0.   引　言

異種材料復(fù)合構(gòu)件具有可實(shí)現(xiàn)不同材料優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)以及可節(jié)約貴重金屬來(lái)降低生產(chǎn)成本等特有的工程優(yōu)勢(shì)[1]，在核電領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)性能要求嚴(yán)格的設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[2]。鋼和銅作為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)材料，在現(xiàn)代制造工業(yè)中占據(jù)很大的應(yīng)用比例。鋼/銅復(fù)合結(jié)構(gòu)在節(jié)約材料、合理利用資源、提高產(chǎn)品性能和延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命等方面起到非常重要的作用，被廣泛應(yīng)用于核電設(shè)備中的熱交換器中[3]。 

目前，有關(guān)鋼/銅焊接的研究主要集中在擴(kuò)散焊[4]、摩擦焊[5]、爆炸焊[6]、高能束焊[7]等方法上，這些方法獲得的鋼/銅焊接接頭中均存在熔合不良、氣孔、微裂紋等缺陷；氣孔、熔合不良等缺陷主要源于大氣中氣體卷入熔池或界面氧化物殘留[8-9]。在真空中進(jìn)行電子束焊接可大大避免母材的污染及氧化，有效防止焊接缺陷的產(chǎn)生。目前，有關(guān)銅/鋼異種材料真空電子束焊接工藝的研究已取得了一些進(jìn)展，電子束偏移量是銅/鋼焊接的核心工藝參數(shù)。目前，有關(guān)電子束偏移量的研究主要集中在電子束偏移鋼側(cè)的距離對(duì)接頭性能的影響[10]，而電子束偏移銅側(cè)的研究還不夠全面；焊接速度和掃描幅值會(huì)影響電子束偏移銅側(cè)條件下所獲得接頭的組織和性能。作者采用真空電子束焊接工藝對(duì)CuCrZr合金和304不銹鋼進(jìn)行連接，研究了焊接速度、掃描幅值及電子束偏移CuCrZr合金側(cè)距離對(duì)接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響，以期為獲得理想的電子束焊接銅/鋼異種接頭提供試驗(yàn)參考。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

母材為軋制態(tài)304不銹鋼板和時(shí)效態(tài)CuCrZr合金板，二者的化學(xué)成分如表1所示，顯微組織如圖1所示，可見(jiàn)304不銹鋼為奧氏體組織，CuCrZr合金由粗大的等軸晶和單質(zhì)鉻顆粒組成。用電火花線(xiàn)切割方法將兩種母材加工成尺寸為50 mm×50 mm×5 mm的待焊試樣，采用800#砂紙打磨試樣待焊面，用400#砂紙打磨待焊面的鄰面以排除氧化皮的干擾，用乙醇進(jìn)行超聲清洗。將處理后的304不銹鋼和CuCrZr合金待焊試樣置于烘箱烘干（以2.5 ℃·min−1的升溫速率由室溫升溫至100 ℃，保溫10 min），備用。 

圖  1  304不銹鋼與CuCrZr合金的顯微組織

Figure  1.  Microstructures of 304 stainless steel (a) and CuCrZr alloy (b)

采用K110型真空電子束焊機(jī)對(duì)304不銹鋼和CuCrZr合金進(jìn)行異種金屬對(duì)接焊接：待焊試樣以無(wú)間隙對(duì)接的形式進(jìn)行裝配并固定在電子束焊機(jī)的工作臺(tái)上，電子束以垂直于試樣表面進(jìn)行單面掃描和無(wú)掃描焊接，焊接工藝參數(shù)如表2所示。電子束偏移量定義為以對(duì)接界面為基準(zhǔn)，電子束向CuCrZr合金側(cè)偏移的距離，偏移量為0時(shí)表示電子束作用在對(duì)接界面上。 

采用電火花線(xiàn)切割方法在接頭上以焊縫為中心垂直于焊接方向截取金相試樣，經(jīng)過(guò)清洗、打磨、拋光后，用10 g FeCl3+10 mL HCl+30 mL H2O溶液腐蝕CuCrZr合金側(cè)，用10 g FeCl3+30 mL HCl+20 mL H2O溶液腐蝕304不銹鋼側(cè)，采用VHX-600k型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。采用HXD-1000TMSC/LCD型數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)試硬度，載荷為1.96 N，保載時(shí)間為15 s，相同區(qū)域測(cè)5次取平均值，測(cè)試間距為200 μm。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，在接頭上以焊縫為中心垂直于焊接方向截取如圖2所示的拉伸試樣，采用SYS-192型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm·min−1。 

