得熱量分散到更寬的區(qū)域[19-20],即電子束在寬度方向上掃過的面積增大。與工藝1相比,工藝4下的焊縫在深度方向發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn),深度減小,寬度增大,這主要是由于沿焊接方向的外加磁場對電子束的影響較大,導致電子束中的電子向一邊偏轉(zhuǎn)的角度大于工藝3下的,使得熱量分散到更寬的區(qū)域,即電子束在寬度方向上掃過的面積增大,材料表面的能量密度降低,母材金屬的熔化量減少,因此焊縫的深度減小,寬度增大,偏轉(zhuǎn)角度增加。由此可知,在外加磁場方向垂直于電子束方向下進行電子束焊接時,焊縫在表面和深度方向均發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
圖5 工藝4下電子束焊接接頭中間截面的顯微組織Fig.5 Section microstructures of middle part of electron beam welded joint under process 4: (a) overall area; (b) weld;(c) heat affected zone near weld; (d) heat affected zone near base metal and (e) base metal
由于不同外加磁場條件下的焊縫截面顯微組織相似,因此僅對外加磁場沿焊接方向(工藝4)條件下的焊縫截面組織進行觀察。由圖5可知:電子束焊接接頭包括焊縫、熱影響區(qū)和母材,由于電子束焊接的能量集中,熱輸入低,因此熱影響區(qū)很窄;焊接過程中,焊縫金屬發(fā)生重熔,凝固后組織粗大,且晶粒具有明顯的方向性;靠近焊縫的熱影響區(qū)的奧氏體化溫度較高,其晶粒較粗大,而靠近母材的熱影響區(qū)的組織經(jīng)過再結(jié)晶后得到細化。焊縫的鐵素體基體上分布有島狀或短棒狀的富碳奧氏體,是典型的粒狀貝氏體組織;焊縫的峰值溫度在電子束焊接過程中達到了待焊材料的熔點以上,因此熔融金屬經(jīng)過均勻快速冷卻后形成粗大的粒狀貝氏體。熱影響區(qū)的組織不均勻,靠近焊縫一側(cè)熱影響區(qū)的組織為粒狀貝氏體,且比焊縫的細小,而靠近母材一側(cè)熱影響區(qū)的組織為貝氏體、鐵素體和珠光體,這是由距焊縫不同距離處的熱循環(huán)過程不同導致的。在焊接過程中,靠近焊縫區(qū)的熱影響區(qū)的溫度達到完全奧氏體化溫度,晶粒長大并在后續(xù)冷卻過程中形成較粗大的粒狀貝氏體??拷覆牡臒嵊绊憛^(qū)為不完全結(jié)晶區(qū),在焊接過程中該區(qū)域沒有達到完全奧氏體化溫度,組織內(nèi)殘存了大量的珠光體和鐵素體,其中奧氏體化組織轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w,未奧氏體化的組織則保留下來,從而形成了貝氏體、珠光體和鐵素體的混合組織。母材組織為鐵素體和少量珠光體。焊縫的起始點和終點處的焊接條件比較復雜,因此未作深入討論。
由圖6可知,焊接接頭截面的顯微硬度在151~258 HV之間,不同外加磁場條件下隨著距焊縫中心距離的增加,顯微硬度均呈先升高后降低的趨勢,熱影響區(qū)的最高,焊縫的次之,母材的最低。焊縫和靠近焊縫的熱影響區(qū)的顯微組織為粒狀貝氏體,因此其顯微硬度高于母材的;熱影響區(qū)的粒狀貝氏體組織比焊縫的細小,所以該區(qū)域的顯微硬度略高于焊縫的。
圖6 不同外加磁場條件下電子束焊接接頭截面的顯微硬度分布曲線Fig.6 Microhardness distribution curves of electron beam welded joint section under different applied magnetic field conditions
(1) 不同外加磁場條件下電子束焊接后焊縫質(zhì)量良好,無裂縫、氣孔和夾渣等焊接缺陷;在磁場方向沿焊接方向或垂直焊接方向,即垂直于電子束方向下進行焊接時,焊縫在表面和深度方向均發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
(2) 與未設置外加磁場相比,磁場方向沿焊縫深度方向時,焊縫的深度和寬度增大;磁場方向沿焊接方向時,焊縫的深度不變,寬度增加,深度方向偏轉(zhuǎn)角較?。淮艌龇较虼怪焙附臃较驎r,焊縫的深度減小,寬度增大,深度方向偏轉(zhuǎn)角較大。
(3) 外加磁場不會影響電子束焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織,焊縫組織為較粗大的粒狀貝氏體,靠近焊縫一側(cè)熱影響區(qū)的粒狀貝氏體較焊縫的細小,靠近母材一側(cè)熱影響區(qū)的組織為貝氏體、鐵素體和珠光體,母材組織為鐵素體和少量珠光體。
(4) 焊接接頭截面的顯微硬度在151~258 HV之間,熱影響區(qū)的硬度最高,焊縫的次之,母材的最低,焊縫的顯微硬度變化規(guī)律不隨外加磁場方向的變化而變化。