D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1982.01.005 北京钢铁学院学报 1982年第1期 GH132合金电子束焊接裂纹的研究 北京钢铁学院高温教研室王敬智 湖南株州三三一厂焊接室张辉伦 摘 要 本文研究GH132合金电子束焊接裂纹的产生原因，以及与热影响区裂纹有关 的高温晶界相 一、概 述 也子東焊接是六十年代开始发极起来的高能焊接技术。这种方法的优点是焊接变形小， 速度快，生产周期短，控制方便而准确，容易实现自动化。这种焊接常用于原了能工业、航 空工业和宇航工业。 电子束焊接原理是根据电子加速到100干伏能深入铁的表面30微米的性质。如将加速电 子的能量增加到1000倍，即金属表面的单位面积能量（能量密度）超过105瓦/厘米时金属立 即溶化，这就是电子束的纵深穿透焊接。 电子束焊机的结构如图1所示。国外对电子束焊接设备使用的可整性，对电子枪的正确 设计，结构的合理性、合轴性、各种规范参数的稳 定性都进行了大量研究工作。 国内对电子束焊接工艺也有新的进展，它逐步 应用于一般材料和零件的成批生产，也应用于大厚 度产品及大型结构的焊接。 电子束焊的焊接工艺之不同于氩弧焊等离子 焊，主要是它们的焊接能量互不相同。氩弧焊能量 密度约为10瓦/厘米2、等离子焊约为10°瓦/厘 C3内)克地 米2、电子束焊约为107瓦/厘米2。正因为能量密度 不同，所以它们的焊缝宽深比也不同。等离子焊焊 光梁派虎 缝宽深比约为1：1，而电子束焊的宽深比可达1：10 电a始流 热转规雪 (见图2)。因电子束焊能量过分集中，所以热影 响区（以下简写HAZ)的晶界快速熔化，同样亦 以快速冷却，晶界来不及“愈合”，在拘束条件下 小增不宋 容易形成开裂或裂纹。-一年多来，我们对H△？的1 织和形成裂纹的原因已作了进一步的研究，现综述 如下。 图1电子束焊机的结构 43
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 合金电子束焊接裂纹的研究 北 京钢铁 学院 高温 教研 室 王敬 智 湖南株 州三 三 一 厂 焊接 室 张 辉伦 要 本 文研 究 合 金 电子 束 焊接 裂 纹 的产 生 原 因 ， 以及 与 热影 响区裂 纹有关 的 高温 晶界相 概 电子 束焊接 是 六十年代 开 始发 展 起 来 的 高能 焊接 技 术 。 这种 方法 优点 是焊接 变形 小 ， 速 度 快 ， 生产 周 期 短 ， 控 制方 便而 准确 ， 容 易实现 自动化 。 这 种焊接 常用 于 原 子 能 工 业 、 航 空工业 和 宇航 工业 。 电子 束焊接 原 理是根 据 电子加 速 到 干伏能 深入 铁 的表面 微米 的性 质 。 如将加 速 电 子 的能 量增加 到 倍 ， 即 金属 表而 的单位面 积 能 量 能 量 密度 超 过 “ 瓦 厘 米时 金属 立 即熔 化 ， 这 就是 电子 束 的纵深穿 透焊 接 。 电子 束焊机 的 结构如 图 所示 。 国外对 电子 束焊接 设备使 用 的可 靠性 ， 对 电子枪 的正 确 设 计 ， 结 构 的合 理性 、 合 轴性 、 各种规 范参数 的稳 定性 都进 行 了大 量研究 工作 。 国内对 电子 束焊接工 艺也 有新 的进 展 ， 它逐 步 应 用 于一 般 材料和零件 的成 批 生产 ， 也应 用 于大厚 度 产 况 及 大型 结 构 的焊 接 。 电子 束焊 的 焊 接工 艺之 不 同于 氨弧焊 等 离子 焊 ， 主要 是 它们 的焊 接能 量互 不 相 同 。 氢弧焊 能 量 密度 约 为 ‘ 瓦 厘 米 、 等离子焊 约 为 。 瓦 厘 米 、 电子 束焊 约为 瓦 厘 米 “ 。 