于涵，潘隆政，張林杰，梁文生，白立安

(1.西安交通大學(xué),金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,710049；2.西安遠(yuǎn)飛航空技術(shù)發(fā)展有限公司,西安,710089)

0 序言

鉬及鉬合金熔點(diǎn)高、熱導(dǎo)率大、高溫強(qiáng)度好，廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金、電子和核工業(yè)等領(lǐng)域[1].鉬合金是一種本征脆性材料，在熔化焊接時(shí)還存在晶粒粗大、晶間偏析嚴(yán)重等問(wèn)題，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能差.激光焊接能量密度高、加熱區(qū)尺寸小，可在一定程度上抑制鉬再結(jié)晶溫度高、不發(fā)生固態(tài)相變而導(dǎo)致的焊縫晶粒粗大問(wèn)題[2-6].

激光振鏡焊接通過(guò)光學(xué)鏡片振動(dòng)實(shí)現(xiàn)激光束的高速擺動(dòng)，可通過(guò)攪拌熔池進(jìn)一步細(xì)化焊縫晶粒[7-8]研究.激光振鏡焊接技術(shù)在鋼、鋁合金焊接方面已有很多研究.Jiang 等人[9]發(fā)現(xiàn)通過(guò)激光振蕩焊接，可以顯著細(xì)化殷瓦合金焊縫晶粒，當(dāng)光束擺動(dòng)振幅為2.0，4.0 和6.0 mm 時(shí)，分別使焊縫平均晶粒尺寸減小了約38.0%，50.1%和54.6%.Wang 等人[10]發(fā)現(xiàn)激光束擺動(dòng)可以有效的減少5A06 鋁合金氣孔等缺陷，并能提高接頭抗拉強(qiáng)度.黃瑞生等人[11]采用激光振鏡掃描焊接方法使鋁合金焊縫成形顯著改善.鉬合金焊縫晶粒大小影響晶界面積大小，從而對(duì)鉬合金焊縫晶界偏析程度和接頭力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響.因此將振鏡焊接技術(shù)應(yīng)用與鉬合金焊接有可能改善接頭的綜合力學(xué)性能.目前對(duì)其進(jìn)行的研究較少，有待深入研究.

鉬在焊接過(guò)程中對(duì)雜質(zhì)元素非常敏感，氮是鉬母材和焊接時(shí)常見(jiàn)的雜質(zhì)元素[12-13]，當(dāng)?shù)阢f中以原子形式存在時(shí)會(huì)降低鉬的強(qiáng)度和塑性，而以氮化物形式存在時(shí)，能起到晶內(nèi)、晶界強(qiáng)化的作用.Zhang 等人[14]發(fā)現(xiàn)母材滲氮合金化可以顯著提高鉬和鉬合金的激光焊焊接性和接頭抗拉強(qiáng)度.分析發(fā)現(xiàn)焊縫中生成的Mo2N 相起到了第二相強(qiáng)化的作用，并能提高晶界結(jié)合強(qiáng)度.但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)已經(jīng)加工好的構(gòu)件進(jìn)行滲氮處理，導(dǎo)致生成周期長(zhǎng)且會(huì)使母材性能在長(zhǎng)時(shí)間加熱后下降.Olds等人[15]通過(guò)在氮?dú)庵腥蹮挼姆椒▽?shí)現(xiàn)了在晶界表面沉積一些氮化物，表明保護(hù)氣氛為氮?dú)饣驌饺胍欢康獨(dú)獾亩栊詺怏w時(shí)有可能會(huì)在激光焊接焊縫區(qū)析出氮化物并改善焊縫力學(xué)性能.

采用激光束擺動(dòng)和氮?dú)夂辖鸹椒ㄩ_(kāi)展0.4 mm鉬合金對(duì)接接頭的激光焊試驗(yàn)研究，旨在探索提高鉬合金激光焊接頭力學(xué)性能的工藝方法與機(jī)理，并為其它無(wú)固態(tài)相變、脆性難熔金屬材料的激光焊接提供借鑒和指導(dǎo).

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為含0.25%La2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的彌散強(qiáng)化鉬合金，板厚為0.4 mm，母材的微觀組織如圖1 所示，從圖1 可見(jiàn)母材橫截面上遍布軋制形貌的晶粒組織.焊接試驗(yàn)前在鉬板表面用細(xì)砂紙進(jìn)行打磨拋光，去除表面氧化膜及油污，然后用酒精清洗干凈.

