航空高強鋼電子束焊接研究現(xiàn)狀

洪敏，王善林，孫文君，吳鳴，徐勇

(南昌航空大學(xué)，航空構(gòu)件成形與連接江西省重點試驗室，南昌330063)

0 前言

隨著工業(yè)制造的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的碳素鋼漸漸不能滿足其愈發(fā)嚴苛的性能要求，通過在碳素鋼的基礎(chǔ)上添加不同配比的Mn，Si，Ni，Cr，Mo，Nb等合金元素，人們得到了數(shù)百種性能各異的合金鋼。在滿足使用要求的前提下，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計傾向于工件的小型化和輕量化。高強鋼因其具有足夠的韌性及較高的比強度和屈強比[1]，特別是其質(zhì)密度小，在同等體積的情況下，以較小的用量便能滿足需大量普通碳素鋼才能發(fā)揮的作用；又因其良好的焊接性和成形性，為高端制造業(yè)提供了新的結(jié)構(gòu)材料，因而被廣泛應(yīng)用于新時代航空工業(yè)制造的各個領(lǐng)域[2-4]。

20世紀中葉，航空工業(yè)技術(shù)取得了長足進步，并對飛行器的質(zhì)量與速度提出了更加嚴格的要求，不僅需要先進的飛行器設(shè)計理念，還需要使用更高等級力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料和與之匹配的加工制造技術(shù)，這催生了航空高強鋼的研究與使用。航空高強鋼由于其具有較高的比強度、耐磨性、承受彎曲和沖擊載荷的能力，因而被廣泛的應(yīng)用在發(fā)動機架、中央翼板、起落架和平尾大軸等重要工程結(jié)構(gòu)件當(dāng)中。20世紀40年代中期美國在AISI4130和4340鋼的基礎(chǔ)上，優(yōu)化熱處理制度，使鋼的抗拉強度提高到1 600 MPa以上。20世紀50年代以后，鋼的強度和韌性不斷的得到提高與改善，相繼研制成功300M，D6AC和H-11等超高強度鋼[5]。1960年美國國際鎳公司研制出馬氏體時效鋼，研發(fā)出18Ni馬氏體時效系列鋼中，其斷裂韌性達到極高的水平。20世紀90年代以來，在原有AF1410鋼的基礎(chǔ)上，美國研制成功AerMet100，其抗拉強度高達1 965 MPa，斷裂韌性達到120 MN·m，抗應(yīng)力腐蝕性能好，用于制造飛機結(jié)構(gòu)部件，將大大提高飛行安全可靠性，延長飛機使用壽命。由于鋼材是國家工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，國內(nèi)自20世紀50年代就已自主研發(fā)航空高強度鋼。先后研制成功35Si2Mn2MoVA, 40CrMnSiMoVA和33Si2MnCrMoVREA等低合金超高強度鋼，主要用于制造飛機起落架和固體火箭發(fā)動機殼體等重要部件。1980年以后隨著技術(shù)的不斷革新，研究者們先后研發(fā)出40CrNi2Si2MoVA,45CrNiMo1VA等鋼種。

新型航空器的研制與生產(chǎn)使高強鋼大尺寸整體性構(gòu)件在航空工業(yè)制造種的應(yīng)用越來越廣泛，受實際工業(yè)生產(chǎn)尺寸的限制，先進的焊接技術(shù)獲得廣泛關(guān)注。高強鋼焊接工程構(gòu)件作為航空器主要零部件之一，其設(shè)計與制造也得到了前所未有的發(fā)展機遇[6]。高強鋼焊接結(jié)構(gòu)的接頭強度可以接近甚至超過母材水平，因此高強鋼焊接結(jié)構(gòu)件在航空工業(yè)制造過程中被大量的使用。

對于航空高強鋼，采用傳統(tǒng)的焊條電弧焊、TIG焊、MAG焊等焊接方法時，需要采用較高且低于馬氏體轉(zhuǎn)變終止點的預(yù)熱溫度，嚴格控制層間溫度，不僅工藝較為繁瑣且成形質(zhì)量穩(wěn)定性差、變形嚴重，容易出現(xiàn)咬邊、氣孔和未焊透等缺陷，嚴重影響使用精度[7-9]。電子束焊接具有極高的能量密度、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小，電子束焊接所需的真空環(huán)境有效的保護接頭免受環(huán)境氣氛干擾，因此接頭性能良好，且焊接過程屬于對被焊金屬的重熔，航空高強鋼電子束焊接后試樣不會增重，在航空工業(yè)上有著很大的優(yōu)勢[10-14]。文中主要討論航空高強鋼電子束焊接的焊縫成形規(guī)律、組織轉(zhuǎn)變、力學(xué)性能及組織與性能調(diào)控相關(guān)性的研究進展，并對高強鋼電子束焊接工藝的發(fā)展進行展望。

