铜-钢电子束焊接材料的疲劳特性_陈雨.pdf

异种金属焊接构件的疲劳性能对于航天器的服役可靠性具有重要影响。探索了 铜合金和 不锈钢异种金属焊接接头的疲劳寿命和疲劳断裂机制，采用合理的电子束焊接工艺制备得到铜钢复合板。利用金相显微镜表征和分析焊缝处的组织与成分，使用电子拉伸试验机和疲劳试验机对焊接接头进行力学性能测试，利用扫描电镜观察不同周次断裂下的疲劳断口。结果显示：两种金属整体冶金结合情况良好，但是钢侧局部熔合区面积较大且由钢基体伸入到焊缝中；铜钢电子束焊接接头的拉伸试样均断裂于焊缝最小截面处，疲劳试样的平均疲劳极限值为 ，且均起裂于焊缝最小截面处；高周疲劳试样在焊缝上表面端点处观察到单一裂纹源，低周疲劳试样观察到较多裂纹源分布于焊缝上下表面及内部，两者的最终断裂区均位于铜合金基体。可见在疲劳断裂过程中，焊接试样在高周和低周断裂下的裂纹源数量存在差异，但是裂纹均易萌生于焊缝最小截面处，且向铜合金基体进行扩展。关键词：铜钢复合板；电子束焊接；焊缝；疲劳性能；断裂机制 ：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，材料工程 年月 ：；随着我国载人航天、登月计划以及火星探测等项目的相继实施，对航天器长期在轨工作的要求越发严苛，航天器的可靠性成为当下我国航天领域的重要研究课题。异种金属焊接结构为航天器中最为常见的结构之一，其焊接接头处的疲劳性能成为影响航天器寿命的关键。航天器所使用的铜钢复合材料中，铜侧为 铜合金，该合金在保持了纯铜优异导电性的同时，具有较高的强度和硬度，同时还具备良好的塑性成形性，良好的焊接性和切削性。钢侧材料为 铁素体奥氏体型双相不锈钢，该不锈钢具有高强度，良好的耐氧化性和焊接性。电子束焊接是指依靠高速电子束的撞击，使焊接部位熔化并形成焊缝的焊接方法。该方法在焊接两种不同材料时，由于焊接过程中的热循环时间短，所以减少了由于热膨胀系数等性能的差异而产生裂纹的可能性，极大增加了接头处的力学性能。此外，采用电子束焊接方法的焊接变形小，焊缝深度比大，焊接质量高，且焊接规范有着较宽的调节范围。对于异种金属电子束焊接结构，桑桑研究了 电子束焊接的焊缝组织与断裂特征；郭顺等通过有限元温度场模拟分析得到了 电子束焊接过程中的相结构变化与原子扩散情况；江畅研究了异种钛合金电子束焊接的具体工艺以及静态力学性能，观察并分析了拉伸断口特征；等 通过添加中间层提高了 不锈钢电子束焊接的断裂强度；郭绍庆等 通过富 非增强中间层改善了铝基复合材料的电子束焊接工艺；等 研究了低合金钢镍基高温合金异种金属焊缝在焊后热处理过程中组织以及微观力学性能的演变。整体而言，目前国内外对于异种金属电子束焊接结构的研究主要局限于焊接工艺、焊接组织以及静态力学性能 ，对于其在交变载荷下的力学行为和断裂机制研究很少。本工作采用合理电子束焊接工艺加工铜钢试板，通过焊缝处的组织与成分的表征评定材料冶金质量，并且对焊接试样的拉伸性能和疲劳性能进行测试，得到了焊接试样在室温条件的平均疲劳强度，通过对疲劳断口形貌的观察，分析了该焊接结构在不同断裂周次下疲劳断裂机制。进一步归纳出异种金属电子束焊接材料疲劳断裂的一般规律。实验材料及方法 焊接材料按航天器结构，加工铜钢电子束焊接试板，并进行电子束焊接实验。铜侧材料为 铜合金，钢侧材料为 不锈钢，两种合金的成分分别如 表和 表所 示。试 板 厚 度 为 不 等 厚 对 接，铜合金厚度为，不锈钢厚度为，焊接试板对接厚度如图所示。