TU1無(wú)氧銅/316L不銹鋼電子束焊接接頭組織與性能

尹中會(huì),曹志森,楊建軍,馬建國(guó),劉振飛

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.特種焊接技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232000)

TU1無(wú)氧銅是一種低層錯(cuò)能的金屬材料[1-3],具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能,使得其在大科學(xué)裝置中得到使用。316L不銹鋼薄板因具有良好的耐腐蝕性和成形性能在新能源、石油化工、核工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-5]。在核聚變裝置中,偏濾器、中性束注入系統(tǒng)等涉及TU1無(wú)氧銅與316L不銹鋼的焊接結(jié)構(gòu),銅合金具備熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、抗中子輻照性能好等優(yōu)點(diǎn),是核聚變堆轉(zhuǎn)向器熱沉材料的首選材料[6]。銅/鋼異種金屬材料焊接能夠?qū)~的良好導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性與不銹鋼的高強(qiáng)度及高耐蝕性結(jié)合起來(lái),有利于將兩種金屬的優(yōu)點(diǎn)更好地發(fā)揮出來(lái),已經(jīng)應(yīng)用在了很多重要的領(lǐng)域[7-9]。但考慮到銅鋼異種材料的物化性能不同,使用傳統(tǒng)焊接方法進(jìn)行對(duì)焊時(shí),很難得到優(yōu)良的焊接接頭。而電子束焊接是近年來(lái)飛速進(jìn)步、蓬勃發(fā)展的一種先進(jìn)連接技術(shù),隨著技術(shù)工藝的日益成熟,其在工業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力也日漸增強(qiáng),已為工業(yè)部門(mén)廣泛接受[10]。相對(duì)傳統(tǒng)的熔焊方法而言[11],電子束焊接是一種能量密度高的焊接方法,具有加熱速度快、熱輸入小、焊接熱影響區(qū)以及變形小、厚板一次性成形等優(yōu)點(diǎn)[12-14],在高端裝備的先進(jìn)連接中具有廣闊的應(yīng)用前景[15]。

本文使用了真空電子束焊接的方法對(duì)TU1無(wú)氧銅和316L不銹鋼板材進(jìn)行了異種材料焊接,對(duì)TU1和316L焊接接頭組織特征進(jìn)行了研究,對(duì)接頭的顯微硬度分布規(guī)律及力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與分析,從而研究這兩種材料焊接接頭性能對(duì)于大科學(xué)裝置的使用影響,同時(shí)也為鋼銅焊接提供一定的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選用2mm、3mm、5mm等厚的TU1無(wú)氧銅板材和的316L不銹鋼板材,TU1無(wú)氧銅和316L不銹鋼的規(guī)格分別是:400mm×150mm×2mm、400mm×150mm×ξmm。(ξ代表焊件厚度)兩種母材的化學(xué)成分分別如表1、表2所示。

表1 TU1無(wú)氧銅的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 316L不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)使用的焊接設(shè)備是由中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所和淮南新能源研究中心提供的真空電子束焊接系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)所用到的儀器設(shè)備有ZEISS Imager.A2m材料顯微鏡、HYT-1000B型的顯微硬度計(jì)、WDW-300KN微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)所用到的試劑有丙酮、無(wú)水乙醇、金相腐蝕液。焊接實(shí)驗(yàn)前,先用丙酮試劑對(duì)薄板進(jìn)行擦洗,再利用低純度的無(wú)水乙醇試劑進(jìn)行沖洗,從而去除銅/鋼薄板表面的油漬和灰塵為。對(duì)TU1無(wú)氧銅采用醋泡法,對(duì)316L不銹鋼采用酸洗鈍化法,從而去除表面氧化物。焊接參數(shù)為:加速電壓150kV,焊接速度15mm/s,電子束流為10mA。對(duì)TU1無(wú)氧銅和316L不銹鋼兩塊薄板采用不開(kāi)坡口對(duì)接。焊接時(shí)需要用專用夾具對(duì)焊件進(jìn)行裝夾約束,對(duì)接間隙盡可能小于0.01mm。