1 高強鋼電子束焊接成形的特點

1.1 熔池運動行為

高速的電子束流與被焊金屬接觸時會形成匙孔，匙孔的形成是一個復(fù)雜的高溫流體動力學(xué)過程[15-19]。當(dāng)電子束焊接試樣時，被焊金屬受到4個力的綜合作用，如圖1所示[20]。電子束流壓力、被焊工件金屬蒸氣的反作用力、熔化金屬表面張力及凹陷底部的流體靜壓力，當(dāng)電子束流壓力+金屬蒸氣反作用力>熔化金屬表面張力+凹陷底部流體靜壓力時，金屬蒸氣將下層熔化材料擠到兩邊，形成一個供電子束流通行的通道，露出未受影響的新表面，電子束能量被通道壁面吸收，其余經(jīng)過鏡面反射和漫反射后，被多次吸收和反射，只有很少部分溢出，最終在工件上鉆出一個“小孔”，隨著電子束和工件的相對運動，新熔融金屬流向前段鉆出的“小孔”將其填滿，最后冷卻凝固成焊縫。電子束焊的熔融機理決定了它的能量轉(zhuǎn)化率特別高，因而能夠完成大厚板高強鋼的焊接，焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小，相比于傳統(tǒng)的熔焊具備獨特的優(yōu)勢[21-25]。

圖1 匙孔金屬受力分析

1.2 焊縫成形特征參數(shù)

焊縫成形受匙孔作用的影響，而焊接工藝參數(shù)如加速電壓、聚焦電流、焊接束流、焊接速度等則直接或間接影響著匙孔的大小、形狀，進而對焊縫成形產(chǎn)生影響。電子束焊接工藝參數(shù)之間并不是獨立作用的，彼此之間還存在交互作用，單獨或共同影響著焊縫的幾何形狀[26-29]。為探討各參數(shù)對焊縫成形的影響及影響程度，謝永輝對30CrMnSiNi2A鋼進行了3因素、3水平的正交試驗(加速電壓和聚焦電流處于關(guān)聯(lián)狀態(tài)從而確保焦點位置)，對所獲的試驗數(shù)據(jù)進行處理得到其方差，通過比較發(fā)現(xiàn)：對熔深影響最大的因素為加速電壓和聚焦電流，熔寬受焊接速度影響最大，焊縫深寬比受焊接束流影響最大。在保證熔深為點透條件下，采用較大熔寬有利于獲得優(yōu)異的焊接接頭。在其他焊接工藝參數(shù)不變時，添加掃描波可以調(diào)節(jié)高溫的運動定位在匙孔壁上，并有助于更好的保持匙孔后面的熔池動態(tài)均勻性，電子束高頻掃描能夠使得匙孔在一定程度上穩(wěn)定減少氣孔、咬邊和飛濺[30]。在焊接工藝參數(shù)合適的情況下，高強鋼焊接也可達到焊縫邊界兩側(cè)接近于平行的效果，但難以實現(xiàn)單次焊雙面成形，通過考慮焊接方向和橫向的能量均勻度來選擇掃描參數(shù)，能很好的解決焊縫雙面同時成形，但相對應(yīng)的為了保證焊縫深寬比，需要增大焊接電流，提高熱輸入。Bandi等人[31]在不同的焊接條件下，如束流振動、無束振動和以不同的焊接速度，制備了多組焊接接頭。使用X射線計算機掃描技術(shù)對焊縫中的孔隙進行了三維可視化處理。結(jié)果表明，焊接速度的增加使得內(nèi)部孔隙大大增加，顯著的影響著焊縫成形，而采用振動束流制備的試樣接頭得到很好的混合和散熱，接頭的咬邊深度顯著降低。與TIG，MIG和等離子焊接相比，電子束焊接變形程度有所降低，因此對于許多實際應(yīng)用，可以省去焊后精加工[32]。

1.3 焊縫成形缺陷控制

對航空高強鋼電子束焊接接頭而言，焊縫中生成的氣孔與裂紋極大程度的影響著接頭的力學(xué)性能。Luo等人[33]為了探究真空電子束深焊熔池中的氣泡流動及流動特性，在保持質(zhì)量和動量不變的基礎(chǔ)上，通過將熔池中的氣相和液相隔離，建立了真空電子束焊接熔池中氣泡流動的二維分流模型。模擬了電子束焊接時焊縫中的氣體分布和氣泡流動現(xiàn)象，分析了孔洞缺陷的形成和分布。結(jié)果表明，完全滲透的焊縫中氣體逸出的可能性比未滲透的焊縫大得多，出現(xiàn)孔洞缺陷的可能性在一定程度上要低于未滲透焊縫。典型空腔缺陷的形成與真空電子束焊深熔焊池中氣泡流的流動方式和流動特性密切相關(guān)：較高的液體流速更有利于氣體在熔融金屬中逸出，因此焊縫中的最終孔隙率較低。一般來說，航空高強鋼碳當(dāng)量較高，淬硬傾向也相對較大，焊接接頭冷裂紋敏感性較強[34]，在焊接時容易形成焊接裂紋，如圖2所示[35]。焊接裂紋的存在極大程度的破壞焊接接頭的力學(xué)性能，因此對裂紋的調(diào)控對于航空高強鋼電子束焊接的發(fā)展具有十分重大的意義。Lee等人[35]在對航空高強鋼焊接試樣進行U形熱裂紋測試時，采用高能束流照射試樣(多束焊接)能有效防止凝固裂紋。

