無氧銅電子束焊接試驗與分析*

0 前 言

無氧銅作為一種高純度銅材料， 無氫脆現象，導電率高， 加工性能、 焊接性能、 耐腐蝕性能和低溫性能均十分優異， 在大科學裝置中得到了廣泛應用

。 如在高溫超導電流引線中， 室溫終端、翅片換熱器和高溫超導段均為無氧銅材料

。 無氧銅可焊性好， 采用常規焊接工藝即可獲得性能良好的接頭， 但在航天航海等高端領域采用常規的焊接工藝不易得到滿足使用要求的焊接接頭。 電子束焊接是一種高功率密度的焊接方法， 具有加熱速度快、 熱輸入小、 焊接熱影響區及變形小、可精確控制焊接參數等優點， 廣泛應用于金屬材料的焊接

。 近年來， 有學者針對銅及銅合金與異種金屬的焊接性能進行了研究， 涉及的主要焊接方式有TIG 焊、 攪拌摩擦焊、 激光焊、 氬弧焊、釬焊等

， 而關于無氧銅電子束焊接的研究較少。

銅焊接主要問題是易產生熱裂紋和氣孔

，原因是Bi 和Pb 為銅的主要雜質， 它們均不溶于固態銅， 在焊接時使銅產生脆化， 最終形成裂紋。 產生氣孔的主要原因是銅在液態時會溶解大量的氫， 氫要外逸， 但銅導熱性強， 熔池凝固快， 氫來不及逸出， 焊縫中就會形成氣孔。

企業的思想意識落實在機制制定上，或者落實在實際的工作中，都需要在特定的環境中才能進行，但是，企業需要首先將自身的管理人員意識建立完善，讓員工能夠對企業的內控管理機制有正確的認識，讓內控工作的進展能夠有良好的前提條件，這樣才能保證管理控制人員的工作開展順利。另外，還需要將宣傳制度或者企業的風險預警觀念建立完善，打造長期的、適合企業發展的內控機制流程，促進內控管理工作的工作效益和企業的經濟利益。這樣才能保證企業的管理者責任意識體現在工作中，積極促進企業的健康發展。

本研究采用電子束焊接工藝對30 mm 厚的無氧銅板材進行焊接， 用ZEISS Imager A2m 顯微鏡觀察在100 mA、 120 mA、 140 mA 電流下焊接接頭的顯微組織， 并分析其對力學特性的影響， 為銅及銅合金的電子束焊接應用提供參考。

1 試驗設備和方法

電子束焊接試驗系統由主機、 控制設備、 電源和真空室系統等組成， 電子槍型號為G600KM，高壓電源為HCV-150/60KM， PLC 系統為S7-300， CNC 系統為SINUMERIK 840D。 試驗所用的基體材料為TU2 無氧銅板， 基體材料的加工尺寸為300 mm×150 mm×30 mm。 TU2 無氧銅板的化學成分和力學性能見表1 和表2。

采用三組電子束焊接工藝參數焊接無氧銅試板， 100 mA 電流情況下無氧銅焊件出現未焊透現象， 120 mA 和140 mA 情況下焊接起始處存在未焊透現象， 中間部位焊縫成形良好， 焊接接頭無明顯缺陷。

論教育科學的本性……………………………………………………………………………………………………李 軍（4.63）

作為高能束焊接的一種， 電子束焊接功率密度最高可達108 W/cm

。 當高能量電子光束撞擊被加工工件時， 產生的高溫使得兩塊銅板焊縫處發生局部熔化和蒸發， 在金屬蒸汽的反沖壓力下液態銅金屬被沖擊， 形成電子束熔池中的凹陷“小孔”， 小孔的出現會改變傳熱傳質行為

。 為了獲得高質量焊接接頭， 在焊接前要對焊件進行清洗以減少切割后的清潔工作量， 再用研磨機進行打磨去除被焊工件表面的氧化膜， 最后用丙酮清洗被焊工件。 本試驗根據焊件的尺寸選取焊接參數， 焊接速度為6 mm/s， 加速電壓為150 kV，焊接電流分別為100 mA、 120 mA 和140 mA，進行三組對比試驗來研究不同電流下焊縫組織的差別。

3.1.1 測量放樣 基面處理合格后，按設計要求測量確定各填筑區的交界線，灑石灰線進行標識，心墻壩體料與墊層交界線每層上升均要進行測量放線。

在100 mA、 120 mA、 140 mA 電流下無氧銅焊接接頭的母材、 熱影響區和焊縫的顯微組織形貌如圖3 所示， 選取位置為圖2 中A、 B、C 處。 無氧銅板中銅含量高達到99.95%， 母材組織為a-Cu 單相組織， 由于銅的層錯能低則位錯完全（當金屬的層錯能很低時， 完整位錯的分解才會明顯出現）， 導致銅板內晶體發生晶體塑性變形， 形成退火孿晶組織， 晶粒細小且存在大量孿晶

