CuCrZr/Inconel 625 異種材質(zhì)合金管激光焊接工藝與接頭界面組織性能

王徐建，檀財(cái)旺，何平，范成磊，郭迪舟，董海義

(1.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所,北京,100049；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),威海,264209；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001)

0 序言

為進(jìn)一步滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略與基礎(chǔ)科學(xué)研究需求，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所將在北京市懷柔區(qū)建設(shè)一臺(tái)高性能的第四代同步輻射光源—高能同步輻射光源(high energy photon source,HEPS).

HEPS 是《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》優(yōu)先布局的十個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，并已于2017 年底獲得國(guó)家發(fā)展改革委對(duì)HEPS 項(xiàng)目建議書(shū)的批復(fù)，HEPS 正式立項(xiàng)。高能同步輻射光源的設(shè)計(jì)指標(biāo)超過(guò)了目前世界上正在運(yùn)行和建造的同步輻射裝置，HEPS 建成后將成為世界上發(fā)射度最低、亮度最高的同步輻射光源，其設(shè)計(jì)亮度高于目前世界上建成運(yùn)行、建設(shè)中及規(guī)劃中的其他同步輻射光源設(shè)施。HEPS 能提供能量高達(dá)300 keV 的高性能X 射線，具備建設(shè)90 條以上高性能光束線站 的容量。HEPS 能對(duì)微觀結(jié)構(gòu)從靜態(tài)構(gòu)成到動(dòng)態(tài)演化，提供多維度、實(shí)時(shí)、原位的表征，解析物質(zhì)結(jié)構(gòu)生成及其演化的全周期全過(guò)程，從而推動(dòng)材料科學(xué)、化學(xué)工程、能源環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)層面的科學(xué)研究，揭示微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)生成演化的機(jī)制，剖析微觀物質(zhì)構(gòu)成，為物質(zhì)調(diào)控提供基礎(chǔ)。建成后將是世界上亮度最高的同步輻射光源[1-2].

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)建設(shè)目標(biāo)，我們還需要克服一系列的技術(shù)問(wèn)題，HEPS 采用CuCrZr 材料以及Inconel 625作為快校正磁鐵內(nèi)部薄壁真空盒的主要材料，為確?？煨Ｕ盆F內(nèi)部真空盒焊接接口性能的穩(wěn)定性，為保證激光焊接后真空盒的性能，需要對(duì)CuCrZr與Inconel 625 薄壁管件進(jìn)行激光對(duì)接試驗(yàn)[3-16]。通過(guò)焊接試樣的接頭組織性能的對(duì)比分析確定焊接工藝以及焊接參數(shù)對(duì)焊縫性能的影響，以確定最優(yōu)的焊接工藝，為高能同步輻射光源儲(chǔ)存環(huán)快校正磁鐵處真空盒的焊接提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用外徑24 mm，內(nèi)徑22mm 的CuCrZr 以及Inconel 625 圓形合金管件，它們的化學(xué)成分分別為表1 和表2 所示。通過(guò)設(shè)定不同的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行異種材料管件對(duì)焊焊接試驗(yàn).

表1 Inconel 625 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical compositions of Inconel 625

表2 CuCrZr 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 2 Chemical compositions of CuCrZr

異種材料CuCrZr &Inconel 625 進(jìn)行激光管件對(duì)接試驗(yàn)前，焊前將CuCrZr &Inconel 625 管件裝配位置采用砂紙打磨以去除表面氧化膜，采用酒精-丙酮混合溶液去除表面油污，需要對(duì)焊接試驗(yàn)端口進(jìn)行去除氧化膜以及油脂處理.異種金屬管材的焊接采用IPG YLS-6000 光纖激光器配合KUKA 焊接機(jī)器手臂構(gòu)成的激光焊接系統(tǒng)進(jìn)行全位置焊接，焊前CuCrZr/Inconel 625 管材采用自制全位置轉(zhuǎn)動(dòng)夾具進(jìn)行裝夾.焊接過(guò)程采用氬氣氣氛進(jìn)行保護(hù)以防止焊接過(guò)程焊縫高溫氧化.試驗(yàn)所采用的焊接速度為870 mm/min，夾具轉(zhuǎn)速為300 mm/min，且由于管件壁厚較薄，因此激光焊接時(shí)離焦量為+20 mm，激光偏移量為0 mm.激光焊接時(shí)首先采用0.4 s 的時(shí)間和1 200 W 的激光功率進(jìn)行激光點(diǎn)焊，形成兩點(diǎn)點(diǎn)固.然后分別采用1 000，1 100，1 200，1 300 以及1 400 W 激光功率對(duì)CuCrZr &Inconel 625 異種材料合金管進(jìn)行環(huán)焊縫焊接.