圖2 電子束焊接過程中裂紋的生成

為了解釋多束焊接對凝固裂紋的抑制作用，分別使用有限元模擬和冶金分析模型計算了熱應(yīng)變和高溫延性曲線。高溫延展性曲線在焊接條件之間沒有任何變化，因為對于所有考慮的3種焊接方案，熔池的熱循環(huán)都沒有改變。熱應(yīng)變曲線與高溫延性曲線相交，對應(yīng)于裂紋的發(fā)生。然而在多束焊接中，試樣膨脹率減小使得施加在焊道上的應(yīng)力降低，熱應(yīng)變的相對降低有效的抑制了裂紋的生成。從控制凝固裂紋的角度來看，較慢的焊接速度可以增加熱輸入，改變焊縫成形系數(shù)，有效的抑制凝固裂紋的產(chǎn)生。此外，學(xué)者發(fā)現(xiàn)對于航空高強鋼電子束焊接而言，焊前進行預(yù)熱是防止冷裂紋的有效措施，同時發(fā)現(xiàn)增加的碳含量可減少微裂紋的程度、增加Mn含量與過量的S結(jié)合可成功防止凝固裂紋的產(chǎn)生[36-37]。

國內(nèi)外學(xué)者在高強鋼電子束焊接匙孔形成原理、熔池運動行為、金屬蒸氣流體力學(xué)、焊縫成形及缺陷控制方面已取得了一些可喜的成就，對于電子束焊接機理有了更加深刻的認識。建立的理論模型以唯象模型居多，更多的是對現(xiàn)象的闡述及歸納，對于電子束和匙孔內(nèi)部各物質(zhì)相互作用的關(guān)系尚不明確，此外關(guān)于電子束焊接過程中熔融金屬本身便可作為熱源，熔融金屬移動過程中的熱輻射以及沿著匙孔的熱傳導(dǎo)仍需要深入研究。

2 焊接接頭微觀組織的演變

高強鋼電子束焊接接頭組織受焊接工藝參數(shù)、母材成分及熱處理制度的影響[38-41]，焊接接頭由焊縫區(qū)和熱影響區(qū)組成。焊接作為一種局部快速升溫、快速冷卻的加工工藝，焊縫區(qū)溫度梯度大，熔池快速冷卻后得到典型的柱狀晶組織，呈現(xiàn)聯(lián)生結(jié)晶特征。這是由于電子束能量密度極大，焊縫金屬被瞬間熔化而焊縫周邊的金屬尚未升溫，溫度梯度大，母材金屬起熔池膜壁作用，大量非均勻形核。隨后焊縫周邊母材升溫，溫度梯度變小，不能獨立形核，此時組織行為以生長主。由于晶體生長總是趨向于散熱更快的方向，因此靠近中心線為具備明顯方向性的柱狀晶，兩側(cè)柱狀晶在中心線迂回。焊接熱影響區(qū)根據(jù)晶粒大小可分為粗晶區(qū)和細晶區(qū)；依據(jù)焊接熱循環(huán)的峰值溫度，從焊縫到母材方向，可細分為焊縫中心區(qū)、過熱區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)及不完全重結(jié)晶區(qū)或者退火區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)，各區(qū)組織與性能之間存在較大的差異[42-45]，如圖3所示[14]。

圖3 接頭各區(qū)顯微組織

航空高強鋼電子束焊接接頭顯微組織主要受焊接工藝參數(shù)的影響，焊接工藝參數(shù)直接影響著熱輸入和冷卻速度從而影響焊接熱循環(huán)。一般而言熱輸入越大，奧氏體不僅晶粒更加粗大而且穩(wěn)定性得以提高，隨后經(jīng)由不同的冷卻制度形成不同的組織[46]。熱輸入足夠大時，在焊縫中心區(qū)域奧氏體化過程中碳化物溶解，此時奧氏體尺寸變大并形成高碳奧氏體，這部分高碳奧氏體在隨后的冷卻過程中，極易形成M-A組元，分布在基體上損害焊縫的塑韌性；且由于熱輸入較大，冷卻時間較長，在冷卻過程中基體組織容易生成上貝氏體和沿著晶界生長的側(cè)板條鐵素體，韌性下降。熱影響區(qū)相對于焊縫中心區(qū)域，受到的熱輸入較小、冷卻速度較快，因而組織與焊縫中心有較大差異。

