真空電子束焊接技術(shù)應用研究現(xiàn)狀

陳國慶，樹西，柳峻鵬，張秉剛，馮吉才

（哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

真空電子束焊接技術(shù)應用研究現(xiàn)狀

陳國慶，樹西，柳峻鵬，張秉剛，馮吉才

（哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

簡要概括了真空電子束焊接技術(shù)在不同材料連接方面的應用現(xiàn)狀及研究發(fā)展動態(tài)，包括鋁及其合金、鋼鐵材料、銅及銅合金、鈦及鈦合金、難熔金屬鎢/鉭/鈮/鉬及其合金、金屬間化合物及復合材料電子束焊接的發(fā)展現(xiàn)狀。針對電子束焊接技術(shù)，簡述了國內(nèi)外學者已取得的部分研究成果，包括工藝試驗、組織分析、數(shù)值模擬和力學性能等；分析了目前電子束焊接技術(shù)在材料連接方面還存在的問題，并展望了電子束焊接技術(shù)應向高溫新型結(jié)構(gòu)材料、異種材料、功能復合材料等方向發(fā)展，豐富了連接過程中的理論基礎，揭示了工藝與組織及性能的對應關(guān)系，擴展了電子束焊接技術(shù)的應用領(lǐng)域。

電子束焊接；鋁合金；鈦合金；難熔金屬；研究現(xiàn)狀

電子束焊接(Electron Beam Welding, EBW)是利用熱發(fā)射或場發(fā)射陰極來產(chǎn)生電子，并在陰極和陽極間的高壓(25～300 kV)電場作用下加速到很高的速度(0.3c～0.7c)，經(jīng)一級或二級磁透鏡聚焦后，形成密集的高速電子流，當其撞擊工件表面時，高速運動的電子與工件內(nèi)部原子或分子相互作用，在介質(zhì)原子的電離與激發(fā)作用下，將電子的動能轉(zhuǎn)化為試件的內(nèi)能，使被轟擊工件迅速升溫、熔化并汽化，從而達到焊接的目的[1—2]。真空電子束焊接借助于獨特的傳熱機制以及純凈的焊接環(huán)境，使之與其他的熔化焊方法相比具有熱輸入量低、焊接變形小、能量密度大、穿透能力強、焊縫深寬比大、焊縫純潔度高、工藝適應性強、重復性和再現(xiàn)性好等特點，在航空航天、微納制造、生物醫(yī)學等諸多工程領(lǐng)域有著廣泛的應用[3]。文中總結(jié)了真空電子束焊接技術(shù)在不同材料連接技術(shù)上的應用。

1 鋁合金電子束焊接

厚板鋁合金焊接存在困難，有學者研究了加速電壓、工作距離和焊接速度對焊縫深寬比和金相組織的影響[4]。采用加速電壓為60 kV，電子束流為120 mA，焊接速度為800 mm/min等工藝參數(shù)，對20 mm厚7A52鋁合金進行焊接，可得到良好的焊縫成形[5]。

鋁/鋼異種材料焊接性較差，添加Ag中間層可實現(xiàn)鋁/鋼的電子束焊接。接頭中在銀中間層和鋁合金界面處會存在一個由 Ag2Al和鋁的共晶物組成的過渡層，見圖1，過渡層的厚度隨著偏向銀的距離的增加而減小。當偏束距離較大時，接頭中會存在兩個分別由 FeAl和 FeAl3組成的金屬間化合物層。接頭最大抗拉強度為193 MPa[6]。