圖1 母材顯微組織Fig.1 Microstructures of the base metal in this work

使用SPI 2000 單模光纖激光器進(jìn)行焊接，最大功率2 kW，光纖芯徑為50 μm，波長(zhǎng)1 010 nm.激光焊接設(shè)備如圖2 所示，圖2b 為WSX-ND6 激光振鏡，場(chǎng)鏡焦距為600 mm，經(jīng)過(guò)場(chǎng)鏡聚焦后光斑直徑為300 μm.鉬焊接過(guò)程對(duì)O 元素非常敏感，采用圖2c 的氣體保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù).焊前通氣90 s，充分排除空氣后開(kāi)始焊接.一組試驗(yàn)保護(hù)氣體為氬氣，另一組試驗(yàn)保護(hù)氣是氮?dú)?在焊接過(guò)程中分別采用了激光擺動(dòng)與不擺動(dòng)的方式焊接.激光束擺動(dòng)方式如圖3a 所示，擺動(dòng)幅度0.4 mm，擺動(dòng)頻率為75 Hz.激光功率為2 kW，焊接速度為30 mm/s，離焦量為0 mm，激光擺動(dòng)與不擺動(dòng)條件下焊接熱輸入相同為667 J/cm.4 個(gè)焊接接頭分別編號(hào)為直線(xiàn)Ar、擺動(dòng)Ar、直線(xiàn)N2、擺動(dòng)N2.

圖2 激光振鏡焊接試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Pictures of the experimental setup.(a) SPI fiber laser device;(b) galvanometer scanner;(c) Ar/N2 protection device

試驗(yàn)后對(duì)接頭表面和橫截面進(jìn)行磨拋腐蝕，用Nikon Eclipse MA200 觀察焊縫表面與橫截面微觀組織結(jié)構(gòu)，用SU3500SEM 觀察橫截面微觀結(jié)構(gòu)，EBSD 分析測(cè)試相組成.維氏顯微硬度測(cè)試中在1.96 N 壓力下保持載荷15 s.然后用CSS-88100 拉伸機(jī)測(cè)試接頭的拉伸性能，拉伸速度為0.5 mm/s，拉伸試樣的尺寸如圖3b 所示.利用SU3500SEM 對(duì)拉伸斷口顯微形貌進(jìn)行觀察.

圖3 擺動(dòng)方式及拉伸試樣(mm)Fig.3 Oscillating mode and tensile specimen.(a) scanning path of the oscillating laser;(b) dimensions of the specimen used for tensile test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭橫截面組織形貌

圖4 為Ar 不擺動(dòng)、N2不擺動(dòng)、Ar 擺動(dòng)、N2擺動(dòng)4 種不同條件所獲鉬合金接頭的橫截面組織形貌.可以看出熱影響區(qū)由母材軋制態(tài)細(xì)長(zhǎng)晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S粒狀晶形態(tài)，說(shuō)明該區(qū)在焊接熱循環(huán)影響下發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶.在焊縫區(qū)有大量從熔合線(xiàn)向焊縫中心擇優(yōu)生長(zhǎng)的粗大柱狀晶.比較圖4a 和圖4c發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)靠近熔合線(xiàn)處出現(xiàn)焊接氣孔，而采用光束擺動(dòng)措施使氣孔數(shù)量明顯減少.比較圖4a 和圖4b 發(fā)現(xiàn)采用氮?dú)獗Ｗo(hù)時(shí)也可以使氣孔數(shù)量明顯減少.如圖4 所示，氮?dú)獗Ｗo(hù)時(shí)焊縫熔寬小、熔化金屬體積小.鉬板材制備流程是粉末冶金成形后軋制，粉末冶金制備的坯料的致密度達(dá)不到鍛件的水平，含氣量較高.因此熔化金屬體積越多釋放氣體越多，有可能形成更多氣孔缺陷.Xie 等人[6]在材料激光焊研究中發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的現(xiàn)象.

圖4 焊接接頭橫截面組織形貌Fig.4 Cross sectional microstructure of weld joints.(a)joint under Ar without laser oscillating;(b) joint under N2 without laser oscillating;(c) joint under Ar with laser oscillating;(d) joint under N2 with laser oscillating

從圖4 還發(fā)現(xiàn)相同腐蝕條件下采用氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)的焊縫金屬晶界輪廓比較模糊，說(shuō)明兩種保護(hù)氣氛下晶界處組織可能有比較明顯差異.圖4b 中焊縫底部出現(xiàn)裂紋是由于焊縫中間部分用于制作拉伸試樣，金相在焊縫端部截取，局部保護(hù)效果不好，可能有氧卷入.

2.2 焊接接頭力學(xué)性能分析

2.2.1 焊接接頭顯微硬度

圖5 為不同條件下所獲4 種鉬合金焊接接頭橫截面的顯微硬度測(cè)試結(jié)果.從圖5 可以看出軋制態(tài)母材區(qū)的硬度在270 HV 左右，熱影響區(qū)的硬度從母材側(cè)到焊縫側(cè)是單調(diào)減小的，焊縫是整個(gè)接頭軟化最嚴(yán)重區(qū)域.

