0. 引言
銅箔帶軟連接頭由大厚度銅塊和銅箔帶軟連接熔焊而成，主要用于銅排（母線(xiàn)）與發(fā)電機(jī)組、變壓器及其他大型導(dǎo)電器設(shè)備之間的軟性連接[1]。國(guó)際熱核試驗(yàn)堆和高熱流密度部件（包括轉(zhuǎn)化器和反應(yīng)堆真空容器第一壁）常用的散熱器框架和結(jié)構(gòu)材料為CuCrZr合金[2]，當(dāng)作為核聚變堆的結(jié)構(gòu)材料時(shí)，必然涉及該合金的軟性連接。真空電子束焊具有能量密度高、熱效率高、深寬比大、真空環(huán)境、易于實(shí)現(xiàn)工程化等特點(diǎn)[3]，適用于聚變堆CuCrZr合金的軟性連接。
目前有關(guān)CuCrZr合金電子束焊接方面的研究主要集中在合金塊的電子束焊接工藝以及工藝參數(shù)對(duì)接頭性能影響方面[4-6]，但是未見(jiàn)電子束焊接應(yīng)用于CuCrZr合金塊/箔帶軟連接方面的研究報(bào)道?；诖?，作者對(duì)60 mm厚的CuCrZr合金塊/CuCrZr合金箔帶軟連接進(jìn)行真空電子束焊接，研究了掃描振幅（電子束橫向振蕩的幅度）對(duì)接頭組織與力學(xué)性能的影響，以期為核聚變堆結(jié)構(gòu)材料的電子束焊接研究提供關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)據(jù)支撐。
1. 試樣制備與試驗(yàn)方法
母材為陜西斯瑞新材料公司提供的CuCrZr合金塊和CuCrZr合金箔帶軟連接，其中：合金塊的尺寸為50 mm×120 mm×60 mm，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同）為1.05Cr，0.103Zr，98.75Cu，抗拉強(qiáng)度為439 MPa，屈服強(qiáng)度為386 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為23%；合金箔帶軟連接由100片0.2 mm箔帶疊加整理，通過(guò)擴(kuò)散焊機(jī)焊接而成，其尺寸20 mm×80 mm×60 mm，化學(xué)成分為0.772Cr，0.097Zr，99.05Cu，抗拉強(qiáng)度為410 MPa，屈服強(qiáng)度為407 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為5%。CuCrZr合金塊和CuCrZr合金箔帶軟連接的顯微組織如圖1所示，可見(jiàn)：合金塊的顯微組織為粗大的等軸晶（銅基體）與單質(zhì)鉻顆粒，單質(zhì)鉻顆粒彌散分布在銅晶粒內(nèi)部和晶界處；箔帶軟連接的顯微組織為細(xì)小的等軸晶，單質(zhì)鉻顆粒較少，同時(shí)可觀察到明顯的擴(kuò)散界線(xiàn)。在合金塊長(zhǎng)度方向上每隔10 mm開(kāi)出1個(gè)尺寸為20 mm×30 mm×60 mm的凹槽。焊接前用砂紙打磨待焊接表面以去除氧化膜，然后置于乙醇中用超聲波清洗以去除油污等雜質(zhì)。采用K110型真空電子束焊機(jī)對(duì)合金塊和箔帶軟連接進(jìn)行焊接，具體焊接結(jié)構(gòu)如圖2所示，電子束光斑聚焦在合金塊和箔帶軟連接的界面處，加速電壓為120 kV，焊接速度為3 mm·s?1，焊接束流為95 mA，圓形波掃描，掃描頻率為600 Hz，掃描振幅分別為1.5，2.0，2.5 mm。
采用線(xiàn)切割機(jī)切取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用1 g FeCl3+6 mL HCl+12 mL H2O的混合溶液腐蝕后，采用VHX-5000型光學(xué)顯微鏡觀察焊縫截面形貌以及接頭不同區(qū)域的截面顯微組織。采用HXD-1000 TMSC/LCD型數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)接頭不同區(qū)域的顯微硬度，載荷為500 N，保載時(shí)間為10 s，測(cè)試間距為0.1 mm。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》，在接頭上距焊縫上表面20 mm處截取拉伸試樣，取樣位置及拉伸試樣尺寸如圖3所示，采用GNT 300型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為0.75 mm·min?1。拉伸試驗(yàn)結(jié)束后，采用S-3400N型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察拉伸斷口形貌。
