CuCrZr_Incone...焊接工艺与接头界面组织性能_王徐建.pdf

CuCrZr/Inconel 625 异种材质合金管激光焊接工艺与接头界面组织性能王徐建1，檀财旺2，何平1，范成磊3，郭迪舟1，董海义1(1.中国科学院高能物理研究所,北京,100049；2.哈尔滨工业大学(威海),威海,264209；3.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨,150001)摘要：对 CuCrZr 与 Inconel 625 异种材料合金管进行激光对焊试验，观察分析各组试样的接头形貌、微观组织、化学成分以及力学性能分析，试验结果表明，在 1 100 1 300 W 的激光功率，+20 mm 的离焦量以及 14.5 mm/s 的焊接速度，20 L/min 的 99.9%Ar 气保护时焊缝成形良好，可实现 Inconel 625/CuCrZr 管的全位置焊接，焊缝内部缺陷较少，但随着焊接功率的增加焊缝下塌现象明显；Inconel 625/CuCrZr 焊缝与母材连接界面元素过渡明显，由于Ni 元素，Cu 元素互溶，在焊缝内部主要以富 Ni 的 Ni/Cu 固溶体存在,在激光焊接过程中 CuCrZr 母材受激光搅拌作用，有部分铜母材被“卷入”焊缝内，待工件冷却后保留在焊缝内部；Inconel 625/CuCrZr 管激光焊接接头抗拉强度较高，晶粒粗大的 CuCrZr 的热影响区位置是主要断裂位置，断裂形式以韧性断裂为主.创新点：(1)对 CuCrZr 与 Inconel 625 异种材料合金管进行了激光焊接工艺试验.(2)分析了不同焊接参数下 CuCrZr 与 Inconel 625 异种材料合金管激光焊接接头界面组织以及力学性能，为 HEPS 加速器储存环真空盒异种材质合金管的焊接提供工艺指导以及理论依据.关键词：Inconel625；CuCrZr；异种材料合金管；激光焊接；界面组织；接头性能中图分类号：TG457.6文献标识码：Adoi：10.12073/j.hjxb.202202040020序言为进一步满足国家重大战略与基础科学研究需求，中国科学院高能物理研究所将在北京市怀柔区建设一台高性能的第四代同步辐射光源高能同步辐射光源(high energy photon source,HEPS).HEPS 是国家重大科技基础设施建设“十三五”规划优先布局的十个重大科技基础设施之一，并已于 2017 年底获得国家发展改革委对HEPS 项目建议书的批复，HEPS 正式立项。高能同步辐射光源的设计指标超过了目前世界上正在运行和建造的同步辐射装置，HEPS 建成后将成为世界上发射度最低、亮度最高的同步辐射光源，其设计亮度高于目前世界上建成运行、建设中及规划中的其他同步辐射光源设施。HEPS 能提供能量高达 300 keV 的高性能 X 射线，具备建设 90 条以上高性能光束线站 的容量。HEPS 能对微观结构从静态构成到动态演化，提供多维度、实时、原位的表征，解析物质结构生成及其演化的全周期全过程，从而推动材料科学、化学工程、能源环境、生物医学层面的科学研究，揭示微观物质结构生成演化的机制，剖析微观物质构成，为物质调控提供基础。建成后将是世界上亮度最高的同步辐射光源1-2.要实现这个建设目标，我们还需要克服一系列的技术问题，HEPS 采用 CuCrZr 材料以及 Inconel 625作为快校正磁铁内部薄壁真空盒的主要材料，为确保快校正磁铁内部真空盒焊接接口性能的稳定性，为保证激光焊接后真空盒的性能，需要对 CuCrZr与 Inconel 625 薄壁管件进行激光对接试验3-16。通过焊接试样的接头组织性能的对比分析确定焊接工艺以及焊接参数对焊缝性能的影响，以确定最优的焊接工艺，为高能同步辐射光源储存环快校正磁铁处真空盒的焊接提供理论依据。收稿日期：20220204基金项目：高能同步辐射光源国家重大科技基础设施项目(发改高技【2017】2173 号)；BEPCII 积分亮度和积分流强的提高(Y71G7110Y2).