圖1 鋁/鋼接頭中過渡層形貌[6]Fig.1 Morphology of transition layer in aluminium/steel joint

鋁合金焊接的主要缺陷為氣孔和裂紋，鋁合金焊接的氣孔來源有主要有兩個：一個是氫氣孔，一個是Mg, Al2O3和MgO氧化膜的部分汽化形成的氣孔，其中后者的影響較大。采用較大的電子束斑、較低的焊接速度和復雜的掃描波形可以消除接頭的氣孔缺陷。徹底清除氧化膜、實施焊后重熔均可有效減少焊縫氣孔的產(chǎn)生，焊后重熔和增加攪拌同樣對焊縫內(nèi)的根部縮孔有一定的改善作用[7—8]。對電子束掃描焊接參數(shù)（掃描圖形、掃描頻率、聚焦、焊接速度）對氣孔率的影響進行研究，結(jié)果表明采用圓形掃描、高掃描頻率、較小焊接速度等參數(shù)，可顯著降低氣孔率[9]。鋁合金電子束焊接頭中的裂紋為結(jié)晶裂紋，增加電子束流攪拌以減少成分偏析，細化組織可減少裂紋的產(chǎn)生[7]。哈爾濱工業(yè)大學對25 mm厚2A12鋁合金電子束對接焊進行研究，發(fā)現(xiàn)直接焊時焊縫中存在較多氣孔，見圖2，而采用掃描焊接等方式，可以顯著降低焊縫中的氣孔數(shù)量。

圖2 焊縫中的氣孔缺陷Fig.2 Pores in weld

利用數(shù)值模擬技術(shù)可以計算出鋁合金電子束焊接過程中瞬態(tài)流場分布，進而可以從理論上解釋匙孔的形成過程及氣孔和釘尖缺陷的產(chǎn)生機理。在較大的束流下，熔池的不穩(wěn)定性增加，匙孔底部會形成蒸汽空腔，冷卻時液態(tài)金屬來不及填充，最終形成釘尖缺陷，其演變過程見圖3[10]。

圖3 釘尖缺陷形成過程[10]Fig.3 Formation process of spiking defect

哈爾濱工業(yè)大學對電子束焊接時匙孔穿透過程進行了研究，計算結(jié)果表明，匙孔并非一下形成，而是存在一個熱量積累過程。電子束焊接起始階段大部分能量用以熔化金屬，熔池表面在表面張力及Marangoni剪切力共同作用下微微凹陷。當熔池溫度超過材料沸點2730 K時，液態(tài)金屬發(fā)生強烈蒸發(fā)，從而對熔池液態(tài)金屬產(chǎn)生較大的金屬蒸汽反作用力，伴隨著金屬汽化損失及金屬蒸汽反作用力同時作用，使匙孔不斷深穿，最終形成穿透型匙孔，見圖 4。

圖4 匙孔演變過程Fig.4 Evolution of keyhole

2 鋼鐵材料電子束焊接

利用電子束焊接方法對碳鋼、結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼及合金鋼等進行焊接，可以獲得焊縫成形良好、焊縫內(nèi)部無缺陷、性能優(yōu)異的焊接接頭。

“對了，你還記得小學一年級教你的那個班主任嗎？”我媽在整理完我的書桌之后，突然提到一個我一時半會兒都無法回憶起面容的人，“她今年帶完最后一個小學六年級就要退休，回家?guī)ё约旱膶O子了?！?/p>

針對耐熱鋼和不銹鋼管異種材料電子束焊接，工藝參數(shù)合適時，焊接過程中匙孔處于穿透狀態(tài)，焊縫處無焊瘤、未熔合等焊接缺陷，同時焊縫內(nèi)部和兩邊界處均無裂紋產(chǎn)生，焊接接頭焊縫完整、光滑并帶有金屬光澤[11]。對于高強鋼的電子束焊接，焊縫成形良好，無焊接缺陷產(chǎn)生[12]。高強鋼焊縫由分布不均勻的馬氏體和貝氏體組成。焊縫熱影響區(qū)近熔合線處為馬氏體，遠熔合線處為鐵素體和貝氏體[13]。

淬硬傾向大的鋼電子束焊接性較差，由于電子束冷卻速度較快，很容易形成冷裂紋，可以通過焊前預熱、焊后緩冷等方式避免焊縫裂紋的產(chǎn)生，從而得到滿意的焊縫組織與較好的接頭力學性能[14]。

3 銅及銅合金電子束焊接

銅及銅合金同種材料電子束焊接在國內(nèi)外的研究較少[15]，而銅/鋼及銅/鈦的電子束焊接研究較多。銅和鋼雖然不會產(chǎn)生金屬間化合物，但其物化性能差異較大，焊接存在困難，特別是銅與奧氏體不銹鋼焊接，接頭中的滲透裂紋很難避免。銅和鈦焊接時焊縫中會生成較多的金屬間化合物，嚴重降低了接頭的力學性能。