將焊好的管件切割成尺寸為8 mm×5 mm 的金相試樣，使用80 號(hào)到5000 號(hào)砂紙對(duì)試樣逐級(jí)進(jìn)行打磨，最后使用金剛石拋光劑對(duì)試樣進(jìn)行拋光。直至試樣表面成為無(wú)劃痕、無(wú)污染、光滑的鏡面后停止拋光，將焊接試樣放置于王水 (HCl∶HNO3=3∶1)中對(duì)觀察面進(jìn)行化學(xué)浸蝕，腐蝕時(shí)間約為15 s。使用光學(xué)顯微鏡下觀察不同偏束距離下試樣焊縫的橫截面形貌，使用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)焊縫橫截面形貌較好的試樣進(jìn)行焊縫微觀形貌觀察，并采用X 射線衍射儀(XRD)和能譜分析(EDS)進(jìn)行接頭界面物相的鑒定分析。所有焊接試樣接頭的抗拉強(qiáng)度采用力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)在0.5 mm/min 的加載速度下進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)斷裂的試樣進(jìn)行SEM 顯微分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 異種材料激光對(duì)焊表面成形

CuCrZr/Inconel 625 異種管件對(duì)接接頭橫截面成形如圖1 所示，由以上5 個(gè)焊接參數(shù)下得到的環(huán)焊縫正背面成形可看出，當(dāng)激光功率為1 000 W 時(shí)，正面焊縫明顯金屬的熔化量極少，而背面也呈現(xiàn)出未熔透的現(xiàn)象，正背面均無(wú)飛濺，此時(shí)的激光功率偏小.

圖1 CuCrZr/Inconel 625 異種管件焊縫成形Fig.1 Weld forming of CuCrZr/Inconel 625.(a) 1 000 W;(b) 1 100 W;(c) 1 200 W;(d) 1 300 W;(e) 1 400 W

當(dāng)激光功率為1 100～ 1 300 W 時(shí)，可以看出，3 道焊縫的正面焊縫成形皆均勻美觀，且無(wú)表面飛濺，切開(kāi)后發(fā)現(xiàn)管焊縫的內(nèi)部也無(wú)明顯的飛濺產(chǎn)生，不同于銅鋼的焊接，分析主要是鎳的流動(dòng)性較差，形成的熔池不易脫落形成飛濺，背部的焊縫成形較好，呈現(xiàn)適度熔透狀態(tài)，只有很小的背部余高.從而獲得了較大工藝窗口內(nèi)均成形良好的焊縫.

而當(dāng)激光功率進(jìn)一步增大至1 400 W 時(shí)，發(fā)現(xiàn)正面焊縫已經(jīng)出現(xiàn)了某些區(qū)域的不穩(wěn)定現(xiàn)象，其背面焊縫成形觀察也可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了某些區(qū)域的過(guò)度熔透乃至焊穿現(xiàn)象，主要由于此時(shí)的激光功率過(guò)高，熱積累的作用導(dǎo)致.

2.2 激光對(duì)焊接頭焊縫截面形貌

采用DSX510 對(duì)CuCrZr/Inconel 625 激光焊接接頭進(jìn)行截面形貌觀察，從圖2 可以看出，隨著激光焊接功率的增加，CuCrZr 母材的熔化量增加，這使得焊縫中的Cu 元素含量增加.

圖2 CuCrZr/Inconel 625 管件焊縫橫截面形貌Fig.2 Weld cross section morphology of CuCrZr/Inconel 625.(a) 1 000 W;(b) 1 100 W;(c) 1 200 W;(d) 1 300 W;(e) 1 400 W

其中，圖2a、圖2b 以及圖2c 分別為CuCrZr/Inconel 625 在激光功率為1 000 W、1 100 W 以及1 200 W 時(shí)的焊縫截面形貌，由于CuCrZr 與Inconel 625 互溶，焊縫內(nèi)部無(wú)氣孔、微裂紋等缺陷，焊縫成形良好.圖2d 以及圖2e 分別為CuCrZr/Inconel 625 在激光功率為1 300 W 以及1 400 W 時(shí)的焊縫截面形貌，當(dāng)激光功率高于1 300 W 時(shí)，焊縫出現(xiàn)下塌現(xiàn)象，但焊縫內(nèi)部無(wú)氣孔、微裂紋等缺陷產(chǎn)生.