圖  2  拉伸試樣的尺寸

Figure  2.  Dimension of tensile specimen

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   焊縫形貌及接頭顯微組織

1#，2#，3#工藝均為電子束偏移量為0的無(wú)掃描電子束焊接工藝。由圖3和圖4可以看出：1#工藝下CuCrZr合金側(cè)焊縫中存在明顯的不規(guī)則流淌現(xiàn)象，呈現(xiàn)弧坑形貌，焊縫底部存在未熔合缺陷；2#工藝下焊縫表面下凹，在CuCrZr合金側(cè)出現(xiàn)輕微咬邊現(xiàn)象；3#工藝下焊縫成形質(zhì)量最好，表面平滑且無(wú)凹陷和明顯咬邊現(xiàn)象。3種工藝下焊縫中心均偏向304不銹鋼側(cè)，表明304不銹鋼在焊接過(guò)程中的熔化量更多，這是因?yàn)镃uCrZr合金的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于304不銹鋼，具有更快的散熱速率。1#，2#，3#工藝下焊縫寬度依次變窄，這是因?yàn)?#，2#，3#工藝下的熱輸入依次減小，母材熔化量減少。1#工藝下熱輸入最大，焊縫組織最均勻，主要為304不銹鋼熔化形成。3種工藝下的焊縫中均出現(xiàn)裂紋，并且隨著熱輸入降低，裂紋更加明顯，裂紋位置從焊縫中間區(qū)域向焊縫近304不銹鋼一側(cè)偏移。304不銹鋼和CuCrZr合金的熱膨脹系數(shù)存在差異，導(dǎo)致焊縫中產(chǎn)生了較大的殘余變形和應(yīng)力，繼而導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生[11-13]。 

圖  3  1#工藝、2#工藝和3#工藝下接頭表面的宏觀形貌

Figure  3.  Surface macromorphology of joints under 1# process (a), 2# process (b) and 3# process (c)

圖  4  1#工藝、2#工藝和3#工藝下接頭的橫截面形貌

Figure  4.  Cross section morphology of joints under 1# process (a), 2# process (b) and 3# process (c)

真空電子束焊接304不銹鋼/CuCrZr合金異種金屬對(duì)接接頭均由CuCrZr合金母材、CuCrZr合金側(cè)熱影響區(qū)（HAZ）、焊縫、304不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)、304不銹鋼母材組成。由圖5可見(jiàn)，1#，2#，3#工藝下的接頭焊縫存在明顯的偏析特征，即近CuCrZr合金處的不規(guī)則形狀海灘組織以及大塊焊縫金屬中的層狀組織。焊縫中CuCrZr合金成分的含量較少，主要由重熔和再凝固的304不銹鋼成分組成。CuCrZr側(cè)熱影響區(qū)與焊縫結(jié)合處無(wú)明顯的分界線(xiàn)，近CuCrZr合金處焊縫的海灘組織中分布著扁平的柱狀晶，柱狀晶是由于CuCrZr合金熱導(dǎo)率較高，使得靠近熔合線(xiàn)處的熔池產(chǎn)生較大溫度梯度而形成的；隨著熱輸入降低，靠近CuCrZr合金的焊縫內(nèi)柱狀晶細(xì)化，且柱狀晶的方向性不明顯。CuCrZr合金側(cè)熱影響區(qū)的銅基體中分布著大量粒狀鉻單質(zhì)，晶界處出現(xiàn)少量以條帶狀形式分布的鉻單質(zhì)。304不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)中存在一條過(guò)渡帶，該過(guò)渡帶的組織主要呈胞狀樹(shù)突形態(tài)，且雜亂交錯(cuò)分布。 

圖  5  1#工藝、2#工藝和3#工藝下接頭的顯微組織

Figure  5.  Microstructures of joints under 1# process (a), 2# process (b) and 3# process (c)

