無(wú)氧銅電子束焊接試驗(yàn)與分析*

0 前 言

無(wú)氧銅作為一種高純度銅材料， 無(wú)氫脆現(xiàn)象，導(dǎo)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(yōu)異， 在大科學(xué)裝置中得到了廣泛應(yīng)用

。 如在高溫超導(dǎo)電流引線中， 室溫終端、翅片換熱器和高溫超導(dǎo)段均為無(wú)氧銅材料

。 無(wú)氧銅可焊性好， 采用常規(guī)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(lǐng)域采用常規(guī)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(qū)及變形小、可精確控制焊接參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于金屬材料的焊接

。 近年來(lái)， 有學(xué)者針對(duì)銅及銅合金與異種金屬的焊接性能進(jìn)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(guān)于無(wú)氧銅電子束焊接的研究較少。

銅焊接主要問(wèn)題是易產(chǎn)生熱裂紋和氣孔

，原因是Bi 和Pb 為銅的主要雜質(zhì)， 它們均不溶于固態(tài)銅， 在焊接時(shí)使銅產(chǎn)生脆化， 最終形成裂紋。 產(chǎn)生氣孔的主要原因是銅在液態(tài)時(shí)會(huì)溶解大量的氫， 氫要外逸， 但銅導(dǎo)熱性強(qiáng)， 熔池凝固快， 氫來(lái)不及逸出， 焊縫中就會(huì)形成氣孔。

企業(yè)的思想意識(shí)落實(shí)在機(jī)制制定上，或者落實(shí)在實(shí)際的工作中，都需要在特定的環(huán)境中才能進(jìn)行，但是，企業(yè)需要首先將自身的管理人員意識(shí)建立完善，讓員工能夠?qū)ζ髽I(yè)的內(nèi)控管理機(jī)制有正確的認(rèn)識(shí)，讓內(nèi)控工作的進(jìn)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(kāi)展順利。另外，還需要將宣傳制度或者企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警觀念建立完善，打造長(zhǎng)期的、適合企業(yè)發(fā)展的內(nèi)控機(jī)制流程，促進(jìn)內(nèi)控管理工作的工作效益和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。這樣才能保證企業(yè)的管理者責(zé)任意識(shí)體現(xiàn)在工作中，積極促進(jìn)企業(yè)的健康發(fā)展。

本研究采用電子束焊接工藝對(duì)30 mm 厚的無(wú)氧銅板材進(jìn)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(duì)力學(xué)特性的影響， 為銅及銅合金的電子束焊接應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

電子束焊接試驗(yàn)系統(tǒng)由主機(jī)、 控制設(shè)備、 電源和真空室系統(tǒng)等組成， 電子槍型號(hào)為G600KM，高壓電源為HCV-150/60KM， PLC 系統(tǒng)為S7-300， CNC 系統(tǒng)為SINUMERIK 840D。 試驗(yàn)所用的基體材料為T(mén)U2 無(wú)氧銅板， 基體材料的加工尺寸為300 mm×150 mm×30 mm。 TU2 無(wú)氧銅板的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1 和表2。

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

論教育科學(xué)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(dá)108 W/cm

。 當(dāng)高能量電子光束撞擊被加工工件時(shí)， 產(chǎn)生的高溫使得兩塊銅板焊縫處發(fā)生局部熔化和蒸發(fā)， 在金屬蒸汽的反沖壓力下液態(tài)銅金屬被沖擊， 形成電子束熔池中的凹陷“小孔”， 小孔的出現(xiàn)會(huì)改變傳熱傳質(zhì)行為

。 為了獲得高質(zhì)量焊接接頭， 在焊接前要對(duì)焊件進(jìn)行清洗以減少切割后的清潔工作量， 再用研磨機(jī)進(jìn)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(yàn)根據(jù)焊件的尺寸選取焊接參數(shù)， 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(jìn)行三組對(duì)比試驗(yàn)來(lái)研究不同電流下焊縫組織的差別。

3.1.1 測(cè)量放樣 基面處理合格后，按設(shè)計(jì)要求測(cè)量確定各填筑區(qū)的交界線，灑石灰線進(jìn)行標(biāo)識(shí)，心墻壩體料與墊層交界線每層上升均要進(jìn)行測(cè)量放線。

在100 mA、 120 mA、 140 mA 電流下無(wú)氧銅焊接接頭的母材、 熱影響區(qū)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(wú)氧銅板中銅含量高達(dá)到99.95%， 母材組織為a-Cu 單相組織， 由于銅的層錯(cuò)能低則位錯(cuò)完全（當(dāng)金屬的層錯(cuò)能很低時(shí)， 完整位錯(cuò)的分解才會(huì)明顯出現(xiàn)）， 導(dǎo)致銅板內(nèi)晶體發(fā)生晶體塑性變形， 形成退火孿晶組織， 晶粒細(xì)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(dǎo)率， 且板材厚度不大， 焊接熱量能迅速穿透整個(gè)板材厚度方向。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 接頭宏觀形貌