第44卷第6期2 0 2 3 年 6 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(6):35 40June 20231试验方法试验材料选用外径 24 mm，内径 22mm 的CuCrZr 以及 Inconel 625 圆形合金管件，它们的化学成分分别为表 1 和表 2 所示。通过设定不同的焊接工艺参数进行异种材料管件对焊焊接试验.异种材料 CuCrZr&Inconel 625 进行激光管件对接试验前，焊前将 CuCrZr&Inconel 625 管件装配位置采用砂纸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，需要对焊接试验端口进行去除氧化膜以及油脂处理.异种金属管材的焊接采用 IPG YLS-6000 光纤激光器配合 KUKA 焊接机器手臂构成的激光焊接系统进行全位置焊接，焊前 CuCrZr/Inconel 625 管材采用自制全位置转动夹具进行装夹.焊接过程采用氩气气氛进行保护以防止焊接过程焊缝高温氧化.试验所采用的焊接速度为 870 mm/min，夹具转速为 300 mm/min，且由于管件壁厚较薄，因此激光焊接时离焦量为+20 mm，激光偏移量为 0 mm.激光焊接时首先采用 0.4 s 的时间和 1 200 W 的激光功率进行激光点焊，形成两点点固.然后分别采用 1 000，1 100，1 200，1 300 以及 1 400 W 激光功率对 CuCrZr&Inconel 625 异种材料合金管进行环焊缝焊接.表 1 Inconel 625 化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical compositions of Inconel 625 CSiMnAlTiNiCrFeCoNb0.010.500.500.400.4058 6820 305.01.03.1 4.1 表 2 CuCrZr 化学成分(质量分数,%)Table 2 Chemical compositions of CuCrZr AlMgZrCrFeSiP杂质Cu0.1 0.250.1 0.250.650.650.050.050.010.2余量 将焊好的管件切割成尺寸为 8 mm 5 mm 的金相试样，使用 80 号到 5000 号砂纸对试样逐级进行打磨，最后使用金刚石抛光剂对试样进行抛光。直至试样表面成为无划痕、无污染、光滑的镜面后停止抛光，将焊接试样放置于王水(HClHNO3=31)中对观察面进行化学浸蚀，腐蚀时间约为 15 s。使用光学显微镜下观察不同偏束距离下试样焊缝的横截面形貌，使用扫描电子显微镜(SEM)对焊缝横截面形貌较好的试样进行焊缝微观形貌观察，并采用 X 射线衍射仪(XRD)和能谱分析(EDS)进行接头界面物相的鉴定分析。所有焊接试样接头的抗拉强度采用力学性能试验机在 0.5 mm/min 的加载速度下进行测试，并对断裂的试样进行 SEM 显微分析.2试验结果及分析 2.1 异种材料激光对焊表面成形CuCrZr/Inconel 625 异种管件对接接头横截面成形如图 1 所示，由以上 5 个焊接参数下得到的环焊缝正背面成形可看出，当激光功率为1 000 W 时，正面焊缝明显金属的熔化量极少，而背面也呈现出未熔透的现象，正背面均无飞溅，此时的激光功率偏小.当激光功率为 1 100 1 300 W 时，可以看出，3 道焊缝的正面焊缝成形皆均匀美观，且无表面飞溅，切开后发现管焊缝的内部也无明显的飞溅产生，不同于铜钢的焊接，分析主要是镍的流动性较差，形成的熔池不易脱落形成飞溅，背部的焊缝成形较好，呈现适度熔透状态，只有很小的背部余高.从而获得了较大工艺窗口内均成形良好的焊缝.