王徐建，王廷，何平，范成磊，郭迪舟，董海義

(1.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所,北京,100049；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),威海,264209；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001)

0 序言

高能同步輻射光源(high energy photon source，HEPS)是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃確定建設(shè)的10 個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，是基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)等領(lǐng)域原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新研究的重要支撐平臺(tái).真空系統(tǒng)是高能同步輻射光源的基礎(chǔ)工程，束流只有在真空環(huán)境中運(yùn)行，才能保持足夠的壽命，并且不斷地被積累和加速，達(dá)到設(shè)計(jì)的能量和流強(qiáng)，并提供高亮度的同步輻射光.

HEPS 采用CuCrZr 材料為儲(chǔ)存環(huán)真空盒的主要材料，Inconel 625 作為快校正磁鐵內(nèi)部薄壁真空盒材料，空間緊張區(qū)域兩種材料合金管需要對(duì)接焊[1-2]，為保證焊接后真空盒的性能，CuCrZr 與Inconel 625 材料的焊接性能的研究極為重要.

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究學(xué)者針對(duì)不同的工作要求采用不同的焊接方式對(duì)CuCrZr 與Inconel 625 等同種材料或者相關(guān)材料的焊接接頭進(jìn)行焊接性能研究，對(duì)焊縫進(jìn)行了微觀組織以及力學(xué)性能的研究[3-10]，結(jié)果表明，CuCrZr 與Inconel 625 具有較好的焊接性，但是針對(duì)具體的焊接工藝以及不同的焊接方式下焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫性能的影響研究較少.電子束焊接作為高能束焊接的一種，束流的功率密度高，焊縫深寬比大，工件產(chǎn)生的變形小[11-21]，非常適合Inconel 625 這類高熔點(diǎn)金屬管件的焊接.

為研究異種材料電子束焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響，對(duì)CuCrZr 與Inconel 625 管件進(jìn)行了電子束對(duì)接焊試驗(yàn)，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)各組試樣的接頭形貌、微觀組織及力學(xué)性能進(jìn)行觀察和分析，從而為HEPS 加速器儲(chǔ)存環(huán)真空盒異種材質(zhì)合金管的焊接提供工藝指導(dǎo)以及理論依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

項(xiàng)目主要研究異種材質(zhì)管件的對(duì)接焊工藝，所采用的試驗(yàn)材料主要為外徑24 mm、內(nèi)徑22 mm的CuCrZr 和Inconel 625 圓形合金管件，其化學(xué)成分如表1 和表2 所示.

表1 Inconel 625 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of Inconel 625

表2 CuCrZr 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical compositions of CuCrZr

CuCrZr/Inconel 625 異種材質(zhì)管件電子束對(duì)接焊前，需要對(duì)異種材料管件端口進(jìn)行處理，首先采用砂紙將管件焊接面的內(nèi)壁與外壁打磨去除氧化膜.采用丙酮擦拭整個(gè)對(duì)接口去除油脂.

將準(zhǔn)備好的CuCrZr 管件與Inconel 625 管件分別裝夾到夾具上，裝夾時(shí)保證對(duì)焊管件的同心度.當(dāng)真空度達(dá)到0.017 Pa 時(shí)，進(jìn)行電子束對(duì)接焊試驗(yàn)，試驗(yàn)所采用的焊接工藝參數(shù)列于表3 中.由于管件壁厚較薄，因此采用電子束聚焦于管件表面的方式.由于Inconel 625 與CuCrZr 之間物理性能差異較大，CuCrZr 有較強(qiáng)的導(dǎo)熱性，因此在焊接時(shí)改變電子束焦點(diǎn)的作用位置，采用偏束焊接，使電子束聚焦于CuCrZr 管側(cè)，偏束距離分別為0.6，0.8 mm.將焊好的管件切割成尺寸為8 mm ×5 mm 的金相試樣，隨后對(duì)鑲嵌后的試樣采用80號(hào)～ 5 000 號(hào)砂紙逐級(jí)打磨，然后用金剛石拋光劑進(jìn)行機(jī)械拋光.拋光直至試樣成為無(wú)劃痕、無(wú)污染、光滑的鏡面后，將CuCrZr/Inconel 625 焊接試樣放置于3 g FeCl3+2 mLHCl+96 mL 乙醇的腐蝕劑中對(duì)觀察面進(jìn)行化學(xué)浸蝕，腐蝕時(shí)間約5 s.使用奧林巴斯GX71 型光學(xué)金相顯微鏡下觀察不同偏束距離下試樣焊縫的橫截面形貌，使用Quanta 200FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM 對(duì)試樣焊縫微觀形貌觀察，對(duì)接頭界面物相進(jìn)行鑒定分析.采用島津AGXplus250kN 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試.