Leivisk?等人[47]利用模擬機對960 MPa級高強度鋼焊接性能進行了模擬研究，用膨脹法測定相變溫度，對模擬熱影響區(qū)的微觀組織進行了觀察，結(jié)果表明在高熱輸入下焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)粗貝氏體組織，使得沖擊韌性顯著降低,且隨著冷卻時間的增加，沖擊韌性和硬度降低最顯著的是粗晶區(qū)，各項試驗均在該區(qū)域發(fā)生破壞。經(jīng)TEM觀測到由于電子束特性，熱影響區(qū)高溫停留時間短，碳化物來不及在所有區(qū)域完成形核到析出的全過程，僅在晶界上有少量塑性不佳的碳化物析出，在遭受沖擊應(yīng)力時常常造成沿晶斷裂，極大惡化組織性能。在焊透的前提下，熱輸入盡可能低有利于獲得高強度和良好的沖擊韌性。張強[48]對HG785D調(diào)質(zhì)高強鋼進行電子束焊接，驗證焊接熱循環(huán)對所得組織的影響。焊接時由于各點距離熱源的距離不一造成所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，所獲得的組織也不同。利用OM，SEM，EBSD對接頭進行觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫為粗大的板條馬氏體和少量的針狀馬氏體，熱影響區(qū)組織為板條馬氏體，其間夾雜部分回火索氏體，母材區(qū)為索氏體，粗大的板條馬氏體組織是產(chǎn)生沿晶斷裂的重要誘因，因此對接頭組織的研究與處理主要集中在熱影響區(qū)。為了揭示晶粒間的位向關(guān)系，經(jīng)EBSD分析可知由于電子束的高能量輻射，導(dǎo)致焊縫區(qū)域的晶粒，焊縫與熱影響區(qū)交界處的晶粒，熱影響區(qū)的晶粒尺寸逐漸減小。且焊縫大角度晶界遠高于熱影響區(qū)，焊縫處馬氏體組織具有高密度的大角度晶界，是對組織轉(zhuǎn)變影響晶界角度的有力佐證。

航空高強鋼電子束焊接接頭顯微組織不僅受焊接工藝參數(shù)的影響，被焊工件的合金組成也影響著顯微組織的轉(zhuǎn)變[49-52]。Si，Cr，Mo為鐵素體穩(wěn)定元素；Si在低溫快速冷卻條件下對珠光體存在抑制作用，Si含量增加鐵素體變得更加細長，容易形成大量側(cè)板條和針狀鐵素體。Cr不僅為鐵素體穩(wěn)定元素，還能促進強碳化物的形成，抑制塊狀鐵素體的析出，而易于析出性能更加優(yōu)越的棒狀、針狀鐵素體。Mo顯著阻礙珠光體相變，而得到性能更加優(yōu)越的下貝氏體組織，Mo，Ni能提高鋼的淬透性和淬硬性，在快速冷卻條件下生成細小強碳化物彌散分布的中溫轉(zhuǎn)變組織。Mn元素在慢速冷卻時主要影響鐵素體的形貌，而在快速冷卻條件下主要影響珠光體的形成，含Mn量增加層狀和片狀珠光體都不再形成，只形成極少的細小珠光體團[53-54]。在鋼中加入V，Ti，Nb等元素能有效阻礙奧氏體晶粒的長大，從而細化晶粒，但根據(jù)碳當(dāng)量公式，合金元素的添加使得高強鋼碳當(dāng)量增大，對鋼材造成不同程度的影響。接頭組織冷裂紋敏感性增大，在焊接接頭熱影響區(qū)出現(xiàn)脆性相或者軟化相[55]。奧氏體化過程中過多的碳熔入奧氏體中使得奧氏體中富碳，在中等冷速下容易形成M-A組元，M-A組元增碳后傾向于生成孿晶馬氏體，由于M-A組元與周圍組織在硬度上的差異，在沖擊應(yīng)力的作用下容易造成形變不相容，基體組織的變形無法通過M-A組元的形變來釋放，使得M-A組元應(yīng)力集中成為潛在的裂紋源，極大的影響高強鋼熱影響區(qū)的韌性，如圖4所示[56]。在高強鋼電子束焊接時，希望熱影響區(qū)得到針狀鐵素體，下貝氏體、粒狀貝氏體+針狀馬氏體等組織，當(dāng)焊縫和熱影響區(qū)中存在高比例的針狀鐵素體，具有高密度的大角度晶界，組織中高密度的位錯及細小的亞結(jié)構(gòu)，使得裂紋穿過針狀鐵素體時裂紋端部的應(yīng)力集中被針狀鐵素體通過形變而衰減，裂紋呈現(xiàn)波浪形，滿足強度的同時具備良好的塑韌性，以獲得優(yōu)異的力學(xué)性能[57-59]。而塊狀鐵素體與周圍基體的變形不協(xié)調(diào)，易在界面處萌生裂紋。

