先進(jìn)材料與異種材料電子束焊接研究進(jìn)展

張秉剛，王一帆，王厚勤

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

0 序言

近年來高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)π虏牧系膽?yīng)用提出了迫切需求，然而與新材料優(yōu)異的使用性能共生的還有其不同于傳統(tǒng)鋼鐵或有色金屬的焊接性能，加之新材料往往用于異種材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，開發(fā)先進(jìn)材料及異種材料的連接技術(shù)成為推動新材料應(yīng)用的重要因素，這對焊接技術(shù)提出了新的要求[1].

電子束焊接(electron beam welding，EBW)是利用工件被高能電子流撞擊時，由其動能轉(zhuǎn)化而來的熱能使工件材料迅速熔化，從而實現(xiàn)焊接的技術(shù)，具有功率密度大、加工精度高、焊縫深寬比大、焊接變形小、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、重復(fù)性與再現(xiàn)性好、真空環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[2].在高溫合金、難熔金屬、金屬間化合物等先進(jìn)材料焊接與異種材料焊接中得到了高度重視與應(yīng)用.

基于以上，有必要對先進(jìn)材料與異種材料電子束焊接技術(shù)的國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)、全面地了解，以準(zhǔn)確把握電子束焊接技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向，為開展進(jìn)一步的相關(guān)研究工作提供參照與指導(dǎo).

1 先進(jìn)材料電子束焊接

先進(jìn)材料與異種材料的電子束焊接技術(shù)近年來發(fā)展迅速，其高水平論文與相關(guān)專利數(shù)量呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，如圖1 所示.國家知識產(chǎn)權(quán)局在2019 年的調(diào)查顯示，中國近年電子束焊接相關(guān)專利每年申請量達(dá)到50 件以上，電子束焊接技術(shù)正處于快速發(fā)展時期[3].其中，先進(jìn)材料是指具有優(yōu)異或特殊性能、適用于高新技術(shù)的新型工程材料.利用電子束焊接能量密度高、穿透能力強(qiáng)、真空污染小等優(yōu)點(diǎn)，可解決同種先進(jìn)材料焊接中的一些難題，如中厚板及厚板焊接、焊縫冷卻緩慢導(dǎo)致的晶粒粗化與脆性相析出、雜質(zhì)元素污染熔池等.文中整理了近年電子束焊接技術(shù)在高溫鈦合金、高溫合金、難熔金屬、金屬間化合物等先進(jìn)材料連接技術(shù)上的研究應(yīng)用.

圖1 近二十年電子束焊接高水平論文及專利發(fā)表情況Fig.1 High-level papers and patents published on electron beam welding in recent 20 years

1.1 高溫鈦合金

主流高溫鈦合金的服役溫度在600 ℃以下，近年來隨著服役溫度的提高，其焊接難度越來越大.而真空電子束的高能量密度適用于高溫鈦合金間的熔接，其真空環(huán)境可抑制活潑金屬鈦和鋁與大氣中的氫、氮和氧等反應(yīng)污染熔池.

高溫鈦合金以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 近α 型體系為主，其電子束焊接焊縫易生成硬脆不穩(wěn)定的六方α'相成為裂紋擴(kuò)展源，同時析出的脆性Ti3X 相(即α2相)導(dǎo)致接頭塑韌性下降.針對此問題，國內(nèi)外學(xué)者多通過焊后熱處理的方式使α'相轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的α 相與β 相，同時釋放殘余應(yīng)力[4].此外利用多束電子束對高溫鈦合金焊接時施加預(yù)熱與后熱，可有效減少α′相生成[5].

在近β 型與α+β 型高溫鈦合金中，焊縫多由β 柱狀晶組成，導(dǎo)致疲勞裂紋易產(chǎn)生并擴(kuò)展于焊縫區(qū)與熱影響區(qū).國內(nèi)外研究表明，焊后固溶時效處理有助于促進(jìn)α 相片層組織、針狀α'相網(wǎng)籃狀組織形成，這些組織會成為抑制疲勞裂紋擴(kuò)展的屏障[6].