， 母材平均晶粒直徑為8.3 μm。 由于銅具有極高的熱導率， 且板材厚度不大， 焊接熱量能迅速穿透整個板材厚度方向。

2 試驗結果分析

2.1 接頭宏觀形貌

三組被加工件都采用對接形式， 如圖1 所示。 焊接試驗在容積為66 m

的真空室中進行。 焊接后即對焊件進行退火處理， 退火溫度為600 ℃。

2.工作條件：(1)相關的論文與著作以及當代畫家畫作的圖片資料。(2)購買一些高清繪畫圖冊，以便更好的了解繪畫技能。(3)咨詢相關專業的老師，以及通過自己導師的指點改進自己的不足。

2.2 微觀組織

銅材料熱處理主要有6 種方法， 即： 固溶淬火、 時效熱處理、 再結晶退火、 高溫均勻化退火、 低溫消除應力退火和低溫強化退火。 本研究主要對焊后板材進行時效熱處理， 該處理主要通過固溶、 淬火后析出溶質原子強化合金， 以達到改善性能、 穩定材料組織和尺寸的目的。 時效溫度要求較為嚴格， 爐溫必須保持在600 ℃， 且溫度均勻。 焊件冷卻后將焊接接頭進行橫向切割，隨后機械磨拋樣品至鏡面狀態， 然后使用王水侵蝕

。 最終采用對比試驗來觀察不同電流對無氧銅焊接接頭的影響， 試驗結果取焊接接頭性能最好的一組， 利用ZEISS Imager A2m 顯微鏡觀察焊接接頭處組織的變化。

圖2 為100 mA、 120 mA、 140 mA 三種不同電流情況下TU2 無氧銅板焊接接頭的焊縫形貌， 從圖2 可以看出TU2 無氧銅板焊接接頭的焊縫形貌為釘形。 其中， 在100 mA 電流下熔池深度未達到銅板底部， 可見在該條件下電子束沒有焊透無氧銅板， 在120 mA 和140 mA電流下焊縫成形良好。 焊后經X 射線檢測，焊縫處沒有發現氣孔、 裂紋缺陷。 三組試樣中焊縫最大寬度分別為3 mm、 4 mm 和5 mm，焊縫厚度增加明顯。 無氧銅焊接形成的焊縫最大寬度比其他金屬相對較窄， 原因是電子光束能量密度高， 光束細， 熱輸入量小， 而且銅的散熱性導熱性很好， 從而影響焊接接頭晶粒的長大。

在焊接接頭的橫截面中主要以母材、 熱影響區和焊縫三個特征區域組成。 母材、 熱影響區的晶體組織為等軸晶， 區別在晶體尺寸。 從圖3 可以看出， 母材的晶體組織最小， 熱影響區的晶體組織相對于母材晶粒嚴重粗化， 平均晶粒直徑達到25 μm， 這是因為發生了回復與再結晶過程， 熱影響區平均晶粒直徑在該過程中隨焊接熱輸入增加而增加， 熱影響區溫度越高，保溫時間越長， 再結晶過程越完全。 140 mA 電流下， 在焊縫區可以觀察到明顯的粗大晶粒， 熱影響區的等軸晶也很粗大； 電流減少到120 mA時， 焊縫及熱影響區晶粒尺寸減小， 晶粒數目增多； 繼續降低電流至100 mA 時， 焊縫、 熱影響區晶粒進一步變小， 分布均勻。 雖然在100 mA 時晶粒最小， 但是在該條件下產生了未焊透現象， 不能滿足實際生產。 不同電流下獲得的焊縫組織晶粒特征形貌和柱狀晶晶粒寬度尺寸對比可見， 在140 mA 電流條件下， 焊縫柱狀晶尺寸變小最為明顯, 因此接頭塑性、 韌性增強明顯。

2.3 硬度

通過HV-120/維氏硬度計對三組焊縫處的硬度試樣進行硬度試驗。 分別對焊縫處和母材區進行取點檢測， 結果見表3。

由表3 可知， 第一組和第二組試驗在母材區和焊縫區硬度差異大， 由于焊接銅板樣品批次不同， 導致焊縫兩邊母材硬度也不同， 經過電子束焊接后焊縫處硬度明顯變化， 在焊接加熱后又冷卻的過程中， 焊縫處晶體結構發生細微變化， 導致焊縫處硬度降低。 第三組試驗母材區和焊縫區硬度基本一致， 因為兩塊母材強度基本一致， 在焊接過程中熔池內外沒有成分差異， 凝固時也沒有相變發生， 所以焊縫區和母材區硬度差別不大。

3 結 論

（1） 無氧銅電子束焊接接頭焊縫為釘形焊縫， 隨著焊接電流的增大， 焊縫寬度增加幅度不大， 焊縫厚度增加明顯。 母材和熱影響區為等軸晶組織， 熱影響區的晶體組織相對于母材晶粒嚴重粗化， 焊縫區為柱狀晶和等軸晶組織。

（2） 隨著電流輸入的增大， 焊縫區和熱影響區的晶粒尺寸增大。 在100 mA 電流條件下產生了未焊透現象， 140 mA 電流條件下焊縫柱狀晶細化， 接頭塑性、 韌性明顯增強。

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