焊接完成后,沿垂直方向用線切割截取母材、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)的晶相式樣。對(duì)試樣進(jìn)行打磨拋光處理,然后先用無(wú)水酒精清洗試樣表面等待冷風(fēng)吹干,再用金相腐蝕液腐蝕試樣,最后用ZEISS Imager.A2m材料顯微鏡觀察焊接接頭的金相微觀組織。使用HYT-1000B型的顯微硬度計(jì)儀器,對(duì)焊接接頭晶相式樣不同的區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。使用WDW-300KN微機(jī)控制萬(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,分別測(cè)出兩組式樣的抗拉強(qiáng)度,最后取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭焊縫質(zhì)量及宏觀晶相

焊接完成后需要對(duì)薄板的變形量進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)觀察其焊件焊縫的表面形貌和組織進(jìn)行觀察,確定接頭成形無(wú)常見(jiàn)的焊接缺陷(氣泡,裂紋,飛濺等)。另外電子束焊接是全熔深焊接,故熔池形貌、熔深和熔寬是衡量焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)良的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。焊縫形貌如圖1所示,2mm和3mm厚的焊縫表面形貌良好,焊縫周圍幾乎沒(méi)有焊接飛濺物,形成的焊縫沒(méi)有明顯缺陷,而5mm厚的焊縫周圍存在少量飛濺物,并且在焊縫兩端存在一些間斷性氣體,這是因?yàn)樵诤附拥倪^(guò)程中熔池內(nèi)部的氣泡沒(méi)有及時(shí)溢出造成的。焊接接頭的宏觀金相如圖2所示。

圖1 不同厚度焊縫表面形貌

圖2 不同厚度宏觀組織

由圖2可知,通過(guò)對(duì)宏觀金相熔池測(cè)量可知,2mm式樣熔池頂部的寬度為4.1mm,中部的寬度為3.3mm,底部的寬度為2.1mm;3mm試樣熔池頂部寬度為3mm,中間寬度為1.4mm,底部寬度為0.8mm;5mm試樣熔池頂部寬度為4mm,中間寬度為1.9mm,底部寬度為1.1mm。三組式樣底部熔池寬度都大于零,所以三組焊接實(shí)驗(yàn)均焊透,并且焊接接頭的宏觀金相呈現(xiàn)“鐵釘”形,符合真空電子束熔池形貌。由于TU1無(wú)氧銅母材的熔點(diǎn)和比熱容低于316L不銹鋼母材,在電子束熱源的作用下,TU1母材熔化較多,導(dǎo)致左右焊縫不對(duì)稱。

2.2 微觀組織

根據(jù)顯微組織特征的不同,分別對(duì)不同厚度接頭的316L母材區(qū)、316L熱影響區(qū)、焊縫區(qū)、TU1熱影響區(qū)以及TU1母材區(qū)顯微組織進(jìn)行觀察,微觀金相圖如圖3所示。

圖3 微觀金相組織

由圖3可知,圖3(a)、3(b)、3(c)為不同厚度的TU1母材區(qū),圖3(d)、3(e)、3(f)為不同厚度的TU1熱影響區(qū),圖3(g)、3(h)、3(i)為不同厚度的焊縫區(qū),圖3(g)、3(k)、3(l)為不同厚度的316L熱影響區(qū),圖3(m)、3(n)、3(o)為不同厚度的316L母材區(qū)。通過(guò)對(duì)同一區(qū)域、不同厚度的晶粒對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),接頭母材區(qū)、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)的晶粒大小都隨銅鋼板材厚度的增加而增加。通過(guò)對(duì)同一厚度的TU1、316L母材區(qū)和熱影響區(qū)晶相進(jìn)行對(duì)比,可以看出越靠近熱影響的區(qū)域,銅的晶體顆粒就越大。相對(duì)于TU1母材區(qū),TU1熱影響區(qū)的晶體組織晶粒發(fā)生嚴(yán)重的粗化現(xiàn)象,這是由于發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程所導(dǎo)致的[16]。靠近熱影響區(qū)域的地方,電子束焊接的熱輸入量大,熱影響區(qū)溫度越高,保溫時(shí)間越長(zhǎng),再結(jié)晶過(guò)程越完全,從而使得晶粒增大的趨勢(shì)就越大。而在相同的顯微鏡下看,316L不銹鋼熱影響區(qū)和母材區(qū)組織,二者之間的成形規(guī)律與TU1無(wú)氧銅相比較就不是很明顯,這是因?yàn)門(mén)U1無(wú)氧銅的導(dǎo)熱性能比316L不銹鋼的好,使得在整個(gè)焊接過(guò)程中,熱量更傾向與TU1無(wú)氧銅側(cè),導(dǎo)致TU1無(wú)氧銅側(cè)晶粒增大。316L不銹鋼母材為單一奧氏體組織,且存在著一些退火孿晶(黑色塊狀區(qū)域)[17],這是由于其在加工時(shí)經(jīng)冷變形后又經(jīng)退火所致。熱影響區(qū)和焊縫區(qū)組織呈現(xiàn)波浪狀,這是因?yàn)楹缚诶鋮s后收縮造成的。焊縫區(qū)存在不同程度的混合組織,焊縫分界面處的組織是富鐵相和富銅相的固溶體。由于Cu和Fe元素形成了連續(xù)固溶體而難形成金屬間化合物,并且富鐵相和富銅相分散在焊縫中,有利于提高焊接接頭的力學(xué)性能。