圖4 不同熱處理下焊接接頭中的M/A組元

目前，在研究高強鋼電子束焊接組織轉(zhuǎn)變方面主要研究手段有實焊類、熱模擬類、計算機模型分析類。熱模擬試驗基于大量的試驗數(shù)據(jù)指導(dǎo)，效率高操作靈活；計算機模型分析類優(yōu)勢在于精細化可視化高強鋼電子束焊接各區(qū)域的組織轉(zhuǎn)變，但與實焊類相比，無法顧及到焊接過程中的各種偶然因素的影響。因此合理選擇研究手段對于研究結(jié)果的合理性、真實性、可信性至關(guān)重要。海內(nèi)外學(xué)者對于高強鋼電子束焊接方面積累了大量的經(jīng)驗，對于焊接接頭區(qū)域化學(xué)成分不均勻性、脆性層、過渡層等情況進行了深入的研究，目前研究的重心與趨勢在于：高拘束應(yīng)力下高強鋼電子束厚板焊接、接頭區(qū)域組織的精準調(diào)控，以期獲得均勻化的超細晶組織方面。

3 接頭性能的評估與調(diào)控

材料的組織決定著材料的性能，高強鋼因其屈服強度高、碳含量低和良好的焊接性而被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。然而在焊接過程中，焊接接頭尤其是熱影響區(qū)的微觀組織容易受影響，例如焊接軟化、殘余應(yīng)力大和晶粒粗化等，從而惡化金屬的力學(xué)性能。

焊接軟化通常表現(xiàn)為強度和硬度的大幅度下降[60]，因此探究焊接熱影響區(qū)軟化的原因及預(yù)防措施具有十分重大的意義。Saha等人[61]發(fā)現(xiàn)激光焊接雙相鋼(DP鋼)，熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。為減輕由于焊接接頭熱影響區(qū)軟化而導(dǎo)致的延展性降低，采用焊后回火的方式成功改善了DP980的組織。結(jié)果表明：由鐵素體、馬氏體和塊狀殘余奧氏體組成的DP鋼接頭韌性得以增強，可以與未焊接的母材相媲美。通過研究焊縫的拉伸變形行為、接頭區(qū)域出現(xiàn)的加工硬化現(xiàn)象及顯微組織演變，可知強化機制與殘余奧氏體的存在有關(guān)，未回火的殘余奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化的馬氏體，以維持高的接頭強度和延展性。

Mohandas等人[62]通過選用不同的焊接工藝參數(shù)焊接3種不同化學(xué)成分的航空高強鋼，研究鋼的化學(xué)性質(zhì)和焊接工藝參數(shù)對熱影響區(qū)軟化的影響。研究觀察到，具有高碳當(dāng)量的鋼表現(xiàn)出最大程度的軟化，如圖5所示[62]。碳當(dāng)量低，馬氏體、貝氏體轉(zhuǎn)變溫度高，無馬氏體和全馬氏體的臨界冷卻時間最短的鋼在低熱輸入焊接(SMAW)中表現(xiàn)出最少的軟化，而全馬氏體的臨界冷卻時間較長的鋼在高熱輸入焊接(GMAW)中表現(xiàn)出更大的抗軟化性。研究還發(fā)現(xiàn)，奧氏體區(qū)域的焊后熱處理消除了軟化區(qū)域。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)高熱輸入加速了熱影響區(qū)的軟化趨勢，但外部冷卻例如銅背襯、夾層和氬氣吹掃，對于減緩軟化趨勢存在一定作用。

圖5 焊接熱影響區(qū)的軟化

Zhang等人[63]通過對照試驗，比較低合金航空高強鋼電子束焊接不含緩沖層與有各種厚度緩沖層的焊接殘余應(yīng)力、維氏硬度和顯微組織。研究發(fā)現(xiàn)在母材和焊縫金屬之間加入厚度適中的軟緩沖層，可以有效地減小拉伸殘余應(yīng)力區(qū)和焊接軟化區(qū)的寬度，從而改變殘余應(yīng)力(在y方向)在焊縫根部具有從拉伸到壓縮的特性，并細化了焊接的高強度低合金鋼晶粒。研究表明拉伸殘余應(yīng)力與焊接軟化呈正相關(guān)，拉伸殘余應(yīng)力(x方向)區(qū)域的寬度約等于焊接軟化區(qū)域的寬度。