2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 對(duì)宏觀形貌的影響
由圖4可以看出，不同掃描振幅下接頭焊縫截面均呈尖釘狀特征，這與陳倩倩等[7]的研究結(jié)果相吻合。焊縫底部存在明顯的密集氣孔，這是電子束深熔焊的一種特有缺陷，主要是由于厚板焊接時(shí)熔池在極短時(shí)間內(nèi)快速凝固，熔池中氣體難以從焊縫底部逸出，從而形成氣孔[8]。隨著掃描振幅的增大，焊縫底部氣孔的密集程度降低，這是因?yàn)樵龃髵呙枵穹鶎?dǎo)致熔寬增大，熔池中氣體更容易逸出。隨著掃描振幅的增加，熔深和熔寬均增大，且熔寬增加的趨勢(shì)大于熔深；計(jì)算得到1.5，2.0，2.5 mm掃描振幅下的深寬比分別為13.4，11.6，10.5，隨著掃描振幅的增加而降低。
2.2 對(duì)顯微組織的影響
由圖5可見(jiàn)，不同掃描振幅下CuCrZr合金塊/CuCrZr合金箔帶軟連接的電子束焊接接頭均由母材、合金塊側(cè)熱影響區(qū)（HAZ）和焊縫組成，焊縫分為合金塊熔化形成的焊縫（合金塊焊縫）和箔帶軟連接熔化形成的焊縫（箔帶軟連接焊縫）。箔帶軟連接側(cè)未見(jiàn)明顯熱影響區(qū)，這是由于電子束焊接的溫升與箔帶軟連接的高溫?cái)U(kuò)散焊接溫升比較接近，電子束焊接對(duì)箔帶軟連接母材組織的影響不顯著。隨著掃描振幅的增加，焊縫和熱影響區(qū)的寬度均增大。不同掃描振幅下接頭組織形貌無(wú)明顯差異，焊縫主要以等軸晶與柱狀晶為主，而熱影響區(qū)主要以粗、細(xì)混合的等軸晶為主。在電子束焊接過(guò)程中，高能電子束快速轟擊銅合金母材表面，使得母材瞬間熔化形成熔池，隨后熔池快速冷卻凝固，熔池金屬依附在母材表面上非均勻形核，以柱狀晶的形態(tài)沿著與溫度梯度相反的方向向熔池中心生長(zhǎng)。在焊縫中心觀察到的等軸晶，是焊縫中心熔體達(dá)到過(guò)冷度后，在雜質(zhì)元素的非均勻形核作用以及散熱方向的不顯著性影響下，晶核自由生長(zhǎng)所致。此外，在電子束的攪拌作用下，原有的晶粒被破壞并重新排列，從而在焊縫中心形成等軸晶[9]。
由圖6可知，不同掃描振幅下箔帶軟連接焊縫的晶粒尺寸比合金塊焊縫大，這說(shuō)明兩側(cè)焊縫組織呈現(xiàn)不均勻性。在焊縫中還觀察到一些分布稀疏的細(xì)小單質(zhì)鉻顆粒。在電子束焊接過(guò)程中，焊縫金屬快速凝固，大部分鉻元素來(lái)不及從焊縫中析出，直接固溶進(jìn)入銅基體，形成過(guò)飽和固溶體，只有少量的鉻元素在焊縫金屬凝固過(guò)程中于晶粒內(nèi)或晶界處析出，從而在焊縫中形成少量細(xì)小的單質(zhì)鉻顆粒[3]。合金塊側(cè)熱影響區(qū)主要由銅基體以及彌散分布的白色單質(zhì)鉻組成，其中單質(zhì)鉻不僅以顆粒狀分布在晶粒內(nèi)和晶界處，還以團(tuán)絮狀分布于晶界處。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，焊縫中的單質(zhì)鉻顆粒數(shù)量低于熱影響區(qū)，這與文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果一致。隨著掃描振幅的增加，焊縫和合金塊側(cè)熱影響區(qū)的晶粒尺寸均增大，并且熱影響區(qū)中的單質(zhì)鉻顆粒數(shù)量降低。隨著掃描振幅的增大，相應(yīng)的焊接熱輸入增大，大量鉻元素固溶進(jìn)入銅基體內(nèi)，從而降低了單質(zhì)鉻的析出。
2.3 對(duì)力學(xué)性能的影響