在原理探索方面，國內(nèi)學(xué)者研究了高溫鈦合金電子束焊接接頭超長疲勞壽命的失效機(jī)理[7]、論述了熱影響區(qū)溫度梯度誘導(dǎo)的微觀組織演化過程[8]、建立了微觀組織與焊接接頭腐蝕疲勞行為之間的關(guān)系[9]，國外學(xué)者也對焊接過程中穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)對晶粒形態(tài)的影響[10]做了研究，這些研究為擴(kuò)展高溫鈦合金電子束焊接在工程上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

1.2 高溫合金

高溫合金包括鐵基、鎳基、鈷基三類，其焊接難點(diǎn)在于對焊接裂紋的控制、對接頭強(qiáng)度的維持以及均勻微觀組織的實現(xiàn)，其中又以解決焊接裂紋問題最為重要[11].國內(nèi)外研究人員已就高溫合金的焊接裂紋現(xiàn)象展開廣泛研究，對不同型號高溫合金的焊接裂紋種類及其成因進(jìn)行了深入討論，部分典型研究成果如表1 所示.

表1 高溫合金電子束焊接裂紋的典型研究Table 1 Typical researches on electron beam welding cracks of superalloy

液化裂紋與凝固裂紋是影響高溫合金電子束焊接質(zhì)量的重要因素.高溫合金的高合金化程度使得焊接過程中Ti，Al，Nb 和Mo 等元素偏析嚴(yán)重，低熔點(diǎn)共晶、碳化物、硼化物、金屬間化合物與鎳基高溫合金中的 γ′相是凝固裂紋與液化裂紋產(chǎn)生的主要誘因.

針對上述兩種熱裂紋，通過向焊縫中引入TiC顆粒或低鈦和鋁中間層，掃描焊接、焊前預(yù)熱及焊后熱處理均可一定程度上控制或消除裂紋[18-19].國內(nèi)研究者在對IN738LC 高溫合金進(jìn)行焊接時采用隨焊預(yù)熱與后熱的熱補(bǔ)償電子束，有效減少了接頭中的裂紋長度，如圖2 所示[20].同時發(fā)現(xiàn)，高角度晶界易引發(fā)熱裂紋，而控制熱輸入有利于抑制高角度晶界產(chǎn)生[14].

圖2 電子束焊接熱補(bǔ)償對IN738LC 高溫合金接頭裂紋長度的影響Fig.2 Effect of thermal compensation treatment on crack length of of IN738LC superalloy

對高溫合金電子束焊接接頭的抗疲勞性能[21]、高溫性能[22]、焊縫凝固行為[23]等進(jìn)行研究分析也是該領(lǐng)域近年的熱點(diǎn)方向.

1.3 難熔金屬

難熔金屬主要指鈮、鋯、鉭、鉬、錸、鎢等熔點(diǎn)高于2 000 ℃的金屬，其焊接需要高能量使之熔化、隔絕大氣避免氧化、控制晶粒尺寸以減少裂紋，電子束焊接方法用于難熔金屬焊接具有顯著的優(yōu)勢.在近年的難熔金屬電子束焊接研究中，以鉬、鈮、鎢及其合金的研究較多，而鉭和錸較少.

對于鉬合金的電子束焊接，其主要問題在于：鉬合金多為粉末冶金制備，熔化焊易出現(xiàn)氣孔；再結(jié)晶溫度遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)，較大熱輸入易造成晶粒粗化[24].研究發(fā)現(xiàn)，低熱輸入與高焊接速度可減少氣孔、抑制鉬合金焊縫晶粒長大.采用熱補(bǔ)償電子束同樣可起到減少氣孔的作用，但同時促進(jìn)了O 的偏析，降低了晶界的強(qiáng)度[25].引入合理的中間層可提升晶界結(jié)合強(qiáng)度.Zr 中間層可以晶內(nèi)增強(qiáng)相ZrO2取代晶界脆性相MoO2及TiO2，如圖3 所示[26]；Re中間層以富Re 相在晶界的偏析抑制了O 偏析，同時減少晶界遷移、細(xì)化晶粒[27]；Hf 中間層優(yōu)先與O 反應(yīng)，生成高熔點(diǎn)HfO2顆粒并阻止晶粒粗化[28].