2.3 激光對(duì)焊焊縫微觀組織分析

通過(guò)對(duì)不同焊接參數(shù)下試驗(yàn)焊縫表面成形以及截面形貌的對(duì)比分析，1 200 W 激光功率下激光焊接接頭成形質(zhì)量最好，采用光學(xué)顯微鏡觀察CuCrZr/Inconel 625 異種金屬管焊縫顯微組織，圖3為激光功率1 200 W 下Inconel 625/CuCrZr 管激光焊接接頭顯微形貌.熔化的CuCrZr 與Inconel 625 互溶形成焊縫，在CuCrZr 與焊縫的連接界面處受激光對(duì)于焊縫的熱作用，在CuCrZr 母材側(cè)行成了約200 μm 左右厚度的熱影響區(qū)，如圖3a、圖3b所示，該區(qū)域晶粒較CuCrZr 母材相比粗大，力學(xué)性能較差，在實(shí)際應(yīng)用中容易在外界載荷作用下會(huì)成為薄弱環(huán)節(jié)，影響焊接結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度.根據(jù)Cu-Ni 二元合金相圖，Cu 元素，Ni 元素互溶，在焊縫中會(huì)以固溶體形式存在，具體固溶體中元素含量將采用EDS 元素分析進(jìn)一步確定.

圖3 1 200 W 激光功率下CuCrZr &Inconel 625 焊縫微觀組織Fig.3 Weld microstructure of CuCrZr &Inconel 625 at 1 200 W laser power.(a) meld line of CuCrZr side;(b) BM of CuCrZr side;(c) weld center;(d)meld line of Inconel 625 side

如圖3c 所示.焊縫中心還可見(jiàn)明顯的銅晶體顆粒由于激光在焊縫中的攪拌作用從CuCrZr 母材基體脫離，“卷入”焊縫內(nèi)部，在焊縫中以不同尺寸分布.圖3d 為Inconel 625 側(cè)靠近焊縫熔合線附近金相顯微形貌，焊縫熔合線邊緣組織形貌明顯.

依據(jù)光學(xué)顯微分析發(fā)現(xiàn)焊縫與CuCrZr、Inconel 625 連接處出現(xiàn)一層以固溶體形貌存在的元素?cái)U(kuò)散層，采用MERLIN 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)一步分析焊縫與母材連接界面處的元素分布，對(duì)典型界面進(jìn)行高倍形貌分析及配合EDS 元素分析對(duì)典型界面及焊縫內(nèi)部局部位置進(jìn)行元素成分鑒定.

焊縫形貌及元素分布，如圖4a 以及圖4c 所示，焊縫與CuCrZr 及Inconel 625 母材連接界面過(guò)渡明顯.依據(jù)EDS 元素分布分析結(jié)果，由焊縫到CuCrZr 母材Ni，Cr，Cu 元素過(guò)渡均勻，元素?cái)U(kuò)散層厚度約10 μm，如圖4b.而由Inconel 625 母材到焊縫方向的元素?cái)U(kuò)散結(jié)果顯示由Inconel 625 基體向母材方向Ni，Cr 元素含量有降低的趨勢(shì)，但相對(duì)均勻，Cu 元素出現(xiàn)明顯的元素含量升高現(xiàn)象，但Ni 元素原子含量占比略高于Cu 元素，如圖4d,表明在Inconel 625/CuCrZr 管焊接時(shí)，Inconel 625 一側(cè)發(fā)生熔化，少量Cu 元素向其中過(guò)渡，生成富Ni 的Ni/Cu 固溶體，保留在焊縫內(nèi)部.根據(jù)EDS 線掃分析發(fā)現(xiàn)由焊縫向Inconel 625、CuCrZr 側(cè)的元素?cái)U(kuò)散較為明顯，同時(shí)在焊縫內(nèi)部Ni 元素含量較高，依據(jù)焊縫內(nèi)部光學(xué)顯微分析發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)部由形貌組織均勻的固溶體組成，同時(shí)有銅基體在激光焊接過(guò)程中對(duì)焊縫攪拌所致類似銅顆?！熬砣搿焙缚p中，則采用EDS 點(diǎn)掃對(duì)不同形貌的固溶體進(jìn)行元素分析，如圖5 所示.表3 為圖5 所示各點(diǎn)能譜分析結(jié)果，結(jié)果表明不同形貌的固溶體內(nèi)元素分布基本相同均為Ni 元素含量較高的富Ni 的Ni/Cu 固溶體，這與EDS 線掃預(yù)測(cè)結(jié)果相同,被“卷入”的顆粒狀金屬也確定為銅母材.