評價焊接接頭質(zhì)量的另一個重要指標(biāo)為接頭疲勞強度，接頭的疲勞強度直接關(guān)系著接頭的使用壽命，對于航空航天器而言，焊接件的疲勞強度顯得尤為重要。Cui等人[64]研究了在不同應(yīng)變幅度下電子束焊接的低活化馬氏體高強鋼接頭的低周疲勞行為。試驗結(jié)果表明，焊接接頭的低周疲勞壽命低于母材的低周疲勞壽命。母材金屬和焊接接頭均表現(xiàn)出連續(xù)的循環(huán)軟化。但與母材相比，焊接接頭的循環(huán)峰值應(yīng)力更低。焊接接頭在應(yīng)變幅度為0.3%時在焊接區(qū)中失效，而母材則分別在應(yīng)變幅度為0.5%，0.7%和1.0%時失效。表面的焊接夾雜物或缺陷可能成為疲勞裂紋的根源，并且疲勞裂紋在焊接金屬和熱影響區(qū)中傳播，具有穿晶斷裂模式。此外，焊接接頭的幾何形狀也嚴重影響著接頭的疲勞強度。為了改善焊縫的疲勞強度，可以采用焊接補強解決方案(TIG重熔，橫向振蕩焊接和噴丸硬化)[65]，補強后的焊接接頭可達更高的疲勞壽命。

對航空高強鋼電子束焊接接頭而言，一般采用熱處理手段對其組織和性能進行調(diào)控，焊接熱處理可分為焊前熱處理和焊后熱處理，而根據(jù)熱處理的區(qū)域還可分為整體熱處理和局部熱處理。焊前預(yù)熱一般用于減慢焊后冷卻速度，延長焊縫金屬在高溫或中溫的停留時間，使得氫在熔池及母材中更好的擴散溢出，降低氫脆風(fēng)險和焊縫區(qū)域過渡淬硬的趨勢，提高接頭的塑韌性[66]。焊前預(yù)熱還可降低被焊區(qū)域的溫度梯度，即降低焊接應(yīng)力避免焊接裂紋產(chǎn)生[67]。通過插銷試驗驗證不同預(yù)熱溫度下熔合區(qū)的臨界斷裂應(yīng)力，觀察到隨著預(yù)熱溫度的升高，熔合區(qū)冷卻速度降低，該區(qū)域內(nèi)下貝氏體含量提高，臨界斷裂應(yīng)力增大[68]。由于氫主要聚集在熔合區(qū)有缺口效應(yīng)的部位，因而一般的晶體缺陷如位錯、晶界、相界都可以作為捕獲氫的陷阱[69]，預(yù)熱溫度升高使得下貝氏體含量提高，下貝氏體將奧氏體分割開來，使隨后轉(zhuǎn)化的馬氏體細化增加了相界面即氫陷阱。而只有當(dāng)氫陷阱中的氫濃度到達一定值，才能引起開裂，因而氫陷阱的增多相當(dāng)于降低了氫的擴散系數(shù)降低冷裂紋敏感性，增大臨界斷裂應(yīng)力。Zhang等人[70]利用SYSWELD軟件，選用圓錐高斯熱源與矩形均勻平面熱源模型對薄壁板件的電子束焊接進行有限元模擬，實焊與仿真結(jié)果均表明，在焊縫兩側(cè)同時進行多束預(yù)熱溫度分布更為均勻，可有效減小焊接區(qū)的壓應(yīng)力，大幅度的減少薄壁鋼板件的屈曲變形，焊前預(yù)熱還可產(chǎn)生3%～7%的強度提高[71]。