采用偏束焊的方式可以有效減少焊縫中的缺陷，獲得良好的焊接接頭，接頭的抗拉強度高達 250 MPa，接近銅母材的抗拉強度[16]。采用掃描焊接的方法也可獲得性能較好的銅/鋼電子束焊接接頭，并且電子束掃描焊接對接頭沖擊強度和伸長率的提高具有很大的幫助。當掃描路徑為圓形，掃描幅值為1 mm時接頭性能最佳，相比于直接焊接，室溫力學性能相差不大，但是400 ℃時，伸長率提升100%，沖擊強度提升 67%[17]。由于銅/鋼電子束直接焊接存在元素燒損問題，表面下塌較為嚴重，采用電子束填絲焊接可以有效解決表面下塌缺陷，獲得成形和性能均較好的銅/鋼電子束焊接接頭[18]。利用大束流(395 mA)、小電壓(15 kV)的方式可實現(xiàn)大厚度(25 mm)銅/鋼異種材料的電子束焊接，焊縫中無氣孔和裂紋等缺陷，但焊縫內(nèi)部組織很不均勻[19]。

銅/鈦電子束焊接時，電子束斑點偏向銅側(cè)可以提高接頭的抗拉強度，此時焊縫包括熔合區(qū)及 TC4側(cè)反應層兩部分。熔合區(qū)主要由銅基固溶體組成，硬度較 TC4母材有所降低；反應層成分過渡較大，含有多種金屬間化合物相[20]。利用二次毗鄰電子束焊接方法（見圖5），也可實現(xiàn)銅/鈦異種金屬的有效連接，接頭的最高抗拉強度高達Cu母材的89%。該方法的原理是第一次電子束偏置焊接形成熔釬焊接頭，然后第二次在另一側(cè)母材進行焊接，通過熱傳導的作用使第一次熔釬焊形成的IMCs層低熔點組分重熔，金屬間化合物減少，從而提高接頭的抗拉強度[21]。

圖5 銅/鈦二次毗鄰電子束焊接[21]Fig.5 Cu/TC4 adjacent electron beam welding

4 鈦及鈦合金電子束焊接

鈦及鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕、耐高溫、生物相容性好等優(yōu)異的性能[22]。鈦元素較為活潑，采用真空電子束焊接方法可避免雜質(zhì)元素進入熔池，從而可獲得性能較好的焊接接頭。

近α型鈦合金電子束焊接焊縫組織主要為針狀、板條狀或集束狀α相。焊縫區(qū)原生的β晶粒內(nèi)部，平行排列的初生板條狀α相將晶粒劃分成許多小區(qū)域，次生α'相則在這些區(qū)域內(nèi)呈不同尺寸交錯排列，焊縫中魏氏體組織不明顯[23]。哈爾濱工業(yè)大學對高溫鈦合金Ti600電子束焊接進行了研究，焊縫表面成形良好，焊縫由單一的α'馬氏體相組成，接頭抗拉強度與母材(874 MPa)相當，斷裂位置位于母材，說明高溫鈦合金Ti600的電子束焊接性良好。近β型鈦合金的強度和韌性較高，但焊接接頭性能大大低于母材，焊接性較差。目前的研究大多集中在通過焊前和焊后熱處理來改善焊接接頭的性能。焊前固溶處理和焊后時效處理，TB2電子束焊接焊縫中心為胞狀樹枝晶，β柱狀晶向焊縫中心生長，時效后α相彌散析出；焊縫硬度最高，熱影響區(qū)次之，接頭強度與母材相當，但塑性有所下降[24]。對TB10鈦合金電子束焊接接頭進行焊前和焊后熱處理，焊縫和母材組織主要為β柱狀晶、粗大的初生針狀α相和短小的針狀α'相，并且焊縫中的α'更粗大。提高固溶溫度可以提升接頭沖擊韌性，但仍低于母材[25]。α+β雙相鈦合金中，TC4合金的焊接研究最多[26]。TC4電子束焊接焊縫中為針狀α'馬氏體相組成的網(wǎng)籃狀組織；熱影響區(qū)則由馬氏體、不規(guī)則的α相和非平衡相組成。焊后深冷處理可以細化晶粒，見圖6[27]。