圖4 CuCrZr &Inconel 625 焊縫形貌以及元素分布Fig.4 Weld morphology and element distribution of CuCrZr &Inconel 625 joint.(a) Interface line scanning direction of CuCrZr side joint;(b) Line scan analysis results of CuCrZr side joint;(c)Interface line scanning direction of Inconel 625 side joint;(d) Line scan analysis results of Inconel 625 side joint

圖5 激光功率1 200 W 焊縫能譜分析位置Fig.5 Interface energy spectrum analysis location

表3 CuCrZr/Inconel 625 能譜分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù),%)Table 3 Energy spectrum analysis of CuCrZr/Inconel 625

2.4 激光對(duì)焊焊縫力學(xué)性能

2.4.1 抗拉強(qiáng)度

試驗(yàn)為研究激光功率對(duì)CuCrZr/Inconel 625 激光焊接接頭力學(xué)性能的影響，采用Instron 5967 室溫力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同激光功率下Inconel 625/CuCrZr 激光焊接接頭進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)參數(shù)選取1 mm/min，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每組焊接工藝?yán)? 個(gè)試驗(yàn)樣品.圖6 為不同激光功率下CuCrZr/Inconel 625 激光焊接接頭抗拉強(qiáng)度，5 組焊接試樣的抗拉強(qiáng)度均為225 MPa 左右，屈服強(qiáng)度145 MPa 左右，略低于CuCrZr 母材強(qiáng)度，這可能是由于在焊接過(guò)程中，CuCrZr 母材靠近焊縫位置受激光熱源熱作用產(chǎn)生組織增長(zhǎng)形成熱影響區(qū)，致使該位置為焊接過(guò)程的薄弱環(huán)節(jié)，在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生斷裂.

圖6 CuCrZr/Inconel 625 接頭拉伸強(qiáng)度Fig.6 Joint tensile strength of CuCrZr/Inconel 625

2.4.2 斷裂形式及斷口形貌分析

圖7 為不同激光功率下Inconel 625/CuCrZr 管激光焊接接頭拉伸斷裂路徑，可以發(fā)現(xiàn)，斷裂位置均為CuCrZr 基體靠近焊縫位置，基于金相及SEM顯微分析結(jié)果可認(rèn)為斷裂位置為CuCrZr 側(cè)的熱影響區(qū)，斷裂主要是由于該區(qū)域晶粒尺寸粗大從而形成焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)所致.圖8 為接頭拉伸斷口的SEM 形貌，可發(fā)現(xiàn)其斷口內(nèi)存在大量韌性斷裂的CuCrZr 母材韌窩形貌.

圖7 CuCrZr &Inconel 625 拉伸試樣斷裂位置Fig.7 Specimen fracture location of CuCrZr &Inconel 625

圖8 CuCrZr &Inconel 625 管激光焊接接頭拉伸斷口形貌Fig.8 SEM morphology of tensile fracture of laser welded CuCrZr &Inconel 625 joint

3 結(jié)論

(1) 用激光實(shí)現(xiàn)了Inconel 625/CuCrZr 管的全位置焊接，激光焊接試件成形良好，焊縫內(nèi)部缺陷較少，但隨著焊接功率的增加焊縫下塌現(xiàn)象明顯；

(2) Inconel 625/CuCrZr 焊縫與母材連接界面元素過(guò)渡明顯，由于Ni 元素、Cu 元素互溶，在焊縫內(nèi)部主要以富Ni 的Ni/Cu 固溶體存在,在激光焊接過(guò)程中CuCrZr 母材受激光攪拌作用，有部分CuCrZr 母材被“卷入”焊縫內(nèi)，待工件冷卻后保留在焊縫內(nèi)部；

(3) Inconel 625/CuCrZr 管激光焊接接頭抗拉強(qiáng)度較高，主要斷裂位置為晶粒粗大的CuCrZr 的熱影響區(qū)位置，斷裂形式以韌性斷裂為主.