焊后熱處理主要是為了消除接頭中的氫、消除焊接應(yīng)力、改善接頭組織及其力學(xué)性能[72]。Zhu等人[73]對航空超高強鋼AF1410鋼經(jīng)熱處理后的組織演變進行了研究，結(jié)果表明經(jīng)高溫回火后，晶?；咀兊镁鶆?。板條狀馬氏體組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和碳化物，析出物主要包括富鉻的針狀M2C和方形M23C6，在板條邊界形成薄膜狀逆轉(zhuǎn)變奧氏體，這些納米級合金碳化物及薄膜能夠有效提高材料的強韌性。He等人[74]對300M鋼電子束焊接焊后退火獲得的焊接接頭進行了熱處理(油淬870 ℃×1 h，回火315 ℃×2 h)并與退火態(tài)進行了比較，利用OM，SEM，XRD分析了試樣的顯微組織、斷裂形態(tài)和相組成。研究表明退火態(tài)母材為球狀珠光體，焊縫組織為下貝氏體、殘余奧氏體和先共析鐵素體，熱影響區(qū)為具有未熔顆粒的索氏體。熱處理后顯微組織為回火馬氏體，抗拉強度達到母材的97%，滿足使用要求。硬度測試顯示經(jīng)熱處理后各區(qū)域硬度基本一致，是組織均勻性在力學(xué)性能上的宏觀表征，如圖6所示[74]。對熱處理后的拉伸斷口進行觀測，結(jié)果顯示為準解理斷裂，端口凹坑底部存在許多硬度較高但塑性較差的ε碳化物，作為萌生裂紋的裂紋源。在高強鋼焊接及熱處理尤其是回火過程中析出的碳化物對接頭性能的影響并不是單一的[75]，高硬度的碳化物細小彌散在高塑性相中往往能對材質(zhì)起到強化作用，但硬脆的碳化物本身在外界應(yīng)力作用下與周圍基體不協(xié)調(diào)變形,容易使其應(yīng)力集中，成為裂紋策源地破壞焊接接頭力學(xué)性能。焊接過后冷卻速度不均及、冷卻過程中材料發(fā)生相變導(dǎo)致殘余應(yīng)力產(chǎn)生，焊接熱處理是消除殘余應(yīng)力的最便捷方法。為確定諸如溫度和保溫時間等焊后熱處理參數(shù)對應(yīng)力松弛的影響，以優(yōu)化工藝，通過對鐵素體-馬氏體相變高強鋼電子束焊接過程和焊后熱處理進行有限元模擬，利用DFLUX子程序?qū)嵩葱螤钸M行分析，結(jié)合彈粘塑性模型模擬變形及蠕變應(yīng)變引起的應(yīng)力松弛，分析結(jié)果表明，熱處理冷卻過程降低了焊接接頭殘余應(yīng)力。在低于Ac1的溫度條件下保溫，越靠近Ac1線應(yīng)力松弛越明顯，但一般保溫時間不超過2 h[76]。

圖6 焊后熱處理對顯微硬度的影響

對于被納米微粒增強的超高強鋼焊接接頭而言，焊后熱處理對其組織和力學(xué)性能產(chǎn)生深刻的影響。在焊接過程中熔解了先前存在的納米粒子并導(dǎo)致熔合區(qū)晶粒粗化，成為類似于過飽和固溶體的固溶淬火組織，焊接過程使得沉淀強化效應(yīng)完全喪失并導(dǎo)致晶粒尺寸強化的降低，兩者都使鋼極大程度的軟化，隨后進行的焊后熱處理工藝使得納米顆粒的結(jié)晶再沉淀，優(yōu)化焊接區(qū)域的力學(xué)性能。Jiao等人[77]采用原子探針層析成像(APT)和力學(xué)性能相結(jié)合的方式，研究了焊后熱處理溫度對NiAl和Cu納米粒子硬化的超高強鋼的納米級析出和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，550 ℃的焊后熱處理會導(dǎo)致高密度和超細尺寸的NiAl和Cu共沉淀物的細晶再沉淀，強度極大程度恢復(fù)到近焊前狀態(tài)，但伴隨著晶界遭受破壞延展性大幅度下降。600 ℃的焊后熱處理使得晶界偏析程度減緩，加之少量還原奧氏體的生成使得塑韌性能大幅度恢復(fù)，但由于粗大顆粒的析出再沉淀，強度恢復(fù)程度不如550 ℃時的狀態(tài)。APT揭示了Mn和P的晶界偏析是造成脆化的主要原因，而600 ℃回火導(dǎo)致的塑性大幅度恢復(fù)主要歸因與晶界偏析的減少和奧氏體的回復(fù)。一般電子束焊接接頭都是在真空或爐中整體進行熱處理，而對于一些大型構(gòu)件受制于加工條件，局部熱處理成為一種選擇[78]。Chen等人[79]對30CrMnSiNi2A航空高強鋼電子束焊接接頭焊態(tài)、整體熱處理和局部熱處理下的力學(xué)性能和斷裂韌性進行試驗。在經(jīng)局部熱處理后焊縫區(qū)域主要組織由粗針狀馬氏體轉(zhuǎn)變成板條狀馬氏體，熱影響區(qū)由板條狀馬氏體、貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織。組織的轉(zhuǎn)變直接影響著力學(xué)性能，與焊態(tài)相比，經(jīng)熱處理后焊接接頭強度均出現(xiàn)較大幅度的降低，而塑性都有所提高。與整體熱處理相比，局部熱處理強度更高但塑性較低，電子束局部熱處理在一定程度上能夠優(yōu)化焊接接頭的性能，但要達到整體熱處理的效果仍需進一步探索更加合理與先進的工藝。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對于航空高強鋼電子束焊接熱處理的研究，主要集中在消除應(yīng)力集中、避免冷裂紋的產(chǎn)生及組織均勻化等方向。通過焊前預(yù)熱、焊后熱處理等方式直接或間接降低氫含量，追求碳化物均勻分布的組織，在犧牲一部分硬度的情況下大幅提高塑韌性，使得屈服強度利用率增大，獲得具有較高強韌性的焊接接頭。適應(yīng)性強，能量消耗低的局部熱處理在現(xiàn)階段雖已取得一定的成果，但仍處于進一步的研究與探索階段。

