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(xué)機電工程學(xué)院，桂林 541004；2.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，鞍山 114000；3.大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116024)

0 引 言

自20世紀50年代電子束設(shè)備成功應(yīng)用于焊接領(lǐng)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(lǐng)域應(yīng)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(xué)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(fù)雜的物理化學(xué)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(fù)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(yīng)用。為了拓展電子束焊接在磁場環(huán)境中的應(yīng)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。

1 試樣制備與試驗方法

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(xué)成分如表1所示。

表1 15Mn合金鋼的化學(xué)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(xué)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

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 表面與截面形貌

圖3中箭頭方向為預(yù)設(shè)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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)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(dǎo)致焊縫嚴重偏離焊接預(yù)設(shè)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(yù)設(shè)焊接軌跡重合，最終焊縫偏離預(yù)設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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

2.2 顯微組織

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(dǎo)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。靠近母材的熱影響區(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(fù)雜，因此未作深入討論。

2.3 硬 度

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

3 結(jié) 論

(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(shè)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??；磁場方向垂直焊接方向時，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。