圖3 Zr 中間層對TZM 合金電子束焊縫的晶界強(qiáng)化機(jī)理Fig.3 Grain boundary strengthen mechanism of Zr interlayer on TZM electron beam weld.(a) MoO2 and TiO2 precipitations on grain boundary without interlayer;(b) precipitate of intragranular ZrO2 with interlayer

鈮及其合金的焊接性均較好，在真空保護(hù)下電子束焊接，通?？傻玫綗o缺陷、強(qiáng)度接近基體的焊接接頭，但焊接束流過大也會導(dǎo)致焊縫晶粒過度粗化、強(qiáng)度下降[29].

鎢熔點(diǎn)最高，強(qiáng)度也是難熔合金中最高，但其脆性大且對熱沖擊敏感，電子束焊接鎢時由于凝固速度快而難以形成有效熔池，易得到脆性大、孔隙率高的焊接接頭.在鎢合金中添加Ti 和Re 等元素并以電子束進(jìn)行掃描、低速焊接時，可得到性能較好的焊接接頭[30].

1.4 金屬間化合物

國內(nèi)外對金屬間化合物的電子束焊接研究集中于Ti-Al 系的TiAl，Ti3Al 和Ti2AlNb 三類材料.TiAl 金屬間化合物電子束焊接中，由于較快的冷卻速度使得焊縫主要由脆性α2相組成，導(dǎo)致出現(xiàn)貫穿母材與焊縫的大尺寸裂紋，通過焊前預(yù)熱與焊后后熱的方法來降低焊縫冷卻速度，使焊縫形成γm+γ/α2相，并釋放部分殘余應(yīng)力，有助于消除裂紋，如圖4 所示[31].但該方法會造成偏析與晶粒粗化，故而國內(nèi)學(xué)者進(jìn)一步提出了焊前電子束逐級掃描預(yù)熱、添加隔熱墊板、焊后電子束逐級掃描熱處理的復(fù)合電子束焊接方法，更好地改善了焊接接頭組織與力學(xué)性能[32].通過添加V，Nb 和Mo 中間層，有利于穩(wěn)定β 相，從而減少α2相生成.

圖4 TiAl 金屬間化合物焊縫微觀結(jié)構(gòu)形成過程Fig.4 Microstructure formation process of TiAl

Ti3Al 相較于TiAl，由于Al 元素含量的減少而脆性降低，但整體焊接性相差不大，使用電子束直接焊接會造成宏觀裂紋，焊后熱處理可以明顯改善其焊縫組織與力學(xué)性能[33].高Nb 元素含量的Ti3Al 金屬間化合物焊接性有所改善，但仍需焊前預(yù)熱與焊后散焦電子束往復(fù)加熱，以細(xì)化微觀組織、消除裂紋[34].

Ti2AlNb 金屬間化合物電子束焊接可得到無缺陷的接頭，但焊縫主要由單一有序亞穩(wěn)B2 相組成，與母材組織嚴(yán)重不連續(xù)，殘余應(yīng)力大且不穩(wěn)定，導(dǎo)致力學(xué)性能較差.對Ti2AlNb 電子束焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理可以顯著改善其性能，但在殘余應(yīng)力較高的情況下，熱處理過程中接頭易產(chǎn)生再熱裂紋[35].利用電子束掃描焊前預(yù)熱結(jié)合焊后熱處理，可得到性能優(yōu)異的Ti2AlNb 電子束焊接接頭[36].

1.5 其它先進(jìn)材料

除了前文提到幾類先進(jìn)材料外，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)還使用電子束焊接在新型陶瓷[37]、非晶態(tài)金屬[38]、高熵合金[39]、復(fù)合材料等精密連接方面展開了深入研究.在對上述材料的焊接性及接頭性能進(jìn)行評價的同時，焊接前后熱處理、偏束焊、掃描焊、電子束釬焊、多束電子束焊等工藝也在其中得到了廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了多種先進(jìn)材料的良好連接，擴(kuò)大了電子束焊接在先進(jìn)材料連接領(lǐng)域的應(yīng)用范圍.