而当激光功率进一步增大至 1 400 W 时，发现正面焊缝已经出现了某些区域的不稳定现象，其背面焊缝成形观察也可以发现，出现了某些区域的过度熔透乃至焊穿现象，主要由于此时的激光功率过高，热积累的作用导致.2.2 激光对焊接头焊缝截面形貌采用 DSX510 对 CuCrZr/Inconel 625 激光焊接接头进行截面形貌观察，从图 2 可以看出，随着激光焊接功率的增加，CuCrZr 母材的熔化量增加，这使得焊缝中的 Cu 元素含量增加.其中，图 2a、图 2b 以及图 2c 分别为 CuCrZr/Inconel 625 在激光功率为 1 000 W、1 100 W 以及36焊 接 学 报第44卷1 200 W 时 的 焊 缝 截 面 形 貌，由 于 CuCrZr 与Inconel 625 互溶，焊缝内部无气孔、微裂纹等缺陷，焊缝成形良好.图 2d 以及图 2e 分别为 CuCrZr/Inconel 625 在激光功率为 1 300 W 以及 1 400 W 时的焊缝截面形貌，当激光功率高于 1 300 W 时，焊缝出现下塌现象，但焊缝内部无气孔、微裂纹等缺陷产生.2.3 激光对焊焊缝微观组织分析通过对不同焊接参数下试验焊缝表面成形以及截面形貌的对比分析，1 200 W 激光功率下激光焊接接头成形质量最好，采用光学显微镜观察CuCrZr/Inconel 625 异种金属管焊缝显微组织，图 3为激光功率 1 200 W 下 Inconel 625/CuCrZr 管激光焊接接头显微形貌.熔化的 CuCrZr 与 Inconel625 互溶形成焊缝，在 CuCrZr 与焊缝的连接界面处受激光对于焊缝的热作用，在 CuCrZr 母材侧行成了约 200 m 左右厚度的热影响区，如图 3a、图 3b所示，该区域晶粒较 CuCrZr 母材相比粗大，力学性能较差，在实际应用中容易在外界载荷作用下会成为薄弱环节，影响焊接结构件的强度.根据 Cu-Ni 二元合金相图，Cu 元素，Ni 元素互溶，在焊缝中 1 cm1 cm1 cm1 cm1 cm(a)1 000 W(b)1 100 W(c)1 200 W(d)1 300 W(e)1 400 W 图 1 CuCrZr/Inconel 625 异种管件焊缝成形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 CuCrZrInconel 6251 mmCuCrZrInconel 6251 mmCuCrZrInconel 6251 mmCuCrZrInconel 6251 mmCuCrZrInconel 6251 mm(a)1 000 W(b)1 100 W(c)1 200 W(d)1 300 W(e)1 400 W 图 2 CuCrZr/Inconel 625 管件焊缝横截面形貌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第6期王徐建，等：CuCrZr/Inconel625 异种材质合金管激光焊接工艺与接头界面组织性能37会以固溶体形式存在，具体固溶体中元素含量将采用 EDS 元素分析进一步确定.如图 3c 所示.焊缝中心还可见明显的铜晶体颗粒由于激光在焊缝中的搅拌作用从 CuCrZr 母材基体脱离，“卷入”焊缝内部，在焊缝中以不同尺寸分布.图 3d 为 Inconel 625 侧靠近焊缝熔合线附近金相显微形貌，焊缝熔合线边缘组织形貌明显.依据光学显微分析发现焊缝与 CuCrZr、Inconel625 连接处出现一层以固溶体形貌存在的元素扩散层，采用 MERLIN 场发射扫描电子显微镜进一步分析焊缝与母材连接界面处的元素分布，对典型界面进行高倍形貌分析及配合 EDS 元素分析对典型界面及焊缝内部局部位置进行元素成分鉴定.焊缝形貌及元素分布，如图 4a 以及图 4c 所示，焊缝与 CuCrZr 及 Inconel 625 母材连接界面过渡明显.依据 EDS 元素分布分析结果，由焊缝到CuCrZr