4#，5#，6#工藝均為電子束偏移量為0的掃描電子束焊接工藝，掃描幅值依次增大，其他參數(shù)保持恒定。由圖6和圖7可以看出：隨著掃描幅值增加，焊縫的熔寬增大，但成形質(zhì)量降低，焊縫均在CuCrZr合金側(cè)發(fā)生明顯的凹陷，且掃描幅值越大，CuCrZr合金側(cè)焊縫的凹陷越嚴(yán)重。在掃描電子束焊接過(guò)程中電子束能量分布不均勻，而CuCrZr合金的熱導(dǎo)率較高，該側(cè)熔池邊緣部分凝固過(guò)快，熔池中心金屬向邊緣流動(dòng)不足，從而導(dǎo)致CuCrZr合金側(cè)出現(xiàn)凹陷。隨著掃描幅值增加，電子束能量更分散，熔池溫度分布更加不均勻，熔池中心與邊緣的溫度梯度變大，從而導(dǎo)致CuCrZr合金側(cè)凹陷更嚴(yán)重。當(dāng)掃描幅值為1.5 mm（6#工藝）時(shí)，接頭不銹鋼板側(cè)出現(xiàn)未熔透現(xiàn)象，說(shuō)明該條件下CuCrZr合金板和304不銹鋼板之間未形成有效連接。這可能是由于較大的掃描幅值導(dǎo)致電子束能量過(guò)度分散，不銹鋼側(cè)升溫困難而無(wú)法充分熔化。 

圖  6  4#工藝、5#工藝和6#工藝下接頭表面宏觀形貌

Figure  6.  Surface macromorphology of joints under 4# process (a), 5# process (b) and 6# process (c)

圖  7  4#工藝、5#工藝和6#工藝下接頭的橫截面形貌

Figure  7.  Cross section morphology of joints under 4# process (a), 5# process (b) and 6# process (c)

由圖8可見(jiàn)：4#工藝下焊縫組織均勻，這可能是因?yàn)橄鄬?duì)較慢的焊接速度和較小的掃描幅值能得到相對(duì)穩(wěn)定的焊接熱輸入和適中的冷卻速率，確保焊縫金屬有足夠時(shí)間擴(kuò)散而混合均勻；5#和6#工藝下，焊縫出現(xiàn)不銹鋼偏析，且6#工藝下焊縫下半部分完全偏向不銹鋼側(cè)，不銹鋼板出現(xiàn)未熔透現(xiàn)象；4#，5#和6#工藝下焊縫中均存在裂紋，其中6#工藝下的裂紋最為明顯。裂紋可能是成分的不均勻性和焊縫復(fù)雜的應(yīng)力分布所致。綜上，過(guò)大的掃描幅值會(huì)使熔池混合效果變差，導(dǎo)致未熔合缺陷的產(chǎn)生。 

圖  8  4#工藝、5#工藝和6#工藝下接頭的顯微組織

Figure  8.  Microstructures of joints under 4# process (a), 5# process (b) and 6# process (c)

在保持掃描幅值0.5 mm不變的前提下，將焊接速度由10 mm·s−1(4#工藝)分別提高至20，30 mm·s−1（7#，8#工藝），以減少電子束在熔池內(nèi)停留的時(shí)間，改善焊接缺陷現(xiàn)象，為避免熱輸入過(guò)小，同步將焊接束流提升至25，32 mA。由圖9和圖10可見(jiàn)：在電子束偏移量均為0、掃描幅值為0.5 mm條件下，提高焊接速度后，焊縫成形良好，焊縫表面更加光滑，輪廓更加清晰，未發(fā)現(xiàn)明顯的凹陷；焊縫組織更加均勻，其中未見(jiàn)裂紋缺陷。 

圖  9  7#工藝和8#工藝下接頭表面的宏觀形貌

Figure  9.  Surface macromorphology of joints under 7# process (b) and 8# process (c)

圖  10  7#工藝和8#工藝下接頭的橫截面形貌

Figure  10.  Cross section morphology of joints under 7# process (a) and 8# process (b)

由圖11可見(jiàn)，7#工藝和8#工藝下，焊接接頭中均未發(fā)現(xiàn)裂紋，焊縫大部分為不銹鋼組織；同時(shí)因熱輸入較高，少量CuCrZr合金熔化，靠近合金的焊縫中的銅基體中存在粒狀富鐵相（α相），起到彌散強(qiáng)化作用。8#工藝下近CuCrZr合金的焊縫中出現(xiàn)了海灘組織，海灘組織中分布著生長(zhǎng)方向一致的扁平狀柱狀晶，同時(shí)焊縫中還存在多處不銹鋼和CuCrZr合金組織的未混合區(qū)。綜上，在較小的掃描幅值下提高焊接速度可以實(shí)現(xiàn)304不銹鋼與CuCrZr合金的有效連接。 

圖  11  7#工藝和8#工藝下接頭的顯微組織

Figure  11.  Microstructures of joints under 7# process (a) and 8# process (b)