正 因为能 量 密度 不 同 ， 所 以 它们 的焊缝宽 深 比 也 不 同 。 等 离子焊焊 ， 缝 宽深 比 约 为 而 电子 束焊 的宽 深 比可 达 见 图 。 因 电子 束焊能 量 过分 集中 ， 所 以 热影 响 区 以下 简写 的 晶界 快速熔化 ， 同样亦 以 快速 冷却 ， 晶界来 不 及 “ 愈合 ” ， 在拘 束 条件下 容 易形 成 开裂 或裂 纹 。 一 年多来 ， 我们对 的组 织和形 成裂纹 的原 因 已作 了进一 步 的 研究 ， 现练 述 如下 。 图 电子 束 焊 机 的结构 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．01．005
等痛弹 图2左上电子束焊焊缝形状 左下等离子焊焊缝形状 1:1右：等离子焊与电子束焊 心海束早 比较 二、捍接试验 三三一厂用电子束焊和等离子焊焊接GH132合金，并将两种焊接件进行比较，发现电 子束焊件容易形成裂纹，同时在HAZ晶界形成新相。因此，需要对焊缝组织进行深入研 究。首先在垂直于焊道横视剖面的金相样品上观察到以下几种情况。 1.无显微裂纹 焊接时，严格控制焊接参数电压、电流以及尖的焦点，采取较慢的焊接速度，显微裂纹 大大降低甚至消除。（如图3）。 图3容合区与热彩响区没有显微裂纹 图4靠近熔合区晶界出现白亮 ×200 相与显微裂纹×125 2.晶界变粗或晶界熔化 我们观察到近熔化区的热影响区晶界上有 粗而宽的白完条，数量很多，其中有的与熔合 区相连，仪乎是从熔合区伸向热影响区的品 界，这些祖品界和白亮相可能是焊接过程中过 热或晶间熔化近成的（图4）。 3.显微裂纹 :HA乙品界可以见到连续的或间断的显 微裂纹，它从熔合区向热彩响区延伸儿个晶粒 的边界，最长的可穿过十几个晶界（图5）。 图5晶界出现微裂纹 ×100 电子束焊接过程中常形成微裂纹和高温晶间相，这些微裂纹和高温晶间相引起试样的力 44
图 左上 电子束 焊焊缝 形状 左 下 等离子 焊 焊缝 形 状 ， 右 等离子 焊与 电 子 束 焊 比较 二 、 焊接试验 三三一厂 用 电子 束焊和 等 离子焊焊接 合 金 ， 并将 两种焊接件进 行 比较 ， 发 现 电 子束焊件容 易形成裂 纹 ， 同时在 晶界形成 新相 。 因此 ， 需要对焊缝 组织进 行 深入研 究 。 首先在垂直于 焊道横视剖面 的 金相样品 上观察 到 以下 几种情 况 。 无 显微裂 纹 焊接时 ， 严格控 制焊接参数 电压 、 电流 以及尖 的焦点 ， 采取 较慢的焊接速 度 ， 显微裂纹 大大 降低 甚 至 消除 。 如 图 。 图 熔合 区与 热影 响 区没 有显微裂纹 图 亦近 熔合 区 晶界 出现 白亮 相 与显微裂纹 晶界变粗 或晶界熔 化 我 们 观 察到 近熔化 区 的热影 响区 晶 界 上 有 粗而 宽的 自亮 条 ， 数 量很 多 ， 其 中有的 与熔合 区 相 连 ， 似 一 于是从 熔 合 区 伸 向 热影 响 区 的 品 界 ， 这 些 祖 品 界和 白亮 相可 能 是焊 接 过程 中过 热 或 品 间熔 化造成 的 图 。 显 微裂 纹 在 洁界 一 叮以 见 到 连 续 的 或 间断 的显 微 裂 纹 ， ‘ 已从 熔 合 区 向热影 响区 延 伸儿个品粒 的边界 ， 最 长 的可 穿过十几 个 晶界 图 。 图 晶界 出现微裂纹 电子 束焊接 过程 中常形成 微裂纹和 高温 晶间相 ， 这 些 微裂 纹 和高温 晶间相 引起 试样 的力