圖6 不同深冷處理時間下的焊縫組織形貌[27]Fig.6 Micrographs of EB-welded TC4 joints at different DCT soaking times

5 難熔金屬電子束焊接

難熔金屬材料主要指熔點高于2000 ℃的金屬，也有將熔點高于鋯熔點(1852 ℃)的金屬稱為難熔金屬，包括V, Nb, Ta, Mo, Re, W，具有較高的高溫強度、較好的抗液態(tài)金屬腐蝕性能。文中主要介紹W, Ta,Nb, Mo及其合金的電子束焊接現(xiàn)狀，這些材料熔點都在2000 ℃以上，廣泛應用于航空航天、熱電、核電等領(lǐng)域[28]。

5.1 鎢及鎢合金

鎢的熔點為3410 ℃，是熔點最高的難熔金屬。由于鎢的熔點較高，焊接時需要較高的熱輸入，焊縫氧化嚴重[28]。

對于鎢/鎢同種材料的焊接，鎢母材被電子束熔化后，由于鎢的導熱性能較好，熔池在很短的時間內(nèi)凝固，熔池存在時間很短，最終會導致焊縫的孔隙較高。鎢焊接時需要進行焊前預熱，焊后也需要消應力處理。采用掃描方式焊接，有助于細化晶粒，最終使焊縫性能提高。由于電子束的真空環(huán)境，所以利用電子束焊接鎢時孔隙問題相比于其他焊接方式會稍有降低，但焊接接頭依然存在脆性大、孔隙率高等問題[29]。

鎢和其他材料焊接時由于材料熱物理性能的差異，需采用偏束焊來實現(xiàn)有效的連接。鎢/銅異種材料焊接時，電子束向鎢側(cè)偏移0.2 mm，采用低速焊接，可以形成有效熔池。拉伸結(jié)果表明斷裂發(fā)生與鎢側(cè)熱影響區(qū)，表明 Cu的加入會使焊縫的性能提高。鎢/銅焊接時也可采用偏銅焊接，形成熔釬焊接頭[28]。

5.2 鉭及鉭合金

鉭具有較好的耐腐蝕性，較高的高溫強度和特殊的介電性能等優(yōu)異的性能，在熱交換器、熱偶套管、穿甲彈中起到關(guān)鍵作用。

純鉭的焊接性好，但由于自然界中鉭的含量較少，如果單獨使用鉭材料，會大大提高成本，目前解決辦法是將鉭和其他金屬材料連接，在保證使用性能的條件下盡量減少鉭的使用量。哈爾濱工業(yè)大學利用電子束焊接方法，采用鎖底結(jié)構(gòu)焊接0.5 mm厚鉭薄片和1 mm厚1Cr18Ni9Ti不銹鋼板，對中焊時接頭成形一般，焊縫表面下凹；電子束偏向鉭側(cè)時，不銹鋼幾乎不熔化，無法形成有效的焊接接頭；而當電子束偏向不銹鋼一側(cè)(0.2 mm)時焊縫成形最好，形成類似于熔釬焊接頭，見圖7[30]。

利用電子束焊接方法對同等直徑的純鉭棒和鋼棒進行焊接，添銅作為中間層可以獲得性能較好的焊接接頭；而使用鉬片作為中間層時，焊縫力學性能較差[31]。哈爾濱工業(yè)大學對TC4和Ta-W異種金屬電子束焊接進行了研究，采用偏向鉭鎢合金一側(cè)進行對接焊，接頭成形良好，在一定偏束量時焊縫中Ta和W元素含量較高，焊縫組織為以β鈦為基的固溶體組織，無脆性化合物生成，存在富鉭區(qū)和貧鉭區(qū)，焊縫中元素分布不均勻，接頭宏觀形貌及橫截面形貌見圖8。在合適的偏束量(0.4 mm)下，焊縫的抗拉強度高達714 MPa，接近母材強度，斷裂位置位于焊縫處。鉭鎢側(cè)熱影響區(qū)硬度較母材降低，鈦側(cè)熔合線處出現(xiàn)硬度最大值[32]。