按照工艺流程进行试板焊接实验，选取最佳工艺参数，获得成形和内部质量良好的铜钢电子束焊接试板，具体工艺参数如下：束流 为 ，焊接速度为 ，加速电压为 ，工作距离为 。表 铜合金的化学成分（质量分数）（）表 的化学成分（质量分数）（）拉伸性能实验参照国标 中的板状试样，将焊图铜钢电子束焊焊缝接头厚度示意图 接试板进行切割，加工成保留焊缝余高的拉伸试样，其中试样的厚度为母材厚度，焊缝位于试样的中间部位。图为拉伸试样规格示意图。拉伸实验使用 电子拉伸试验机。拉伸速度参照于两个实验夹头的相对运动速率，数值为 。图为断裂后的拉伸试样典型实物照片。第 卷第期铜钢电子束焊接材料的疲劳特性图铜钢电子束焊接拉伸试样示意图 图铜钢电子束焊接拉伸试样实物图 疲劳性能实验参照国标 中不去除余高的对接接头试样（号试样），将焊接试板加工为保留焊缝余高的疲劳试样，试样厚度与焊缝位置与拉伸试样相同。图为疲劳试样规格示意图。图铜钢电子束焊接疲劳试样示意图 疲劳实验使用 高频疲劳试验机。实验过程按照国标 进行。本工作选取的循环载荷应力比为，疲劳循环基数为，即当试样所承受的循环载荷超过 周次时，认为试样在该循环载荷作用下不会发生断裂。所有实验的加载频率均在 。本工作完成了 组疲劳实验，其中 组在较低应力下进行，用以完成升降图的绘制和平均疲劳极限的计算；另外 组在较高应力下进行。根据实验结果绘制曲线。图为断裂前后疲劳试样典型实物照片。图铜钢电子束焊接疲劳试样实物图（）断裂前；（）断裂后 （）；（）结果与讨论 焊缝组织观察制备铜钢异种金属焊接接头金相试样，图为焊缝处的宏观形貌，可以看出焊缝上表面呈 字形，焊缝下表面较为平直。在焊接过程中，由于铜合金的熔点较低且厚度较大，导致其在熔化过程中的含量较多，对钢侧基体产生了包裹。图为钢基体焊缝界面组织，整体来说，钢侧焊接熔合区的面积较小，但是存在局部熔合区面积较大且由钢基体伸入到焊缝中的现象。拉伸与疲劳测试分析拉伸实验表明铜钢电子束焊接试样的平均抗拉强度为 ，且所有试样均断裂于焊缝最小截面处，该截面对应于焊缝上部 型表面的底部。造成以上结果主要有两个原因，一是焊缝处整体强度相对于基体偏低，二是由于此处的厚度为焊缝区域的最小值，所以导致此处为整个焊接结构的薄弱区域。疲劳材料工程 年月图铜钢电子束焊焊缝宏观形貌 试样大部分断裂于焊缝处，局部区域断裂于铜基体，由此可见焊缝处的结合强度与铜基体强度为影响疲劳断裂的主要因素。表为低应力疲劳实验结果，为该组疲劳实验中所施加的最大应力，为疲劳断裂周次。图为据此实验结果绘制的升降图。根据 计算得到铜钢电子束焊接试样的平均疲劳极限为 。在置信度为 时，不同存活率下的条件疲劳极限如表所示。所有应力值均以铜合金基体的横截面积为基准。高应力疲劳实验结果见表，结合所得到的平均疲劳极限值，绘制出铜钢电子束焊接试样的曲图铜钢电子束焊钢基体焊缝界面组织 表铜钢电子束焊接试样低应力疲劳实验结果 图铜钢电子束焊接疲劳试样升降图 表不同存活率下铜钢电子束焊疲劳试样的疲劳极限 表铜钢电子束焊接试样高应力疲劳实验结果 线，如图所示。将高应力下的应力循环周次关系进行线性拟合，可以得到：当最大应力 时，最大应力 与疲劳断裂周次近似有如下关系：.（）疲劳断裂机制分析选取几个典型疲劳断口进行扫描电镜观察，发现第 卷第期铜钢电子束焊接材料的疲劳特性图铜钢电子束焊疲劳试样曲线图 裂纹基本上都起源于焊缝最小截面处。裂纹源数量与应力的关系如表所示。当应力低于 时，试样发生较高周次的疲劳断裂。