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 異種材料電子束對(duì)接焊宏觀形貌

圖1 為CuCrZr/Inconel 625 異種管件對(duì)接接頭表面成形.當(dāng)偏束距離為0.6 mm 時(shí)，焊縫表面光滑，但是在接頭處的CuCrZr 管側(cè)出現(xiàn)了輕微的咬邊缺陷，如圖1a 所示.當(dāng)偏束距離增加至0.8 mm時(shí)，咬邊焊接缺陷消失，焊縫的熔寬出現(xiàn)一定程度的增加，焊縫表面有致密的魚鱗紋，有一定的余高，表面成形良好，如圖1b 所示.

圖1 CuCrZr/Inconel 625 異種材質(zhì)接頭的表面成形Fig.1 Weld surface forming of CuCrZr/Inconel 625 dissimilar material joints.(a) beam offset distance 0.6 mm;(b) beam offset distance 0.8 mm

圖2 為沿中心線切開(kāi)的CuCrZr/Inconel 625 異種材料管件焊縫背面成形.由于較高的焊接熱輸入，焊縫內(nèi)壁出現(xiàn)了由于Inconel 625 管件蒸氣冷卻所導(dǎo)致的黑色鍍層區(qū)域.當(dāng)偏束距離為0.6 或者0.8 mm 時(shí)，焊縫背面成形均良好，未出現(xiàn)上凹缺陷，且在電子束收弧處未出現(xiàn)缺陷.

圖2 CuCrZr/Inconel 625 異種材質(zhì)接頭的背面成形Fig.2 Weld back surface forming of CuCrZr/Inconel 625 dissimilar material joints.(a) beam offset distance 0.6 mm;(b) beam offset distance 0.8 mm

圖3 為采用砂紙打磨后CuCrZr/Inconel 625 異種材料管件焊縫表面成形.砂紙打磨可以將金屬蒸氣產(chǎn)生的黑色鍍層完全清除.

圖3 打磨后CuCrZr/Inconel 625 焊縫背面成形Fig.3 Weld back surface forming of CuCrZr/Inconel 625 after grinding

圖4 為不同偏束距離下CuCrZr/Inconel 625 異種材質(zhì)管件的焊縫橫截面形貌.從圖4a 可以看出，焊縫呈現(xiàn)出上、下寬，中間窄的啞鈴型.當(dāng)偏束距離增加至0.8 mm 時(shí)，焊縫的橫截面外形未發(fā)生明顯改變，但是從顏色上可以看出，隨著偏束距離的增加，CuCrZr 母材的熔化量增加，這使焊縫中的銅含量有所增加.

圖4 CuCrZr/Inconel 625 焊縫橫截面形貌Fig.4 Weld cross section morphology of CuCrZr/Inconel 625;(a) beam offset distance 0.6 mm;(b)beam offset distance 0.8 mm

2.2 電子束對(duì)接焊焊縫微觀組織

圖5 為偏束距離為0.6 mm 時(shí)CuCrZr/Inconel 625 焊縫的微觀組織形貌.從圖5a 與圖5b 可以看到，焊縫靠近Inconel 625 管側(cè)以及焊縫中部有圓球狀、針狀和樹(shù)枝狀的Ni 基固溶體，Cu 固溶體則分布在Ni 基固溶體的四周.如圖5c 所示，隨著距Inconel 625 管的距離增加，焊縫內(nèi)部鎳含量逐漸降低，但是焊縫內(nèi)部依舊為球狀的Ni 基固溶體占據(jù)主要位置.在熔合線右側(cè)距離較近處由一層柱狀晶粒構(gòu)成，隨著距焊縫的距離增加，柱狀晶變?yōu)榈容S晶，且晶粒尺寸逐漸減小.

圖5 偏束距離為0.6 mm 時(shí)CuCrZr/Inconel 625 焊縫微觀組織Fig.5 Microstructure of CuCrZr/Inconel 625 weld with beam offset distance of 0.6 mm.(a) fusion line of Inconel 625 side;(b) weld center;(c) fusion line of CuCrZr side

圖6 為偏束距離0.8 mm 時(shí) CuCrZr/Inconel 625焊縫不同位置處的微觀組織形貌.隨著偏束距離的增加，CuCrZr 管的熔化量明顯提高，Cu 固溶體成為了整個(gè)焊縫中的主要組成部分，而Ni 基固溶體則以大小不均勻的球狀分布在焊縫中的Cu 基體中.焊縫中Cu 基體的晶粒以兩側(cè)柱狀晶粒和中心粗大的等軸晶粒構(gòu)成.