圖7 鉭/不銹鋼接頭橫截面形貌[30]Fig.7 Cross-section morphologies of Ta/steel joints

5.3 鈮及鈮合金

鈮的密度為8.57 g/cm3，在這些難熔金屬中其密度最小。鈮在高溫環(huán)境下具有較高的強度，并且其室溫塑性較好。在航空航天的熱防護材料領(lǐng)域里具有較多的應用。鈮的焊接性能很好，在室溫和高溫環(huán)境下的接頭強度可以與母材等強[28,33]。

圖8 TC4/Ta-W接頭形貌[32]Fig.8 Morphology of TC4/Ta-W joint

純鈮電子束焊接接頭成形較好，焊縫中無任何缺陷，接頭力學性能優(yōu)異，強度與母材相當，塑性為母材的 90%，且其超導性能在電子束焊接過程中沒有受到破壞[34—35]。低密度鈮合金與Nb521合金電子束焊接接頭抗拉強度高達 468 MPa，為鈮母材的98.5%[36]。鈦合金和鈮異種材料電子束焊接性也較好，熱影響區(qū)和熔合區(qū)組織致密，焊縫熔透性好，無氣孔、裂紋等缺陷。熔合區(qū)主要為胞狀束凝固結(jié)構(gòu)，基本無枝晶出現(xiàn)[37]。

鈮不僅與金屬可以焊接，還可以與陶瓷進行焊接。利用電子束技術(shù)可以實現(xiàn)高氧化鋁陶瓷與鈮的有效連接，在低電壓條件下可獲得氣密性良好的焊接件。焊接時需要對陶瓷件進行預熱以防開裂。焊縫中兩種材料呈現(xiàn)半熔融狀態(tài)，陶瓷和鈮之間是靠分子力實現(xiàn)連接的[38]。

5.4 鉬及鉬合金

鉬合金焊接性較差，容易產(chǎn)生粗大的晶粒，接頭中易產(chǎn)生裂紋。電子束焊接16 mm厚燒結(jié)態(tài)純鉬板的焊縫區(qū)為粗大的等軸晶，熔合區(qū)為柱狀晶，其上部柱狀晶較大，底部柱狀晶細小，見圖9[39]。不同退火溫度對接頭的顯微硬度影響作用不大。鉬中添加錸等元素可以顯著提升電子束焊接接頭的抗拉強度和伸長率。Mo41Re合金電子束焊接接頭的抗拉強度高達母材的90%[40]。

圖9 Mo合金接頭組織形貌[39]Fig.9 Morphology of molybdenum joint

哈爾濱工業(yè)大學對鉬合金電子束焊接進行了研究，結(jié)果表明添加熱補償可以大大減少焊縫中氣孔的數(shù)量。通過施加預熱和后熱可以有效降低熔池的冷卻速度，使熔池內(nèi)部氣體有充分的時間逸出，最終很大程度上減少了焊縫中氣孔的數(shù)量，并且對抑制裂紋也有較大的作用。

圖10 Mo合金接頭橫截面形貌Fig.10 Cross-section morphologies of molybdenum joints

6 其他材料電子束焊接

電子束焊接技術(shù)不僅可以應用于常用金屬材料的焊接，也可用于金屬間化合物及復合材料等特種材料的焊接，并能夠獲得有效的焊接接頭。

6.1 金屬間化合物

國內(nèi)外對金屬間化合物電子束焊接的研究主要集中于TiAl和Ti3Al金屬間化合物電子束焊接。Ti-Al系金屬間化合物密度較小，原子間的結(jié)合方式為金屬鍵和共價鍵共存，這就使Ti-Al系金屬間化合物的性能處于金屬和陶瓷之間，具有很高的比強度和比剛度，同時具有良好的抗蠕變和抗氧化能力，在航空發(fā)動機上具有較大的應用前景。

TiAl金屬間化合物電子束焊接接頭成形良好，焊道均勻，但由于 TiAl本身滑移系較少，位錯運動和增殖困難，變形能力差，且焊后快速冷卻產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，導致焊后接頭極易產(chǎn)生宏觀橫向裂紋。采用復合焊接方法可以實現(xiàn) TiAl及 TiAl/TC4的有效連接，接頭無宏觀裂紋產(chǎn)生[41]。

