Microstructure and mechanical properties of CuCrZr/316LN laser welding joints
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摘要: 对CuCrZr与316LN异种材料合金管进行激光焊试验，观察分析试样的接头形貌、微观组织、化学成分以及力学性能分析. 结果表明，在激光功率1 100 ~ 1 400 W、离焦量 + 20 mm、焊接速度14.5 mm/s和氩气流量15 L/min时焊缝成形良好，可实现CuCrZr/316LN合金管的全位置焊接，焊缝内部缺陷较少，但随着激光功率的增加，焊缝下塌现象明显；CuCrZr/316LN焊缝与母材连接界面元素过渡明显，由于Fe，Cu互溶，在焊缝内部主要以形状不同的富Fe的Fe/Cu固溶体存在；CuCrZr/316LN合金管激光焊接接头抗拉强度较高，主要断裂位置为晶粒粗大的铜侧热影响区位置，断裂形式以韧性断裂为主.Abstract: In this paper, the laser butt welding experiment of CuCrZr and 316LN dissimilar material alloy tube was carried out, and the joint morphology, microstructure, chemical composition and mechanical properties of each sample were observed and analyzed. The experimental results show that the weld is in good shape under the laser power of 1100 − 1400 W, the defocus amount of + 20 mm, the welding speed of 14.5 mm/s and shielded by Ar gas of 15 L/min, which can realize all-position welding of CuCrZr/316LN tube with less internal defects. However, the phenomenon of weld collapse is obvious with the increase of welding power. The transition of the interface elements between the CuCrZr/316LN weld and the base metal is obvious, and there is mainly Fe-rich Fe/Cu solid solution in the weld due to the mutual solubility of Fe and Cu. The tensile strength of the laser welded joint of CuCrZr/316LN tube is higher, the main fracture location is the heat affected zone of copper with coarse grain, the fracture form is mainly ductile fracture.
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Keywords:
- CuCrZr /
- 316LN stainless steel /
- laser welding /
- interface microstructure /
- mechanical properties
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0. 序言
高能同步辐射光源(high energy photon source， HEPS)是国家重大科技基础设施建设“十三五”规划确定建设的10个重大科技基础设施之一， 是基础科学和工程科学等领域原创性、突破性创新研究的重要支撑平台. 真空系统是高能同步辐射光源的基础工程，束流只有在真空环境中运行，才能保持足够的寿命，并且不断地被积累和加速，达到设计的能量和流强，并提供高亮度的同步辐射光. HEPS采用CuCrZr材料作为储存环真空盒的主要材料，316LN不锈钢作为真空盒法兰材料，空间紧张区域两种材料合金管需要对接焊[1-2]，为保证焊接后真空盒的性能，CuCrZr与316LN材料的焊接性能的研究极为重要.
国内外学者按照不同的工作要求对不同焊接方式下CuCrZr与316LN同种或者异种材料焊接接头的组织与性能进行研究[3-10]，但是针对激光焊具体工艺参数对焊缝性能的影响研究较少. 激光焊作为高能束焊接的一种，束流的功率密度高，焊缝深宽比大，工件产生的变形小[11-18]，适合316LN这类高熔点金属管件的焊接.
为研究异种材料激光焊工艺参数对接头微观组织结构和力学性能的影响，文中对CuCrZr与316LN合金管进行了激光对焊试验，采用光学显微镜与扫描电子显微镜、室温力学试验机对试样的接头形貌、微观组织及化学成分和力学性能进行观察与分析，从而为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.
1. 试验方法
选用的试验材料为外径24 mm、内径22 mm的CuCrZr和316LN不锈钢合金管件，其化学成分如表1和表2所示.