2 異種材料電子束焊接

利用電子束焊接的高能量密度與低熱應(yīng)力等特點(diǎn)，克服異種材料之間熱物性及化學(xué)性能差異導(dǎo)致的焊接裂紋與冶金不相容等問題，以實現(xiàn)其連接，是當(dāng)前異種材料焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1].將電子束表面聚焦對縫中心對接焊接視為一般工藝，則異種材料電子束焊接常用工藝還包括以下兩種：①在焊縫中填充不同于母材的另一種或幾種中間過渡材料實現(xiàn)異種材料連接的焊接冶金控制法，主要包括預(yù)置中間層、隨焊填絲熔釬焊、噴涂薄層等方式；② 通過改變焊接能量輸入及束斑軌跡控制接頭兩側(cè)母材熔化量從而焊接異種材料的焊接能量控制法，主要實施方式包括掃描、偏束、調(diào)整占空比、高頻焊接、相鄰補(bǔ)焊等.將近年來異種金屬電子束焊接典型工藝進(jìn)行整理歸納，如表2 所示.

表2 異種金屬電子束焊接典型工藝Table 2 Typical electron beam welding processes for dissimilar metals

2.1 互相固溶的異種金屬

互相固溶的異種金屬之間的電子束焊接較易實現(xiàn)，通常采用一般工藝即可實現(xiàn)連接，但需注意異種材料間由于物理性質(zhì)差異造成的焊接成形缺陷.對此可采用焊后小束流散焦修飾、改變占空比、偏束焊等方法進(jìn)行改善.偏束焊是實現(xiàn)難熔金屬與其它相溶的異種金屬焊接時最常用的方法[40]，適用于Nb/Ti，W/Cu，W/Ta 和W-Ta/Ti 等異種金屬的焊接.

2.2 難以互溶的異種金屬

難以互溶的異種金屬具體又可劃分為：①如鈦/銅、鈦/鋼、鋁/鋼、鎳/鈮、鎳/鈦一類會生成脆性金屬間化合物的異種金屬；② 如銅/鋼一類雖然無金屬間化合物生成，但熱物性相差過大導(dǎo)致難以實現(xiàn)結(jié)合的異種金屬；③鎂/鋼一類完全不互溶的異種金屬.實現(xiàn)難以固溶的異種金屬之間的焊接是當(dāng)前電子束焊接研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向.

2.2.1 生成脆性金屬間化合物的異種金屬

鈦與鋼焊接時易產(chǎn)生TiFe 和TiFe2等脆性金屬間化合物，目前對其焊接以冶金控制為主，國內(nèi)外研究者在鈦與鋼之間分別加入V，Cu，Ag 和Cu/Nb 等中間層材料，均可有效抑制焊縫脆性化合物層的生成.國內(nèi)研究者使用V/Cu-V 復(fù)合中間層對鈦/鋼電子束焊接，獲得了無缺陷焊接接頭，基本消除了焊縫內(nèi)金屬間化合物[41].

鈦/銅間存在多種金屬間化合物，且這些金屬間化合物普遍滑移系少、硬度高、塑性差，嚴(yán)重影響接頭性能.向銅側(cè)偏束可以使銅更好地潤濕鈦合金表面以增強(qiáng)接頭強(qiáng)度，但也會獲得更厚的化合物層使接頭呈現(xiàn)脆性斷裂.針對這一情況，有學(xué)者提出在鈦合金側(cè)進(jìn)行補(bǔ)焊并復(fù)合焊根修飾的方法，如圖5 所示，以重塑微觀結(jié)構(gòu)及釋放應(yīng)力的方式改善接頭性能[42].

圖5 鈦/銅電子束Ti 側(cè)補(bǔ)焊工藝與微觀組織Fig.5 Process and microstructure of Ti/Cu electron beam weld with secondary adjacent welding on Ti side.(a) crosssection schematic diagram of welding process;(b) microstructure of welding joint

鋁/鋼熔焊易出現(xiàn)熔合不良與高殘余應(yīng)力，且會產(chǎn)生大量硬脆的Al-Fe 金屬間化合物，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生.向鋁側(cè)偏束及電子束掃描焊接可減少接頭化合物，接頭斷裂方式轉(zhuǎn)為韌性斷裂[43].其冶金控制法包括采用Ag，Cu，Zn 中間層/涂層或AlSi5 填絲熔釬焊等[44-45].其中Ag 中間層復(fù)合偏束焊在偏束量適中時可完全抑制Al-Fe 金屬間化合物生成.

