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）與發(fā)電機組、變壓器及其他大型導(dǎo)電器設(shè)備之間的軟性連接[1]。國際熱核試驗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]，當作為核聚變堆的結(jié)構(gòu)材料時，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、易于實現(xiàn)工程化等特點[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)對接頭性能影響方面[4-6]，但是未見電子束焊接應(yīng)用于CuCrZr合金塊/箔帶軟連接方面的研究報道?；诖耍髡邔?0 mm厚的CuCrZr合金塊/CuCrZr合金箔帶軟連接進行真空電子束焊接，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)量分數(shù)/%，下同）為1.05Cr，0.103Zr，98.75Cu，抗拉強度為439 MPa，屈服強度為386 MPa，斷后伸長率為23%；合金箔帶軟連接由100片0.2 mm箔帶疊加整理，通過擴散焊機焊接而成，其尺寸20 mm×80 mm×60 mm，化學(xué)成分為0.772Cr，0.097Zr，99.05Cu，抗拉強度為410 MPa，屈服強度為407 MPa，斷后伸長率為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：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小的等軸晶，單質(zhì)鉻顆粒較少，同時可觀察到明顯的擴散界線。在合金塊長度方向上每隔10 mm開出1個尺寸為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型真空電子束焊機對合金塊和箔帶軟連接進行焊接，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。

圖 1 CuCrZr合金塊和CuCrZr合金箔帶軟連接的顯微組織

Figure 1. Microstructures of CuCrZr alloy block (a) and CuCrZr alloy foil soft connection (b)

圖 2 合金塊/箔帶軟連接結(jié)構(gòu)示意

Figure 2. Schematic of structure for alloy block/foil soft connection

采用線切割機切取金相試樣，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)字顯微硬度計測接頭不同區(qū)域的顯微硬度，載荷為500 N，保載時間為10 s，測試間距為0.1 mm。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，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型電子萬能材料試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為0.75 mm·min?1。拉伸試驗結(jié)束后，采用S-3400N型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察拉伸斷口形貌。

圖 3 拉伸試樣的取樣位置及尺寸示意

Figure 3. Schematic of sampling position (a) and size (b) of tensile specimen

2. 試驗結(jié)果與討論

2.1 對宏觀形貌的影響

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熔池在極短時間內(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，這是因為增大掃描振幅導(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，且熔寬增加的趨勢大于熔深；計算得到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。

圖 4 不同掃描振幅下接頭的截面形貌

Figure 4. Section morphology of joint under different scan amplitudes

2.2 對顯微組織的影響

由圖5可見，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擴散焊接溫升比較接近，電子束焊接對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、細混合的等軸晶為主。在電子束焊接過程中，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。在焊縫中心觀察到的等軸晶，是焊縫中心熔體達到過冷度后，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]。

圖 5 不同掃描振幅下距焊縫表面相同距離處接頭的截面形貌

Figure 5. Section morphology of joint at the same distance from weld surface under different scan amplitudes

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小單質(zhì)鉻顆粒。在電子束焊接過程中，焊縫金屬快速凝固，大部分鉻元素來不及從焊縫中析出，直接固溶進入銅基體，形成過飽和固溶體，只有少量的鉻元素在焊縫金屬凝固過程中于晶粒內(nèi)或晶界處析出，從而在焊縫中形成少量細小的單質(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，還以團絮狀分布于晶界處。對比發(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[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，大量鉻元素固溶進入銅基體內(nèi)，從而降低了單質(zhì)鉻的析出。

圖 6 不同掃描振幅下接頭各區(qū)域的顯微組織

Figure 6. Microstructures of various regions in joints under different scan amplitudes: (a, d, g) weld of foil soft connection; (b, e, h) weld of alloy block and (c, f, i) heat affected zone on alloy block side

2.3 對力學(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，是因為焊縫中的銅基體中固溶了大量的鉻元素，固溶強化效應(yīng)增強但鉻單質(zhì)的沉淀強化效應(yīng)減弱，而沉淀強化效應(yīng)對銅合金硬度的影響大于固溶強化效應(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)在焊接過程中經(jīng)歷退火過程有關(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。

圖 7 不同掃描振幅下接頭的截面顯微硬度分布曲線

Figure 7. Microhardness distribution curves of joint section under different scan amplitudes

在拉伸試驗過程中，不同掃描振幅下接頭均在合金塊焊縫處斷裂。以掃描幅值為2.5 mm的接頭為例，對其拉伸斷裂橫截面形貌進行觀察。由圖8可以看出，裂紋穿過焊縫晶粒內(nèi)部與晶界，說明接頭發(fā)生穿晶和沿晶混合斷裂。當掃描振幅為1.5，2.0，2.5 mm時，接頭的抗拉強度分別為360，357，326 MPa，斷后伸長率分別為8.5%，3.5%，3.0%。隨掃描振幅的增加，接頭的抗拉強度和斷后伸長率均降低，這與焊縫的晶粒尺寸增大的變化趨勢相對應(yīng)。接頭的抗拉強度均低于母材。

圖 8 2.5 mm掃描振幅下接頭的拉伸斷裂橫截面形貌

Figure 8. Tensile fracture cross section morphology of joint under scan amplitude of 2.5 mm

為了進一步解釋接頭的斷裂機制，分別對掃描振幅為1.5 mm和2.0 mm的接頭拉伸斷口進行觀察。由圖9可以看出，拉伸斷口較粗糙，存在一些細小的韌窩區(qū)和滑移帶，同時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度均低于母材，其原因包括：在焊接過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，促進裂紋的擴展，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，位錯密度相比于母材有所下降，阻礙位錯運動的能力降低，接頭的位錯強化效應(yīng)減弱[13]；由于電子束焊接時高凝固速率導(dǎo)致焊縫內(nèi)大量鉻元素固溶進入銅基體中，單質(zhì)鉻顆粒的分布密度相比母材大幅降低，沉淀強化效應(yīng)降低[14]，從而導(dǎo)致接頭強度降低。

圖 9 不同掃描振幅下接頭拉伸斷口的SEM形貌

Figure 9. SEM morphology of tensile fracture of joints under different scan amplitudes: (a, d) at low magnification;(b, e) at medium magnification and (c, f) at high magnification

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。