圖5 4 種焊接接頭顯微硬度分布圖Fig.5 Microhardness distribution curves of joints under different conditions

在焊縫中心處，Ar 不擺動(dòng)、Ar 擺動(dòng)、N2不擺動(dòng)、N2擺動(dòng)4 種接頭的顯微硬度分別是190，197，235 和238 HV.說(shuō)明氮?dú)夂辖鸹苁购缚p區(qū)顯微硬度明顯提高，提高幅度約23%.光束擺動(dòng)也能使焊縫區(qū)顯微硬度略有提高，但提高幅度僅約3%.

2.2.2 焊接接頭拉伸曲線(xiàn)

圖6 為4 種焊接接頭和母材的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果.結(jié)果表明，激光擺動(dòng)與氮?dú)夂辖鸹伎梢蕴嵘附咏宇^的強(qiáng)度，激光擺動(dòng)可以使接頭強(qiáng)度提升約100 MPa，氮?dú)夂辖鸹梢允菇宇^強(qiáng)度提升約300 MPa.圖6 中所有接頭在拉伸試驗(yàn)中都斷裂在焊縫區(qū).母材的抗拉強(qiáng)度為648.53 MPa.在氬氣氣氛激光不擺動(dòng)時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度僅為29.85 MPa，即母材抗拉強(qiáng)度的4.6%；在氬氣中激光束擺動(dòng)焊所獲接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到130.03 MPa，約為母材抗拉強(qiáng)度的20%.在氮?dú)鈿夥障?，?dāng)激光不擺動(dòng)時(shí)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到350.94 MPa，約為母材抗拉強(qiáng)度的54%；當(dāng)在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行光束擺為母材抗拉強(qiáng)度的67.8%.從圖6 中還可以看出，和氬氣保護(hù)焊接接頭相比，氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接接頭的斷裂前的拉伸位移有大幅提升.

圖6 母材與4 個(gè)焊接接頭拉伸曲線(xiàn)Fig.6 Tensile test curves of BM and joints under different conditions

2.3 焊接接頭EBSD 結(jié)果分析

圖7 展示了4 種焊接接頭表面的背散射電子衍射圖(EBSD).圖8 為4 種焊接接頭焊縫橫截面的背散射電子衍射圖(EBSD).圖9 展示了不同擺動(dòng)條件和不同氣氛下基于EBSD 圖像的晶粒度統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

圖8 焊接接頭橫截面背散射電子衍射圖(EBSD)Fig.8 EBSD images of cross section of joints.(a) joint under Ar without laser oscillating;(b) joint under Ar with laser oscillating;(c) joint under N2 without laser oscillating;(d) joint under N2 with laser oscillating

從圖7 中可以看出，激光擺動(dòng)時(shí)焊縫區(qū)晶粒尺寸要小于不擺動(dòng)時(shí)的焊縫區(qū)晶粒尺寸.如圖9 所示，Ar 不擺動(dòng)、N2不擺動(dòng)、Ar 擺動(dòng)、N2擺動(dòng)4 種接頭焊縫區(qū)晶粒的平均尺寸分別為52.50，49.42，38.12 和37.14 μm.在氬氣和氮?dú)猸h(huán)境中通過(guò)激光束擺動(dòng)使焊縫區(qū)晶粒平均尺寸分別減小了約27.4%和24.8%.激光束擺動(dòng)起到了改變?nèi)鄢匦螒B(tài)和攪拌熔池的作用，從而改變了晶粒的形核、長(zhǎng)大，從而可以有效的細(xì)化晶粒.

圖9 焊縫橫截面晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)圖Fig.9 Statistics on grain size in cross-section of FZ of joints.(a) joint under Ar without laser oscillating;(b) joint under N2 without laser oscillating;(c)joint under Ar with laser oscillating;(d) joint under N2 with laser oscillating

如圖8c 和圖8d 中相分布檢測(cè)結(jié)果所示，掃描區(qū)域內(nèi)Mo 相為紅色，而Mo2N 相為橙黃色.Mo2N第二相存在于焊縫中，分布在晶粒內(nèi)與晶界上.這是由于氮?dú)庠诩す夂腿鄢馗浇邷氐入x子體的作用下分解成N 原子，隨后N 原子溶解在液態(tài)Mo中.當(dāng)熔池溫度下降至Mo 的熔點(diǎn)(2 600 ℃)時(shí)，就會(huì)形成N 過(guò)飽和的Mo 的固溶體Mo(N).當(dāng)接頭溫度繼續(xù)降低至1 950 ℃時(shí)，Mo(N)固溶體中的N 與Mo 元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Mo2N 相，該相為高溫相，當(dāng)熔池快速冷卻時(shí)，Mo2N 相被保留下來(lái)分布在晶粒內(nèi)部和晶界上.Mo2N 相起到了第二相強(qiáng)化的作用，并阻礙裂紋在晶界的擴(kuò)展，從而使焊接接頭強(qiáng)度得到了明顯提高[14,16-17].