由圖7可以看出：不同掃描振幅下接頭的橫截面顯微硬度變化趨勢(shì)基本一致，合金塊側(cè)熱影響區(qū)的硬度最低，焊縫硬度高于箔帶軟連接母材，低于合金塊母材，其中合金塊焊縫硬度略高于箔帶軟連接焊縫。合金的顯微硬度取決于其晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、位錯(cuò)密度以及析出相數(shù)量、大小和分布等[11]。箔帶軟連接焊縫的晶粒尺寸大于合金塊焊縫，由Hall-Petch公式可知，合金塊焊縫的硬度更高。焊縫的顯微硬度低于合金塊母材，是因?yàn)楹缚p中的銅基體中固溶了大量的鉻元素，固溶強(qiáng)化效應(yīng)增強(qiáng)但鉻單質(zhì)的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)減弱，而沉淀強(qiáng)化效應(yīng)對(duì)銅合金硬度的影響大于固溶強(qiáng)化效應(yīng)[12]，因此焊縫的硬度較低。合金塊側(cè)熱影響區(qū)的顯微硬度最低與熱影響區(qū)在焊接過(guò)程中經(jīng)歷退火過(guò)程有關(guān)。隨著掃描振幅的增加，焊縫和熱影響區(qū)的晶粒尺寸增大，同時(shí)熱影響區(qū)中單質(zhì)鉻顆粒數(shù)量降低，因此焊縫和熱影響區(qū)的顯微硬度均降低。
在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，不同掃描振幅下接頭均在合金塊焊縫處斷裂。以?huà)呙璺禐?.5 mm的接頭為例，對(duì)其拉伸斷裂橫截面形貌進(jìn)行觀察。由圖8可以看出，裂紋穿過(guò)焊縫晶粒內(nèi)部與晶界，說(shuō)明接頭發(fā)生穿晶和沿晶混合斷裂。當(dāng)掃描振幅為1.5，2.0，2.5 mm時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度分別為360，357，326 MPa，斷后伸長(zhǎng)率分別為8.5%，3.5%，3.0%。隨掃描振幅的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均降低，這與焊縫的晶粒尺寸增大的變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。接頭的抗拉強(qiáng)度均低于母材。
為了進(jìn)一步解釋接頭的斷裂機(jī)制，分別對(duì)掃描振幅為1.5 mm和2.0 mm的接頭拉伸斷口進(jìn)行觀察。由圖9可以看出，拉伸斷口較粗糙，存在一些細(xì)小的韌窩區(qū)和滑移帶，同時(shí)還有明顯的沿晶與穿晶裂紋以及一些氣孔缺陷。拉伸斷口均觀察到明顯的頸縮現(xiàn)象，這說(shuō)明接頭發(fā)生了典型的韌性斷裂。不同掃描振幅下接頭的抗拉強(qiáng)度均低于母材，其原因包括：在焊接過(guò)程中焊縫中存在晶間裂紋與氣孔缺陷，晶間裂紋和氣孔處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展，從而降低接頭的力學(xué)性能；焊縫組織為粗大的等軸晶和柱狀晶，位錯(cuò)密度相比于母材有所下降，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力降低，接頭的位錯(cuò)強(qiáng)化效應(yīng)減弱[13]；由于電子束焊接時(shí)高凝固速率導(dǎo)致焊縫內(nèi)大量鉻元素固溶進(jìn)入銅基體中，單質(zhì)鉻顆粒的分布密度相比母材大幅降低，沉淀強(qiáng)化效應(yīng)降低[14]，從而導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低。
3. 結(jié)論
（1）隨著掃描振幅的增大，焊接熔深和熔寬均增大，深寬比降低。接頭由母材、合金塊側(cè)熱影響區(qū)和焊縫組成，焊縫分為合金塊焊縫和箔帶軟連接焊縫。焊縫主要以等軸晶和柱狀晶為主，箔帶軟連接焊縫的晶粒尺寸比合金塊焊縫大，熱影響區(qū)由粗、細(xì)混合的等軸晶組成。焊縫中的單質(zhì)鉻顆粒數(shù)量少于熱影響區(qū)。隨著掃描振幅的增加，焊縫和熱影響區(qū)的晶粒尺寸均增大，熱影響區(qū)中的單質(zhì)鉻顆粒數(shù)量降低。