表 1 316LN不锈钢的化学成分(质量分数，%)Table 1. Chemical compositions of 316LN stainless steelC Si Mn P S Ni Cr Mo N C + N Fe ≤0.03 ≤0.75 ≤2.00 ≤0.03 ≤0.02 10.00 ~ 14.00 16.00 ~ 18.50 0.12 ~ 0.17 0.12 ~ 0.17 ≤0.15 余量 表 2 CuCrZr的化学成分(质量分数，%)Table 2. Chemical compositions of CuCrZrAl Mg Zr Cr Fe Si P 杂质 Cu 0.10 ~ 0.25 0.10 ~ 0.25 0.65 0.65 0.05 0.05 0.01 0.2 余量 对接焊试验前，需要对CuCrZr/316LN异种材料管件端口进行处理，首先采用砂纸将管件焊接面的内壁与外壁打磨去除氧化膜，再采用丙酮擦拭整个对接口去除油脂. 将准备好的CuCrZr管件与316LN管件分别装夹到夹具上，装夹时保证对焊管件的同心度一致. 为防止焊缝高温氧化，焊接过程中采用99.9%氩气进行保护. 激光焊时，首先采用激光功率1200 W、焊接时间0.4 s进行点焊，从而形成两点点固. 然后分别采用激光功率1 000，1 100，1 200，1 300 ，1 400 W进行CuCrZr/316LN异种材料合金管环焊缝焊接，其余焊接工艺参数如表3所示.
表 3 焊接工艺参数Table 3. Welding process parameters离焦量△f /mm 转速n/(mm·min−1) 氩气流量Q/(L·min−1) 激光偏移量δ/mm 焊接速度v/(mm·min−1) + 20 300 15 0 870 将焊好的管件切割成尺寸为8 mm × 5 mm的金相试样，随后对镶嵌后的试样采用80 ~ 5000号砂纸逐级打磨，然后用金刚石抛光剂进行机械抛光. 将CuCrZr/316LN焊接试样放置于腐蚀剂(3 g FeCl3 + 2 mLHCl + 96 mL乙醇)中对观察面进行化学浸蚀，腐蚀时间约15 s. 使用奥林巴斯GX71型光学显微镜观察不同偏束距离下焊缝的横截面形貌；使用Quanta 200FEG场发射扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)对试样焊缝进行微观形貌观察，并采用X射线衍射仪(X-Ray diffraction, XRD)和能谱分析(energy dispersive spectrometer, EDS)进行接头界面物相的鉴定分析. 按照GB/T 228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》采用岛津AGXplus 250 kN 型电子万能试验机对焊接接头进行拉伸试验，并对断口进行SEM分析. 拉伸试验时拉伸速率为0.5 mm/min.
2. 试验结果与分析
2.1 焊缝成形情况
当激光功率为1 000 W时，CuCrZr/316LN异种材料合金管的正面焊缝金属的熔化量极少，背面呈现出未熔透的现象，正、背面均无飞溅. 当激光功率为1 100 W时，CuCrZr/316LN异种材料合金管正面焊缝成形均匀美观，且无表面飞溅，但内部存在一定量的飞溅，主要原因为激光冲击使部分熔化金属下落，形成飞溅残留在管内部. 背部的焊缝成形较好，呈现适度熔透状态，背部余高较小. 当激光功率为1 200 W时，CuCrZr/316LN异种材料合金管正面焊缝成形均匀，金属熔化量明显增大，正面焊缝表面出现了一定下塌，无表面飞溅出现；背面焊缝余高增大，飞溅量较小，焊缝整体成形较好. 当激光功率为1 300 W时，CuCrZr/316LN异种材料合金管对接接头焊缝成形与激光功率1200 W时差别不大，但是焊缝的背部飞溅明显增多，主要是因为激光功率上升导致金属熔化量增大，从焊缝背面脱落形成的飞溅量增大. 当激光功率进一步增大至1 400 W时，CuCrZr/316LN异种材料合金管对接接头正面焊缝已经呈现部分的熔透焊穿现象，背面焊缝的余高存在变化且出现了焊穿现象，主要是因为此时的激光功率过高，由于热积累的作用导致其余高会逐渐增大至焊穿.
