电子束焊接钼接头的微观结构与力学性能研究

时间：2024-07-28

段一平

（中国航空制造技术研究院，北京 100024）

钼具有优良的力学性能和导热性，在航空航天、机械、化工、冶金、电子以及核工业等领域具有广泛的应用前景[1]。钼还具有耐磨性和耐腐蚀性，热中子捕获面积小，可作为核反应堆堆芯的结构材料。现阶段，燃料棒的包层材料通常由锆合金制成[2]。相比之下，钼不与水反应，可以避免锆水反应和氢爆炸[3]。因此，用钼代替锆具有重要意义，钼焊接技术的研究成为当务之急。目前，关于纯钼焊接的研究很少，钼合金焊接的研究主要集中在钢板的焊接、合金的焊接以及钼合金和其他金属的焊接。钼的焊接性很差，在焊接过程中容易出现气孔和裂纹等缺陷，而且接头强度较低。虽然可以通过搅拌摩擦焊，但存在许多约束，同时搅拌摩擦焊难以实现弯曲材料的焊接，搅拌头从工件上脱落会在焊缝末端形成一个孔，很难修复。因此，纯钼的熔焊还需要进一步探索。

已有学者研究指出，电子束焊接（Electron Beam Welding，EBW）的热影响区较小，晶粒尺寸较小[4]。与其他焊接方法相比，电子束焊接具有能量密度高、熔深、焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小等优点。此外，钼的高导热性、晶粒粗化和脆化明显倾向决定了使用电子束焊接的巨大优势。一方面，电子束焊接通常在真空状态下进行，可以有效地将氧气和氮气隔离到熔池。另一方面，电子束焊接的冷却速度相对较快，可以细化微观结构并改善接头的力学性能。基于此，通过钼的电子束焊接实验，探讨了钼的焊接头技术，分析了焊接中的缺陷和接头性能，以便进一步控制焊接过程产生的缺陷。

1 实验材料及设备

1.1 实验材料

实验中使用的基体金属是含有少量镧（La）元素（重量比为5%）的钼。适量的La 可以有效细化晶粒，提高母材的抗拉强度。实验中采用搭接接头，焊接工艺的相关信息如图1 所示，其中T1、T2和T3代表3个测试点，用于拉伸实验。

图1 焊接工艺示意图（单位：mm）

1.2 实验设备

焊接过程在MEDARD45 EBW 机器上进行，主要性能指标如下：最大功率6 kW；加速电压20 ～60 kV，可连续调节；焊接电流0 ～100 mA；电子束枪的真空度可达5×10-4Pa，本实验使用的腔室真空度为5×10-2Pa，采用下聚焦方式。通过蔡司SUPRA 55 SAPPHIRE 场发射扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）观察横截面的微观结构，并在SEM 中分析能谱和断口形态。利用AG-Xplus电子万能实验机，在室温下以1 mm·min-1的加载速度测试母材和接头的抗拉强度。接头的显微硬度分布由HXD1000 显微硬度计测量，测试压力为200 N[5]。

2 实验结果和讨论

2.1 焊接接头的微观结构

图2为钼接头不同部位微观结构的扫描电镜图像。图2（a）显示了钼接头的热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）和焊接区（Weld Zone，WZ），在焊接区发现了气孔。图2（b）为热影响区，该区的晶粒开始粗化，不再倾向于轧制方向，微观组织均匀。图2（c）为熔融区，主要由粗大的柱状晶粒组成。焊缝中心的晶粒取向与熔合线附近的焊缝不同[6]。从图2 还可以看出，熔合线附近的晶粒沿着熔合线的法线方向向焊缝中心生长，但焊缝中心的晶粒则沿着垂直方向生长，两种晶粒之间存在明显的方向错位。从图2 还可以清楚地看到两种晶粒的边界，这是因为在高能电子束的作用下，焊缝中的金属瞬间熔化，当电子束穿透母材时，能量随着深度的增加而降低，焊缝底部的能量相对较小。此外，当焊缝底部与焊接夹具接触时，金属夹具的导热系数远大于真空条件下的导热系数，焊缝的熔融金属开始从底部向顶部结晶[7]。同时，熔合线附近的熔融金属与母材接触，母材的热传导率也随之增加。

图2 钼接头不同部位的微观结构

2.2 接头力学性能分析

2.2.1 显微硬度

图3为钼接头在垂直方向的硬度分布，即从WZ通过HAZ 到基体金属区（Base Metal Zone，BMZ），且标出了具体的斑点位置。BMZ的平均硬度为171 HV，而WZ 为210 HV，比BMZ 高23%。HAZ 的平均硬度为202 HV，比BMZ 高出18%。由于电子束焊接在焊接区输入的热量较大，WZ 的晶粒演变成粗大的柱状晶粒，从而消除了轧制结构。在电子束焊接过程中，焊缝的冷却速度较快，母材与夹具之间的接触可以更快传出热量，加速焊缝中液态金属的凝固[8]。但是，当冷却速度达到钼的淬火临界冷却速度时，焊缝金属相当于淬火处理，导致焊缝微观组织的淬透性趋势增加。由于焊接钼接头的微观结构不均匀，焊接接头的硬度上下波动[9]。

图3 显微硬度

2.2.2 应力-应变曲线与抗拉强度

应力-应变曲线及抗拉强度如图4 所示，基体金属的最大抗拉强度为650 MPa。在参数相同的情况下测量了3 个试样焊接接头的抗拉强度，平均抗拉强度为260 MPa（图4 中的接缝曲线）。可见，焊接接头的抗拉强度大大降低，仅为母材的40%。当应变为8.6 mm 时，焊接接头的应力达到259 MPa，此时接头处焊点突然断裂，属于典型的脆性断裂。断裂位置位于焊接区，中粗化的晶粒是导致焊接接头抗拉强度降低和脆性断裂的主要原因[10]。在电子束热循环过程中，母材的轧制结构完全消失，WZ 和HAZ 大部分为粗柱状晶粒。此外，焊点中的气孔和裂纹也大大降低了抗拉强度。

图4 应力-应变曲线及抗拉强度

2.2.3 断裂分析

钼接头的拉伸实验表明，焊接接头发生了脆性断裂，断裂位置位于焊接位置。断口表面存在明显的劈裂阶梯，在断裂区域可以发现一些波纹。断口处的波纹数量多、密度高、撕裂边缘短且弯曲，因此可以断定断裂模式为准劈裂断裂。钼的晶体结构决定了劈裂断口很容易发生。焊接后，钼合金的延脆转变温度（Ductile–Brittle Transition Temperature，DBTT）较高。焊缝中的氧元素对塑性的影响非常大，少量的氧就能大大提升焊缝的DBTT。此外，在断裂面上发现了许多气孔，气孔的存在极大地降低了焊点的抗拉强度，而且容易成为裂纹的萌发源，导致裂纹从气孔中产生并向内部扩展，最终导致接头强度降低。