在電子束偏移量為0條件下焊接，焊縫的主體仍為不銹鋼，這與CuCrZr合金的高導(dǎo)熱性有關(guān)。采用電子束偏置在CuCrZr合金一側(cè)可以提升CuCrZr合金熔化量，從而控制熔池內(nèi)兩種材料的熔合比。在焊接速度為10 mm·s−1、無(wú)掃描條件下，研究電子束偏移量對(duì)接頭組織的影響。由圖12和圖13可見(jiàn)：在9#工藝下，即電子束偏移量為0.2 mm時(shí)，焊縫表面最為平整，焊縫組織混合均勻，未完全熔化的不銹鋼組織以富鐵半島的形態(tài)在近不銹鋼處產(chǎn)生宏觀偏析；在10#工藝和11#工藝下，焊縫主要以CuCrZr合金組織為主；不同工藝下的焊縫中均未出現(xiàn)裂紋。 

圖  12  9#工藝、10#工藝和11#工藝下接頭表面的宏觀形貌

Figure  12.  Surface macromorphology of joints under 9# process (a), 10# process (b) and 11# process (c)

圖  13  9#工藝、10#工藝和11#工藝下接頭的橫截面形貌

Figure  13.  Cross section morphology of joints under 9# process (a), 10# process (b) and 11# process (c)

由圖14可以看出，在9#工藝下，304不銹鋼的熔化量很少，不銹鋼組織在焊縫中以球狀形式存在。根據(jù)Munitz[13]的理論，當(dāng)不銹鋼在熔池中所占比例低于50%時(shí)，鐵元素會(huì)以小球狀富集。這些富鐵相顆粒會(huì)阻礙凝固界面的運(yùn)動(dòng)，從而阻礙銅晶粒的生長(zhǎng)，發(fā)揮非均勻形核的作用[14]，因此焊縫組織為細(xì)小等軸晶粒。在10#工藝和11#工藝下，電子束偏移量增大，CuCrZr合金表面的溫度瞬間達(dá)到熔點(diǎn)，并在電子束離開(kāi)后迅速冷卻成固態(tài)，熔池界面處的金屬散熱迅速，晶粒沿著散熱方向反方向生長(zhǎng)，并受到相鄰較大晶粒的阻礙，從而形成指向熔池中心的柱狀晶組織。其中：10#工藝下焊縫中存在極少量不銹鋼組織；11#工藝下304不銹鋼側(cè)形成平滑的釬焊界面，其組織基本不受焊接過(guò)程的影響，這是由于電子束偏移CuCrZr合金一側(cè)太多，導(dǎo)致不銹鋼側(cè)未發(fā)生熔化，從而形成了釬焊接頭，這會(huì)導(dǎo)致界面熔合不良。 

圖  14  9#工藝、10#工藝和11#工藝下接頭的顯微組織

Figure  14.  Microstructures of joints under 9# process (a), 10# process (b) and 11# process (c)

2.2   顯微硬度

由表3可以看出，不同工藝下接頭不同區(qū)域的硬度變化趨勢(shì)相同，按照硬度由低到高的順序依次為CuCrZr合金側(cè)熱影響區(qū)、CuCrZr合金母材、焊縫、304不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)、304不銹鋼母材。焊縫的硬度主要取決于不銹鋼的含量，不銹鋼含量越多，硬度越高。在電子束偏移量均為0、無(wú)掃描條件下隨焊接速度增加，即熱輸入下降，焊縫的硬度降低。在電子束偏移量為0、焊接速度為10 mm·s−1條件下，隨著掃描幅值增加，焊縫的硬度降低。在電子束偏移量為0、掃描幅值為0.5 mm條件下，提高焊接速度，焊縫的硬度降低。在焊接速度為10 mm· s−1、無(wú)掃描條件下，隨著電子束偏移量增加，焊縫的硬度降低。不同電子束偏移量下，焊縫均會(huì)軟化，這是因?yàn)楫?dāng)電子束偏移到CuCrZr合金一側(cè)后，大量CuCrZr合金熔化，焊縫中出現(xiàn)更多銅相，而銅相比鐵相更加粗大，因此焊縫表現(xiàn)為軟化傾向；隨著電子束偏移量增加，焊縫硬度趨近于CuCrZr合金母材硬度。 