图1为CuCrZr/316LN激光焊接头横截面形貌.从图1可以看出，随着激光功率的增加，CuCrZr母材的熔化量增加，这使得焊缝中的CuCrZr含量增加. 当激光功率高于1 100 W时，焊缝内部无气孔、裂纹等缺陷，焊缝成形良好，焊缝上表面出现略微下塌现象，这是由于焊接过程中受熔池金属重力作用，焊接金属管内无外力支撑焊缝而产生的焊缝典型形貌.
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图 1 CuCrZr/316LN管件焊缝横截面形貌Figure 1. Weld cross section morphology of CuCrZr/316LN pipe. (a) 1 000 W; (b) 1 100 W; (c) 1 200 W; (d) 1 300 W; (e) 1400 W2.2 微观组织
图2为激光功率1200 W时CuCrZr/316LN管件激光焊接头的微观组织形貌. 由于激光束对焊缝的热作用，在铜母材靠近焊缝处出现约150 μm厚的铜热影响区，如图2a和图2b所示. 该区域晶粒较母材相对粗大，在实际应用中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-Fe二元合金相图[19]，Cu，Fe互溶在焊缝中会以固溶体形式存在，如图2c所示. 焊缝中心组织主要以针状、块状固溶体形式存在，具体固溶体中元素含量将采用EDS元素分析进一步确定. 图2d为钢侧靠近焊缝熔合线附近微观组织形貌. 焊缝熔合线边缘组织均匀，靠近钢侧焊缝组织主要为针状固溶体分布.
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图 2 CuCrZr/316LN接头的微观组织Figure 2. Microstructure of CuCrZr/316LN welded joint. (a) weld at CuCrZr side; (b) copper side base metal; (c) weld center; (d) weld at 316LN side为进一步分析焊缝与母材连接界面处的元素分布，采用扫描电子显微镜配合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分析，如图3所示. 焊缝与母材连接界面过渡明显，但在焊缝近CuCrZr基体位置发现有裂纹出现，裂纹出现位置为元素过渡区，主要由于Fe/Cu固溶体尺寸与CuCrZr基体晶粒尺寸不同造成的，如图3a所示. 依据EDS元素分布分析结果，由焊缝到CuCrZr母材Fe，Cr，Cu元素过渡均匀，元素扩散层厚度约20 μm. 而由316LN不锈钢母材到焊缝方向的元素扩散结果显示，由316LN不锈钢基体向焊缝有Fe，Cr元素含量降低的趋势，但相对均匀，Cu元素出现明显的元素含量升高现象. 在CuCrZr/316LN管件焊接时，316LN不锈钢侧发生熔化，少量Cu向其中过渡，生成富Fe的Fe/Cu固溶体，保留在焊缝内部.
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图 3 焊缝线扫描位置和结果Figure 3. Line scanning position and results of weld. (a) line scanning position of weld at CuCrZr side; (b) line scanning results of weld at CuCrZr side; (c) line scanning position of weld at 316LN side; (d) line scanning results of weld at 316LN side从EDS线扫描结果发现，由焊缝向CuCrZr，316LN不锈钢侧的元素扩散较为明显，同时在焊缝内部Fe元素含量较高. 图4和表4分别为激光功率1200 W时焊缝能谱分析位置和结果. 从图4和表4可知，不同形貌的固溶体内元素分布基本相同，均为Fe元素含量较高的富Fe的Fe/Cu固溶体，这与EDS线扫描预测结果一致.