学性能数掘有很大的波动。但是等离子焊接试样没有形成微裂纹，因而试样的力学性能也较 稳定。现把电子束焊和等离子焊的试样所作过的部分数掘列在表1。 表1 各种焊接试样力学性能比较 性能 20℃公斤/毫米2 650℃ 公斤/毫米2 650℃ 20℃ak 焊接 / 00.2 8% 00.2 8% 公斤/毫米2 公斤一米 术焊 102.3 63.4 29.2 82.2 24.8 >105小时 10 100.1 73.4 27.2 78.2 24.4 >105小时 103 25.2 75 15 >100小时 99 27.0 76.7 25.9 >100小时 102 74.1 25.6 81 32 >100小时 108.1 73.6 28.8 81.5 29.2 >100小时 106.9 27 83.1 21.2 >100 105.2 25.6 79.7 26.5 >110 102 74.1 25.6 75.2 46 >110 等离子焊 93.3 64.6 22.7 81 56.7 13.8 >100 9.50 90.6 63.7 21.3 78.5 56.4 20.1 >109 9.95 93.3 64.1 23.3 77.8 59.3 16.3 >110 10.15 98.2 67.3 24 80.3 60.7 15 >100 12.05 94.5 66 21.3 78.5 57.6 18.7 >100 11.5 94.5 64.4 23.3 85.4 65.7 15.7 >105 11.07 91.3 63.2 20 79.4 57.5 23.1 >109 12.30 94.9 67 21.3 82.2 60.7 17.8 130:30 8.53 95.5 67.3 32.6 82.4 61.3 13 129:25 11.25 92 63.7 29.3 82.2 61.8 19.2 134:17 9.42 94.8 63.5 21.7 84 57.2 19.8 133:12 11.10 99.5 70 24 72.6 55.8 10 92:57 10.82 96.6 68.5 25 74.5 58 10 132:47 11.35 100 66.5 23.3· 73.9 59.2 11.4 134:10 8.97 99.2 68.3 23.6 139:30 10.80 电子束焊 94.8 78 12.5 76.1 59.8 6.3 63:28 7.92 66.3 2.8 78.2 58.2 11.3 37:08 5.42 82.3 70.2 6.0 67 60.2 2.8 124:16 12.8 0 96.7 73.7 11.3 72.3 51.3 6.0 61: 6 87.5 73.5 9.0 59.7 55.6 3.8 123:43 5.92 n 97 79.2 11 124:10 4.83 107.2 83 24 12.5 108 82.7 24.5 9.3 98.8 71.3 27.5 10.8 101 75.8 24.8 7.24
学性能数据 有很 大 的波动 。 但 是 等离子焊接试 样没有形 成微裂纹 ， 因而 试 样 的力学性能 也较 稳定 。 现 把 电子 束焊和等离子焊 的试 样所 作过 的部分数据 列 在表 。 表 各种焊接试 样力学性能 比较 性 能 ℃ 公斤 毫米 “ ℃ 焊 接 公斤 毫米 “ 。 。 …、 ℃ ‘ ℃ 公斤 毫米 忿 公斤一 米 匕﹃︸月甘几舀勺曰甘，，才脚氏甘曰了，自 日牙 … 八曰自只口，叼，月曰几目上引门﹄叼，尸‘︸厂‘户‘且‘‘ 几上二二，‘， … … 小 小 时 日 · ………… 卜 寸 小 口寸 小 寸 小时 自︶任匕只一一月︺，︵才了往 … … 曰勺白曰巧‘自乙︸︸任上 匀﹄任一︸八‘匕口卜八甘内工月﹄八“ 曰︺门口了一口廿曰卜工己任八︺月 己上，工 一 巧洲 … 口 佗 各 未焊 山八八 ︻几任了八了月 廿 自只八目门了︶ … ‘ … 二只匀﹄八工卜从八﹄工 八八︻一﹄门八一﹄月‘了 八丹 … ‘ … ‘山乙白口心曰︺自一，白曰︸ 廿︻︸匀八厅匀二一自了了︸任八﹃月 等 离子焊 ，丹八了 … 自一︸乙，︼几 自代几任 电子 束焊 、 ， 白︼，几九 … 八叶」 口一尸内匀工一 ︵︶口︺ … 行曰了内 勺八︶一曰︹。了 尹 ﹄︼‘ ﹄一 ‘白自 片性任月了 斤氏自月了才 … 行尸己叮六了‘ 曰， …… ……