2.3 力學(xué)特征

2.3.1 顯微硬度

圖4所示是不同厚度焊接不同區(qū)域的顯微硬度分布。

圖4 焊縫水平方向顯微硬度

由圖4可知,沿焊縫水平方向進(jìn)行測(cè)試,2mm厚接頭焊縫區(qū)域的硬度值分別布在225～240HV之間,316L側(cè)母材區(qū)、TU1側(cè)母材區(qū)的硬度值分別在205～210HV、89～95HV之間;3mm厚接頭焊縫區(qū)域的硬度值分別布在233～260HV之間,316L側(cè)母材區(qū)、TU1側(cè)母材區(qū)的硬度值分別在224～229HV、120～140HV之間;5mm厚接頭焊縫區(qū)域的硬度值分別布在164～186HV之間,316L側(cè)母材區(qū)、TU1側(cè)母材區(qū)的硬度值分別在152～160HV、78～87HV之間。通過(guò)圖4不同厚度接頭顯微硬度可以發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)的硬度比TU1母材區(qū)及316L母材區(qū)硬度高,且硬度的最高點(diǎn)都在316L熱影響區(qū)。

2.3.2 拉伸性能

對(duì)3種不同厚度的焊接接頭都分別選取兩組試樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),拉伸速度為30mm/min。表3是母材、接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。

表3 母材、接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率

由表3可知,2mm厚焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度最大,達(dá)到263MPa,高于TU1母材,占316L母材的50.6%;3mm厚的焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為174MPa,占TU1母材的85.9%,316L母材的33.5%;5mm厚的焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為141MPa,占TU1母材的63.9%,316L母材的27.1%。說(shuō)明采用電子束焊接方法可以很好的實(shí)現(xiàn)TU1和316L的連接,并且2mm厚的焊接接頭最優(yōu)良。

拉伸試樣的斷裂情況如圖5所示,2mm厚拉伸試樣斷裂位置位于TU1熱影響區(qū),而3mm、5mm厚拉伸試樣斷裂位置位于焊縫區(qū)。

圖5 拉伸試樣斷裂情況

3 結(jié)論

(1)采用真空電子束焊接2mm、3mm、5mm厚的TU1薄板和316L不銹鋼薄板,其中2mm厚的焊接接頭焊縫質(zhì)量最好,得到無(wú)氣孔、無(wú)未完全融合等內(nèi)部缺陷的優(yōu)質(zhì)接頭。

(2)通過(guò)接頭的微觀晶相圖及分析,焊縫分界面處的組織是以富鐵相和富銅相固溶體的形式存在,由于Cu和Fe元素形成連續(xù)固溶體難以形成金屬間化合物,并且富鐵相和富銅相分散在焊縫中,有利于提高焊接接頭的力學(xué)性能。

(3)通過(guò)硬度分析測(cè)試,焊縫區(qū)的硬度比TU1母材區(qū)和316L母材區(qū)的硬度高。

(4)通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)分析,2mm、3mm、5mm厚的焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度分別是263MPa、174MPa、141MPa。與母材區(qū)的抗拉強(qiáng)度相比,2mm厚的接頭抗拉強(qiáng)度高于TU1母材,占316L母材的50.6%;3mm厚的接頭抗拉強(qiáng)度分別占TU1母材的85.9%,316L母材的33.5%;5mm厚的接頭抗拉強(qiáng)度分別占TU1母材的63.9%,316L母材的27.1%。2mm拉伸試樣斷裂位置位于TU1熱影響區(qū),3mm、5mm拉伸試樣斷裂位置位于焊縫區(qū)。相對(duì)于3mm和5mm厚的接頭而言,2mm厚的接頭抗拉性能最好。