2.3   拉伸性能

6#工藝下制備的焊縫成形差，焊縫下半部分完全偏向不銹鋼側(cè)，且未熔透板材，因此未對(duì)該接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。由圖15和表4可以看出：1#工藝下接頭的斷裂位置在CuCrZr合金側(cè)熱影響區(qū)，這表明焊縫的室溫力學(xué)性能已經(jīng)接近CuCrZr合金母材；斷口可見(jiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象，表明接頭在拉伸過(guò)程中發(fā)生塑性變形。CuCrZr合金側(cè)熱影響區(qū)中粗化的銅晶粒引起晶界密度減少，導(dǎo)致變形抗力下降，因此接頭在此處斷裂。2#和3#工藝下接頭的斷裂位置均在焊縫，這可能與焊縫中存在的裂紋有關(guān)。將1#工藝、2#工藝和3#工藝下的接頭拉伸性能進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著焊接速度增加，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均降低。掃描幅值為0.5 mm的4#工藝接頭在CuCrZr合金側(cè)熱影響區(qū)處斷裂，其拉伸性能與2#工藝接頭相近；當(dāng)掃描幅值增加到1.0 mm時(shí)（5#工藝），接頭在焊縫處斷裂，其抗拉強(qiáng)度大幅降低，這是由于增加掃描振幅后近CuCrZr合金母材一側(cè)形成了明顯的凹陷，導(dǎo)致了焊縫的力學(xué)性能降低。在掃描幅值為0.5 mm條件下增大焊接速度（7#工藝和8#工藝），接頭均在CuCrZr合金側(cè)熱影響區(qū)斷裂，表現(xiàn)出較高的抗拉強(qiáng)度；8#工藝下接頭表現(xiàn)出5.4%的斷后伸長(zhǎng)率，并存在頸縮現(xiàn)象；隨著焊接速度的增加，焊接熱輸入下降，焊縫冷卻速率加快，組織更細(xì)小均勻，因此力學(xué)性能提高。在焊接速度為10 mm·s−1、無(wú)掃描條件下，9#工藝下接頭在遠(yuǎn)離焊縫的CuCrZr合金母材處斷裂，且斷口存在明顯的頸縮現(xiàn)象，表明接頭具有良好的拉伸性能，這與焊縫組織均勻有關(guān)；10#工藝下接頭在焊縫處斷裂，這是因?yàn)楹缚p存在生長(zhǎng)方向與拉伸方向不一致的柱狀晶；11#工藝下接頭在不銹鋼側(cè)熔合線(xiàn)處斷裂，此時(shí)的拉伸性能較差，這是因?yàn)殡娮邮駽uCrZr合金側(cè)的偏移量太大，另一側(cè)304不銹鋼難以熔化而形成了釬焊界面，界面熔合不良，接頭拉伸性能較差。 

圖  15  不同工藝下接頭的拉伸斷裂形貌

Figure  15.  Tensile fracture morphology of joints under different processes

3.   結(jié)　論

（1）在電子束偏移量均為0、無(wú)掃描條件下，10，20，30 mm·s−1焊接速度下焊縫中均存在裂紋，并且隨著焊接速度的增加，熱輸入降低，裂紋更加明顯，焊縫硬度以及接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均降低。10 mm·s−1焊接速度下焊接接頭兼具高強(qiáng)度和一定塑性，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為385 MPa和4.56%。 

（2）在電子束偏移量均為0、焊接速度為10 mm·s−1條件下，0.5，1.0，1.5 mm掃描幅值下焊縫中均存在裂紋，隨著掃描振幅的增加，CuCrZr合金側(cè)焊縫處形成的凹陷變明顯，1.5 mm掃描幅值下焊縫中出現(xiàn)未熔合缺陷。隨著掃描幅值的增加，焊縫的硬度和接頭的拉伸性能均降低，0.5 mm掃描幅值下接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到350 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為2.37%。在掃描幅值固定為0.5 mm條件下，隨著焊接速度增加至20，30 mm·s−1，焊縫中均未產(chǎn)生裂紋，焊縫成形良好，接頭的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到360 MPa以上。 

（3）在焊接速度為10 mm·s−1、無(wú)掃描條件下，電子束向CuCrZr合金側(cè)偏移量為0.2，0.4，0.6 mm時(shí)焊縫中均不存在裂紋。電子束偏移量為0.2 mm下，焊縫組織混合均勻，隨著電子束偏移量增加，焊縫中銅相增多，焊縫的硬度和接頭的拉伸性能均降低。當(dāng)電子束偏移量為0.2 mm時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到324 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為5.51%，接頭發(fā)生韌性斷裂。電子束偏移量為0.6 mm時(shí)，304不銹鋼側(cè)形成釬焊接頭，界面熔合不良，接頭的抗拉強(qiáng)度僅為89 MPa。

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