2.4 拉伸斷口分析

圖10 為試樣拉伸斷口掃描電鏡圖片.圖10a～10c 中焊接接頭的斷裂形式都是脆性斷裂，且都是沿晶斷裂，說(shuō)明焊縫晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)強(qiáng)度.通常認(rèn)為，這是因?yàn)殡s質(zhì)O 元素會(huì)在鉬合金熔焊焊縫金屬晶界處偏析，形成易揮發(fā)、性能差的MoO2，如圖11a 所示[16].激光束擺動(dòng)能使晶粒細(xì)化、晶界總面積變大，因此單位晶界面積上MoO2析出物數(shù)量減少，晶界結(jié)合強(qiáng)度雖然有所提高，但仍低于晶內(nèi)強(qiáng)度.所以接頭強(qiáng)度有所提高，但提高幅度優(yōu)先，仍然呈現(xiàn)沿晶界開(kāi)裂的斷裂模式，如圖10c 所示.

圖10 拉伸斷口的SEM 觀察結(jié)果Fig.10 SEM bright images of tensile fractures.(a) joint under Ar without laser oscillating;(b) joint under N2 without laser oscillating;(c) joint under Ar with laser oscillating;(d) joint under N2 with laser oscillating

圖11 焊縫區(qū)TEM 觀察結(jié)果Fig.11 TEM bright image of fusion zone produced.(a)in 10 % N2+90 % Ar;(b) in 100 % Ar

氮?dú)夂辖鸹椒ê附雍蠛缚p晶粒內(nèi)部和晶界上形成了Mo2N 相，如圖11b 所示.Zhang 等人[14,16]晶界處的形成能減少晶界上MoO2含量，同時(shí)Mo2N 與Mo 基體之間的晶格匹配更好，從而使焊縫金屬晶界結(jié)合強(qiáng)度得到了提高.當(dāng)裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中碰到Mo2N 顆粒時(shí)無(wú)法直接通過(guò)，只能通過(guò)繞過(guò)或切過(guò)的方式通過(guò)Mo2N 顆粒，這會(huì)消耗大量能量.因此氮?dú)獗Ｗo(hù)下光束擺動(dòng)焊接所獲焊縫區(qū)晶界結(jié)合強(qiáng)度明顯提高，最終在拉伸試樣中焊縫金屬呈現(xiàn)沿晶開(kāi)裂和穿晶解理開(kāi)裂同時(shí)存在的混合斷裂模式，如圖10d 所示.圖12a 為斷口晶界表面所含元素的XPS 全譜分析結(jié)果，XPS 全譜測(cè)量結(jié)果包括兩部分：未采用氬離子束清洗斷口表面之前測(cè)量一次（紅線(xiàn)），采用氬離子束清洗斷口表面120 s 以后再測(cè)量一次（藍(lán)線(xiàn)）.首先，晶界含有 Mo，C，N，O 4 種元素.其次，清洗前晶界表面 C 1 s 和O 1 s 峰高要高于清洗后，而清洗后 N 1 s 的峰高要高于清洗前的，表明晶界表面 N 是自身所含，而不是由外界污染引起的.進(jìn)一步對(duì)晶界表面的3d 峰進(jìn)行分峰擬合（圖12b），結(jié)果表明，Mo 的存在方式主要有Mo 原子，Mo2N，MoO23 種，結(jié)合以上結(jié)果可以認(rèn)為晶界表面析出的第二相為Mo2N[14,16].

圖12 斷口XPS 結(jié)果Fig.12 XPS results of tensile fractures.(a) XPS analysis results of survey spectrum on the grain boundary;(b) XPS analysis results of Mo 3d spectrum on the surfaces of grain boundary

3 結(jié)論

(1) 光束擺動(dòng)可以細(xì)化鉬合金激光焊焊縫晶粒，使晶粒尺寸減小約28%，且焊縫區(qū)氣孔缺陷明顯減少.

(2) 通過(guò)激光束擺動(dòng)的方法可以使焊接接頭的抗拉強(qiáng)度由29.83 MPa 提升到130.03 MPa，焊縫中心的顯微硬度由190 HV 提升到200 HV.

(3) 通過(guò)氮?dú)夂辖鸹姆椒梢源蠓嵘附咏宇^的抗拉強(qiáng)度，由29.83 MPa 提升到350.94 MPa，焊縫中心硬度由190 HV 提升至240 HV.

(4) 在同時(shí)采用激光擺動(dòng)與氮?dú)夂辖鸹瘯r(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了439.43 MPa，為母材的67.8%，且斷裂形式由完全的沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榱搜鼐嗔雅c解理斷裂并存.