表 4 焊缝成分分析结果(原子分数，%)Table 4. Analysis results of weld compositions位置 Fe Cr Cu Ni Zr P1 50.25 22.37 20.67 6.06 0.65 P2 52.51 20.65 20.26 5.30 1.28 P3 54.13 21.26 18.14 4.86 1.61 2.3 力学性能
为探究激光功率对CuCrZr/316LN异种接头力学性能的影响，对不同激光功率下CuCrZr/316LN激光焊接头进行抗拉强度测试. 图5为不同激光功率下CuCrZr/316LN激光焊接头的抗拉强度. 当激光功率为1 300 W时，焊接接头的抗拉强度最高，可达318 MPa，屈服强度可达289 MPa；当激光功率为1 400 W时，焊接接头的抗拉强度因热输入过高稍有降低为302 MPa，屈服强度255 MPa. 而其它组焊接接头的抗拉强度和屈服强度分别可达到250和200 MPa左右，略低于CuCrZr基体强度，这是由于在焊接过程中，CuCrZr基体靠近焊缝位置受激光热源热作用产生组织增长形成热影响区，致使该位置为焊接过程的薄弱环节.
不同激光功率下CuCrZr/316LN激光焊接头的断裂位置均位于CuCrZr侧热影响区，主要由于该区域晶粒尺寸粗大而形成焊接接头的薄弱环节所致. 图6为CuCrZr/316LN激光焊接头的拉伸断口SEM形貌. 从图6可知，其断口内存在大量韧性断裂的韧窝形貌.
3. 结论
(1) 采用激光焊可实现CuCrZr/316LN合金管的全位置焊接，当激光功率1000 W时，会出现未焊透现象；当激光功率1100 ~ 1400 W时，焊缝成形良好，内部缺陷较少.
(2) CuCrZr/316LN焊缝与母材连接界面元素过渡明显，由于Fe，Cu互溶，在焊缝内部主要以形状不同的富Fe的Fe/Cu固溶体存在.
(3) 当激光功率为1 300 W时，CuCrZr/316LN焊接接头的抗拉强度最高，可达318 MPa，屈服强度可达289 MPa；不同激光功率下CuCrZr/316LN激光焊接头的断裂位置均位于CuCrZr侧热影响区，断裂形式以韧性断裂为主.
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图 1 CuCrZr/316LN管件焊缝横截面形貌
Figure 1. Weld cross section morphology of CuCrZr/316LN pipe. (a) 1 000 W; (b) 1 100 W; (c) 1 200 W; (d) 1 300 W; (e) 1400 W
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图 2 CuCrZr/316LN接头的微观组织
Figure 2. Microstructure of CuCrZr/316LN welded joint. (a) weld at CuCrZr side; (b) copper side base metal; (c) weld center; (d) weld at 316LN side
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图 3 焊缝线扫描位置和结果
Figure 3. Line scanning position and results of weld. (a) line scanning position of weld at CuCrZr side; (b) line scanning results of weld at CuCrZr side; (c) line scanning position of weld at 316LN side; (d) line scanning results of weld at 316LN side
表 1 316LN不锈钢的化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of 316LN stainless steel
C Si Mn P S Ni Cr Mo N C + N Fe ≤0.03 ≤0.75 ≤2.00 ≤0.03 ≤0.02 10.00 ~ 14.00 16.00 ~ 18.50 0.12 ~ 0.17 0.12 ~ 0.17 ≤0.15 余量 
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表 2 CuCrZr的化学成分(质量分数，%)
Table 2 Chemical compositions of CuCrZr
Al Mg Zr Cr Fe Si P 杂质 Cu 0.10 ~ 0.25 0.10 ~ 0.25 0.65 0.65 0.05 0.05 0.01 0.2 余量
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表 3 焊接工艺参数
Table 3 Welding process parameters
离焦量△f /mm 转速n/(mm·min−1) 氩气流量Q/(L·min−1) 激光偏移量δ/mm 焊接速度v/(mm·min−1) + 20 300 15 0 870
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表 4 焊缝成分分析结果(原子分数，%)
Table 4 Analysis results of weld compositions
位置 Fe Cr Cu Ni Zr P1 50.25 22.37 20.67 6.06 0.65 P2 52.51 20.65 20.26 5.30 1.28 P3 54.13 21.26 18.14 4.86 1.61
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