圖6 偏束距離為0.8 mm 時(shí)CuCrZr/Inconel 625 焊縫微觀組織Fig.6 Microstructure of CuCrZr/Inconel 625 weld with beam offset distance of 0.8 mm.(a) fusion line of Inconel 625 side;(b) weld center;(c) fusion line of CuCrZr side

2.3 電子束對(duì)接焊焊縫元素分布分析

圖7 為CuCrZr/Inconel 625 界面處的掃描電鏡顯微照片.圖8 為沿圖7a 處的線掃描結(jié)果，表4為圖7b 中各點(diǎn)的能譜分析結(jié)果.在遠(yuǎn)離CuCrZr/Inconel 625 界面處的焊縫中，如表4 中B 點(diǎn)以及C 點(diǎn)結(jié)果所示，鎳含量維持在10%左右，當(dāng)掃描路徑遇到球狀的Ni 基固溶體時(shí)，如表4 中A 點(diǎn)結(jié)果所示，鎳含量會(huì)出現(xiàn)明顯的上升，且Ni 含量的變化與Cr 元素變化基本一致.

圖7 CuCrZr/Inconel 625 焊縫掃描電鏡照片F(xiàn)ig.7 SEM photos of CuCrZr/Inconel 625 weld.(a)interface line scanning direction;(b) interface energy spectrum analysis location

圖8 CuCrZr/Inconel 625 焊縫界面線掃描結(jié)果Fig.8 Line scan results at weld interface of CuCrZr/Inconel 625

根據(jù)二元相圖[22-23]以及表4 的能譜結(jié)果可以推斷出，焊縫內(nèi)部未生成金屬間化合物.焊縫中的相主要是圓球形的Ni 基固溶體和作為基體的Cu 固溶體，使得焊縫具有較好的綜合力學(xué)性能.

表4 CuCrZr/Inconel 625 能譜分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Energy spectrum analysis of CuCrZr/Inconel 625

2.4 電子束對(duì)接焊接頭的力學(xué)性能

為確定接頭的抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)對(duì)象選取偏束距離為0.8 mm 的CuCrZr/Inconel 625 電子束對(duì)接焊接頭，在0.5 mm/min 拉伸速率下測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度.如圖9 所示，隨著拉伸位移的增大，CuCrZr/Inconel 625 接頭存在彈性變形階段，繼續(xù)拉伸，在拉伸過(guò)程中存在明顯的塑性變形階段，直至最后斷裂，抗拉強(qiáng)度隨著位移的增大試樣最大抗拉強(qiáng)度為304 MPa.

圖9 CuCrZr/Inconel 625 接頭的抗拉強(qiáng)度Fig.9 Tensile strength of CuCrZr/Inconel 625 joints

通過(guò)對(duì)CuCrZr 與Inconel 625 關(guān)鍵焊縫試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試，從拉伸試樣斷裂后形態(tài)可以看到，所有拉伸試樣均斷裂于CuCrZr 管熱影響區(qū)處.這是由于在CuCrZr 側(cè)的熱影響區(qū)中晶粒發(fā)生再結(jié)晶，產(chǎn)生異常生長(zhǎng)，晶粒的粗大使得材料的強(qiáng)度降低.另外，CuCrZr 與Inconel 625 之間的熱導(dǎo)率和線性膨脹系數(shù)也有很大差異，因此在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生巨大的內(nèi)部應(yīng)力.這些不利影響最終導(dǎo)致接頭在拉伸過(guò)程中斷裂.

圖10 為試樣的斷口形貌.從圖10 可以看到，斷口表面明顯的韌窩，可以證明該斷裂屬于韌性斷裂.該過(guò)程是在銅的晶界附近形成微孔，并且在外力作用下微孔連續(xù)生長(zhǎng)，最終發(fā)生斷裂.

圖10 CuCrZr/Inconel 625 接頭的斷口形貌Fig.10 Fracture morphology of CuCrZr/Inconel 625 joints

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)偏束距離為0.6 和0.8 mm 時(shí)，CuCrZr/Inconel 625 管件接頭的焊縫成形良好，呈現(xiàn)出上、下寬，中間窄的啞鈴型，隨著偏束距離的增加，焊縫中的銅含量增加.

(2) CuCrZr/Inconel 625 管件接頭焊縫中的相主要是圓球形的Ni 基固溶體以及作為基體的Cu 固溶體，使得焊縫具有較好的綜合力學(xué)性能.

(3) 偏束距離為0.8 mm 時(shí)CuCrZr/Inconel 625焊接試驗(yàn)件的最大抗拉強(qiáng)度達(dá)到304 MPa，斷裂于CuCrZr 側(cè)熱影響區(qū).