4 高強鋼電子束焊接趨勢

為順應(yīng)工業(yè)化發(fā)展趨勢的轉(zhuǎn)變，國家提出了大力發(fā)展先進制造業(yè)的要求，國內(nèi)工業(yè)未來幾十年發(fā)展的重心將放在高檔數(shù)控機床和機器人、航空航天裝備、高技術(shù)船舶和先進軌道交通裝備上，高強鋼作為被上述領(lǐng)域大量使用的基礎(chǔ)材料，其本身性能及加工工藝必須相應(yīng)的升級。

高強鋼電子束焊接使得鋼材的高強度和電子束焊接的優(yōu)勢得以結(jié)合，受到廣泛的重視，新的工業(yè)生產(chǎn)背景下，高強鋼電子束焊接也有了新的研究思路。在焊接手段方面，電子束-真空釬料復(fù)合焊、電子束-激光增材制造復(fù)合連接等先進技術(shù)，將成為關(guān)鍵工況下連接航空高強鋼的選擇。

對航空高強鋼電子束焊接接頭而言，焊縫中合金元素的添加和優(yōu)化是未來工作的重中之重，直接影響著接頭的各項性能。與之相配套的測試與評估方法在未來也需進一步升級：殘余應(yīng)力分布的預(yù)測和測量，檢測和評估焊接缺陷，評估焊接接頭的適用性，焊接過程中材料的微觀組織轉(zhuǎn)變行為，材料對腐蝕和氫脆的敏感性。在優(yōu)化焊接工藝的前提下，準確分析冷卻速率對接頭性能的影響，航空高強鋼電子束焊接過程中的原位表征、原位腐蝕特性，以及預(yù)測接頭的壽命將成為未來研究的重點。分析焊縫區(qū)域、熔合區(qū)、熱影響區(qū)的織構(gòu)行為，研究晶粒取向?qū)宇^腐蝕行為的影響，探究殘余應(yīng)力與斷裂行為的內(nèi)在聯(lián)系，對研究人員來說也是一個巨大的挑戰(zhàn)。

目前國內(nèi)外學(xué)者對于高強鋼電子束焊接接頭成形的研究主要依靠實焊法和數(shù)值模型法，由于實焊法耗時耗力且成本較高，因而未來的研究重點在于數(shù)值模擬電子束焊接過程。數(shù)值模擬的核心在于選擇合適的熱源模型，目前熱源模型多用雙橢球或圓錐熱源模型，將型腔過于理想化為旋轉(zhuǎn)拋物面，部分學(xué)者使用高斯分布的圓盤在頂面和圓錐熱源沿厚度方向分布的復(fù)合熱源模型得到了更加真實合理的數(shù)據(jù)[80]。因此，以后的研究中類似的更加精確合理的復(fù)合模型將被更加廣泛的被使用。相信隨著技術(shù)的不斷突破，高強鋼電子束焊接的性能將更加優(yōu)異，適用性愈強，越來越滿足先進制造業(yè)的要求，擁有更加廣闊的發(fā)展空間。

5 結(jié)論

(1)國內(nèi)外學(xué)者對高強鋼電子束焊接匙孔運動行為、金屬蒸氣流體力學(xué)及焊縫成形和缺陷調(diào)控技術(shù)進行了大量的試驗研究和數(shù)值模型分析，其核心問題及未來研究的重點在于電子束與熔池中各物質(zhì)的作用機理和熱源模型的選擇。

(2)航空高強鋼電子束焊接接頭顯微組織的研究，主要集中在焊接工藝參數(shù)、合金成分及熱處理制度，以及它們對接頭的織構(gòu)行為、固態(tài)相變及冷卻過程中析出相的影響等方面。研究人員對于焊接接頭區(qū)域化學(xué)成分不均勻性、脆性層、過渡層等情況進行了深入的研究，未來研究將著重于高拘束應(yīng)力下高強鋼電子束厚板焊接、接頭區(qū)域組織的精準調(diào)控，以期獲得均勻化的超細晶組織方面。

(3)對焊接接頭的力學(xué)性能評估與調(diào)控的研究，主要集中在評估并調(diào)控接頭熱影響區(qū)的軟化行為、增強接頭的疲勞強度、提高接頭使用壽命等方面。為了降低氫含量、減少應(yīng)力集中及因此而導(dǎo)致的裂紋和接頭腐蝕、降低冷裂紋敏感性。為追求高強韌性的組織，優(yōu)化焊接接頭的力學(xué)性能，焊接接頭的焊前及焊后熱處理制度成為研究的核心。