Ti3Al金屬間化合物電子束焊接性與TiAl金屬間化合物相差不大，焊后易產(chǎn)生宏觀裂紋。Ti3Al金屬間化合物電子束焊接焊縫主要由 B2有序結(jié)構(gòu)相組成。焊后在650 ℃下熱處理2 h后焊縫組織為B2相基體內(nèi)部析出少量塊狀α2相；1000 ℃/2 h熱處理后焊縫為α2相和B2相相間的層片狀組織（魏氏組織）[42]。

高鈮TiAl/Ti600合金電子束焊接性較差，焊后接頭極易產(chǎn)生橫向裂紋。焊縫區(qū)主要形成細針狀α2-Ti3Al相及少量α-Ti相；接頭高鈮TiAl側(cè)熱影響區(qū)以板條狀和等軸組織為主，Ti600側(cè)熱影響區(qū)主要為針狀α'相，呈網(wǎng)籃狀組織[43]。

6.2 復合材料

顆粒增強鋁基復合材料由于具有較高的比強度、比剛度和比模量等優(yōu)異的性能，在多領(lǐng)域具有廣泛的應用價值，但鋁基復合材料熔焊時會存在焊縫成形較差等問題。

SiCp/Al復合材料的電子束焊焊接性差，焊縫表面容易出現(xiàn)下凹等缺陷，電子束直接聚焦焊時，焊縫內(nèi)部的SiC顆粒損失較多；并且在熔合線部位的SiC容易出現(xiàn)聚集、長大現(xiàn)象。當減小束流和增加焊速時，焊縫的冷卻速度增加，接頭中形成的脆性相減少，并且氣孔的尺寸和數(shù)量均有所下降。通過加掃描、散焦可減弱凹槽和SiC損失，有效解決成形問題[44—45]。

7 結(jié)語

國內(nèi)外對電子束焊接技術(shù)研究的廣度和深度不斷加大，在工藝探索和理論研究方面取得了較大的進展，但電子束焊接過程中電子與材料的相互作用機理還未明確。電子束的深穿機理和焊接過程中熔池的流動狀態(tài)目前無法通過試驗手段來闡明，只能通過數(shù)值模擬方法來解釋。這些機理性的本質(zhì)研究有待進一步深入。

鑒于新材料研究的不斷突破，特別是航空航天用的高溫結(jié)構(gòu)材料和復合材料，目前國際上逐步將電子束焊接技術(shù)應用領(lǐng)域擴大?；陔娮邮附蛹夹g(shù)在新材料及異種材料連接方面的獨特優(yōu)勢，針對目前國內(nèi)外研究的不足，深入開展高溫新型結(jié)構(gòu)材料、異種材料、功能復合材料等電子束焊接的研究具有深遠的意義和較優(yōu)的應用前景。

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Development Status of Applications of Vacuum Electron Beam Welding Technology

CHEN Guo-qing,SHU Xi,LIU Jun-peng,ZHANG Bing-gang,FENG Ji-cai
(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

In this paper, applications and development of vacuum electron beam welding technology in joining of different materials were introduced, including aluminum and its alloy, steel, copper and its alloy, titanium and its alloy, refractory metal(W, Ta, Nb, Mo), intermetallic compound and composite. Achievements obtained by domestic and overseas investigators were briefly stated, including processes, microstructures, numerical simulation and mechanical properties. Existing problems of electron beam welding in joining of materials were analyzed, and the development trend of electron beam welding technology should focus on high temperature and structural materials, dissimilar materials, functional composite materials and et al. The theoretical basis of the process was enriched. The relationship between processes, microstructures and mechanical properties was revealed, and the application of electron beam welding technology was expanded.

electron beam welding; aluminum alloy; titanium alloy; refractory metal; research status

2017-11-16

國家自然科學基金（51375115）

陳國慶（1972—），男，博士，副教授，主要研究方向為新材料及異種材料電子束焊接和電子束增材制造。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.004

TG456.3

A

1674-6457(2018)01-0031-09