表1注：持久试验按下列条件进行，即在应力40/毫米2经100小时不断，再增加2公斤/毫米2 经过5小时，依次递增至断裂。650℃±4°示意式为 绵交恭爵0+侣+行+想++四 5… 从表1可以得出以下几点： 1.无论是等离子焊或电子束焊的试样，其σ。都比原材料的σ要低，而电子束焊试样 的0比等离子焊的又低。 2.从力学性能稳定性来看，等离子焊的试样性能数据比较稳定，电子束焊的试样数据 波动较大。 3.电子束的试样ak值比等离子焊的ax值又低又分散。 4.电子束焊接的试样持久强度都低于标准材料的强度。 三、电子束焊接试样断口分析 室温拉伸试样的断裂部位为熔合线机，断口多为柱状晶，有部分断口带有基体金属，在 基体金属的晶断中可以明显看到沿品断裂和穿晶断裂两种情况（图6~11）。 图6gb=96.78=11.25%g。.2=73.7 图7gb=66.30=2.75 断裂主要为穿晶断裂×100 断裂主要为沿晶断裂 图8热彰响区的沿晶裂纹×125 图9热影响区裂纹向基体金属扩展 ×400 6
表 注 持 久试 验按 下 列条件进行 ， 即 在应 力 毫米 ， 经 。 。 小 时不 断 ， 再 增加 公 斤 毫米 全 经 过 小 时 ， 依 次递 增 至 断裂 。 ℃ 士 。 示 意式为 应 力选择 持久小 时 一 一百 一 一 ‘ 一 二 一 ， · 匕 匕 … 松一 村 从 表 可 以 得 出 以下 几 点 无 论是等离子焊或 电子 束焊 的试 样 ， 其 。 都 比原材料 的 。 要低 ， 而 电子 束焊试样 的 。 。 比 等离子焊的 又低 。 从 力学性能 稳定性 来看 ， 等 离子 焊 的试样性能 数据 比较稳定 ， 电子 束焊的试 样数据 波动较大 。 电子 束的试 样 值 比 等离子焊 的 、 值又低 又 分 散 。 电子 束焊 接 的试 样持久强度都低 于 标 准材料 的强度 。 三 、 电子束焊接 试样 断 口 分 析 室温拉伸试 样的 断裂 部位 为熔 合线机 ， 断 口 多为柱状 晶 ， 有部分断 口 带 有 基体 金属 ， 在 毯体 金属 的 品断 中可 以 明显看到 沿 晶断裂 和 穿 晶断裂 两种 情 况 图
》 图10垂直于拉应力方向的沿晶裂纹扩展 图11垂直拉应力方向的沿晶裂纹互相连接 到2~3个晶粒×125 ×100 650℃高温拉伸试样的断裂部位亦为熔合线处，并带有部分基休品粒（见图12,13）。 从断口金相照片中见到为穿晶断裂。 5 图12高温拉伸断口主要为穿晶断裂 图13高温拉伸裂口，亦是穿晶断裂 ×100 ×100 650℃0b=78.28=11.25% 650℃0b=59.76=3.75% 图14高温拉伸试样中的热影响区裂纹 图15高温拉伸试样中的结合线裂纹 ×100 ×100 47
图 垂 直 于 拉应 力方 向的沿 晶裂 纹扩展 到 个 晶粒 图 垂 直 拉应 力方 向的沿 晶裂纹 互 相连接 少 ℃ 高温 拉伸试 样 的断裂 部位 亦 为熔 合线处 ， 并带 有部分 摧体 尸粒 见 图 ， 。 从 断 口 金 相照 片 中见 到 为穿 晶断裂 。 图 高温 拉伸断 口 主 要为穿 晶断裂 图 高温 拉伸裂 口 ， 亦是 穿 晶断裂 、 ℃ 。 八 图 高温 拉伸试 样 中的 热影 响区裂纹 图 高温 拉伸试 样 中的结合 线裂纹