三組被加工件都采用對(duì)接形式， 如圖1 所示。 焊接試驗(yàn)在容積為66 m

的真空室中進(jìn)行。 焊接后即對(duì)焊件進(jìn)行退火處理， 退火溫度為600 ℃。

2.工作條件：(1)相關(guān)的論文與著作以及當(dāng)代畫(huà)家畫(huà)作的圖片資料。(2)購(gòu)買(mǎi)一些高清繪畫(huà)圖冊(cè)，以便更好的了解繪畫(huà)技能。(3)咨詢相關(guān)專業(yè)的老師，以及通過(guò)自己導(dǎo)師的指點(diǎn)改進(jìn)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(shí)效熱處理、 再結(jié)晶退火、 高溫均勻化退火、 低溫消除應(yīng)力退火和低溫強(qiáng)化退火。 本研究主要對(duì)焊后板材進(jìn)行時(shí)效熱處理， 該處理主要通過(guò)固溶、 淬火后析出溶質(zhì)原子強(qiáng)化合金， 以達(dá)到改善性能、 穩(wěn)定材料組織和尺寸的目的。 時(shí)效溫度要求較為嚴(yán)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(jìn)行橫向切割，隨后機(jī)械磨拋樣品至鏡面狀態(tài)， 然后使用王水侵蝕

。 最終采用對(duì)比試驗(yàn)來(lái)觀察不同電流對(duì)無(wú)氧銅焊接接頭的影響， 試驗(yàn)結(jié)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(wú)氧銅板焊接接頭的焊縫形貌， 從圖2 可以看出TU2 無(wú)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(dá)到銅板底部， 可見(jiàn)在該條件下電子束沒(méi)有焊透無(wú)氧銅板， 在120 mA 和140 mA電流下焊縫成形良好。 焊后經(jīng)X 射線檢測(cè)，焊縫處沒(méi)有發(fā)現(xiàn)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(wú)氧銅焊接形成的焊縫最大寬度比其他金屬相對(duì)較窄， 原因是電子光束能量密度高， 光束細(xì)， 熱輸入量小， 而且銅的散熱性導(dǎo)熱性很好， 從而影響焊接接頭晶粒的長(zhǎng)大。

在焊接接頭的橫截面中主要以母材、 熱影響區(qū)和焊縫三個(gè)特征區(qū)域組成。 母材、 熱影響區(qū)的晶體組織為等軸晶， 區(qū)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(qū)的晶體組織相對(duì)于母材晶粒嚴(yán)重粗化， 平均晶粒直徑達(dá)到25 μm， 這是因?yàn)榘l(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程， 熱影響區(qū)平均晶粒直徑在該過(guò)程中隨焊接熱輸入增加而增加， 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。 140 mA 電流下， 在焊縫區(qū)可以觀察到明顯的粗大晶粒， 熱影響區(qū)的等軸晶也很粗大； 電流減少到120 mA時(shí)， 焊縫及熱影響區(qū)晶粒尺寸減小， 晶粒數(shù)目增多； 繼續(xù)降低電流至100 mA 時(shí)， 焊縫、 熱影響區(qū)晶粒進(jìn)一步變小， 分布均勻。 雖然在100 mA 時(shí)晶粒最小， 但是在該條件下產(chǎn)生了未焊透現(xiàn)象， 不能滿足實(shí)際生產(chǎn)。 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(duì)比可見(jiàn)， 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(qiáng)明顯。

2.3 硬度

通過(guò)HV-120/維氏硬度計(jì)對(duì)三組焊縫處的硬度試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)。 分別對(duì)焊縫處和母材區(qū)進(jìn)行取點(diǎn)檢測(cè)， 結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3 可知， 第一組和第二組試驗(yàn)在母材區(qū)和焊縫區(qū)硬度差異大， 由于焊接銅板樣品批次不同， 導(dǎo)致焊縫兩邊母材硬度也不同， 經(jīng)過(guò)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(guò)程中， 焊縫處晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微變化， 導(dǎo)致焊縫處硬度降低。 第三組試驗(yàn)?zāi)覆膮^(qū)和焊縫區(qū)硬度基本一致， 因?yàn)閮蓧K母材強(qiáng)度基本一致， 在焊接過(guò)程中熔池內(nèi)外沒(méi)有成分差異， 凝固時(shí)也沒(méi)有相變發(fā)生， 所以焊縫區(qū)和母材區(qū)硬度差別不大。

3 結(jié) 論

（1） 無(wú)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(qū)為等軸晶組織， 熱影響區(qū)的晶體組織相對(duì)于母材晶粒嚴(yán)重粗化， 焊縫區(qū)為柱狀晶和等軸晶組織。

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

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