鎳/鈦電子束焊接由于鎳基高溫合金的應(yīng)用而在近年興起，其主要問題為熔焊時產(chǎn)生TiNi 和Ti2Ni等脆性化合物.利用銅中間層可以Cu-Ni 固溶體取代焊縫中的Ti-Ni 金屬間化合物，提高接頭性能[46].提高焊接速度及引入V 等中間層可抑制Ti-Cu 金屬間化合物，進(jìn)一步改善鎳/鈦電子束焊接接頭性能[47].

鎳/鈮電子束焊接主要問題是由脆性Ni6Nb7相與偏析的Laves 相共同導(dǎo)致的焊接裂紋.偏束焊可減少Nb 的熔化并減少偏析，有效降低了Nb/GH3128合金焊接接頭脆性化合物層厚度，并抑制了Laves相，消除了接頭宏觀裂紋[48].

2.2.2 熱物性相差較大的異種金屬

銅與鋼的電子束焊接雖然不產(chǎn)生脆性金屬間化合物，但其熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)等較大差異會導(dǎo)致大的焊接應(yīng)力和接頭變形，且易導(dǎo)致合金元素偏析.由于其本身冶金相容性較好，國內(nèi)外對銅/鋼電子束焊接的研究均采用焊接能量控制法.

國外研究者使用掃描電子束對銅/鋼進(jìn)行焊接，合適的掃描幅值可改善銅鋼接頭成形[49]、抑制孔隙缺陷[50]、改善焊縫組織均勻程度[51]，進(jìn)而改善接頭性能.國內(nèi)研究者發(fā)現(xiàn)焊接過程中適當(dāng)向銅側(cè)偏移可以得到與銅等強(qiáng)的焊接接頭[52]、以電子束填絲焊接銅/鋼可以解決元素?zé)龘p與接頭下塌問題[53].

2.2.3 完全不互溶的異種金屬

鎂/鋼是典型的的互不相溶金屬材料，對其電子束焊接需要通過焊接冶金控制法來實現(xiàn).研究者利用Al-Zn 涂層實現(xiàn)了鎂/鋼電子束焊接，其中鋅起改善接頭潤濕性的作用，鋁則在界面處形成Al2Fe5等金屬間化合物，避免了鎂/鋼接觸影響接頭成形[54].

3 結(jié)束語

電子束焊接在先進(jìn)材料與異種材料的連接中具有獨(dú)特的優(yōu)越性.針對由材料本身固有屬性或異種材料物化性質(zhì)差異所導(dǎo)致的裂紋與冶金不相容等問題，可采用偏束、掃描、熱補(bǔ)償、焊接前后熱處理、添加過渡材料等方式實現(xiàn)接頭的能量控制與冶金調(diào)控，從而獲得力學(xué)性能良好的焊接接頭.目前，先進(jìn)材料與異種材料電子束焊接研究還主要是集中在焊接成形與缺陷控制、接頭組織和性能優(yōu)化等工藝層面，而對電子束焊接機(jī)理的研究尚有待深入.

今后除了需要繼續(xù)在新材料，特別是新興高溫材料、傳統(tǒng)難以焊接的硬脆材料，以及冶金極度不相容的異種材料的電子束焊接工藝與接頭性能提升方面持續(xù)關(guān)注外，借助焊接過程的監(jiān)測與仿真來獲得電子束形態(tài)、熔池流動過程、電磁場分布及熱場應(yīng)力場變化等信息，深入開展電子束與材料的物理作用機(jī)制、熱電磁耦合作用、電子束深穿機(jī)制與熔池流動行為、焊接傳熱傳質(zhì)過程等深層次科學(xué)問題的研究已成為電子束焊接機(jī)理研究的熱點(diǎn)方向.另一方面電子束焊接方法對設(shè)備的依賴性強(qiáng)，新型電子束焊接設(shè)備及功能的開發(fā)勢必帶來新的電子束焊接工藝技術(shù)革命，進(jìn)一步推動先進(jìn)材料與異種材料電子束焊接技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而形成更加完整的電子束焊接技術(shù)體系.