此时疲劳过程中萌生裂纹源数量较少，均出现在焊缝上表面的边缘附近。当应力在 左右时，只出现一个裂纹源，该裂纹源位于焊缝上表面的端点处。当应力高于 时，试样萌生较多数量裂纹源，且在焊缝上下表面及焊缝内部区域均有出现。不同应力下裂纹源的位置如图 所示，其中黄色截面为焊缝最小截面。由此可见，随着应力的增加，裂纹的萌生截面没有发生改变，均位于焊缝最小截面处，但是裂纹源数目在增加，裂纹萌生位置也由焊缝上表面的端点位置扩散到焊缝上下表面及内部。表铜钢电子束焊接疲劳试样在不同应力下的裂纹源数量 （）（）（）（）（）图 不同应力下铜钢电子束焊接疲劳试样裂纹源位置示意图（）；（）；（）（）；（）；（）分别选取典型的高周断裂试样（号试样）和低周断裂试样（号试样）进行扫描断口分析，其中图 为高周断裂试样扫描断口图。在较低应力作用下，试样在焊缝最小截面图（）所示位置发生起裂（图（），裂纹扩展方向如图中箭头所示（图（）。断口中部存在水平方向的疲劳条纹，其扩展方向为竖直向上（图（）。在断口上部观察到典型的解理断裂形貌（图（），说明该区域为最终断裂区。图 为该断裂试样的侧面宏观形貌，解理断口状形貌位于最右边，可以看出最终断裂区位于铜合金基体中。图 为低周断裂试样断口扫描图，试样起裂截面同样为焊缝最小截面，起裂位置为焊缝上下表面，并且存在多处裂纹源，裂纹均由试样表面向内部扩展，裂纹源位置如图（）。在焊缝表面萌生的裂纹在垂直断口方向有扩展趋势，其方向由焊缝指向铜合金基体（图（），（）。焊缝下表面疲劳裂纹间距随着裂纹扩展逐渐增大，这是由于裂纹前端在扩展过程中逐渐由焊缝位置转移到铜合金基体位置，而铜合金的延展性较好，在一个疲劳循环载荷作用下疲劳条纹运动的远。断口内部存在少数裂纹源（图（）。断口中部为光滑平台，该区域为最终断裂区（图（）。图 为高周和低周疲劳断裂机制分析，其中左侧材料工程 年月图 铜钢电子束焊接高周断裂试样疲劳断口扫描图（）裂纹源；（）裂纹源附近扩展区；（）断口中部裂纹扩展区；（）断口上部瞬断区 （）；（）；（）；（）图 铜钢电子束焊接高周断裂试样断口宏观形貌 面为焊缝上表面，右侧面为焊缝下表面。在较低应力作用下，试样发生高周断裂，裂纹在焊缝最小截面萌生，其位置及扩展方向如图（）所示，最终在铜合金基体中发生断裂。在较高应力作用下，试样发生低周断裂，裂纹同样在焊缝最小截面处萌生，其位置遍布焊缝上下表面。同时在内部也存在少量裂纹源，这些裂纹源一般位于夹杂物或者气孔处。与较低应力作用下的断裂情况相同，裂纹向铜合金基体扩展并最终在铜合金基体处发生瞬时断裂（图（）。综合而言，无论是在较低还是较高应力作用下，裂纹均易在焊缝最小截面处萌生，这与拉伸实验中得到的该处为薄弱区域的结论相对应。不同的是，较低应力作用下试样只有一个裂纹源且出现在焊缝上表面的端点处，由于焊缝上表面相对于下表面粗糙度较高，所以这里是试样应力集中最为严重的区域，在扫描图片中并未明显观察到由于焊接缺陷导致的裂纹源，所以基本可以确定该裂纹源是由应力集中导致的。而较高应力作用下裂纹源在整条焊缝表面均有出现，且有少量裂纹源出现在试样内部的缺陷处。这可能与裂纹尖端强度因子幅度有关，当应力较小时，试样中存在裂纹的值普遍较小，由于应力集中，只有焊缝上表面端点处裂纹的值高于疲劳门槛值，因此只有该处萌生的疲劳裂纹才能顺利扩展。同理，在较高应力作用下，较多数量的焊缝表面裂纹与内部缺陷处裂纹的值高于疲劳门槛值，因此可以在焊缝表面和内部观察到较多裂纹源。相对于低周疲劳断裂而言，高周疲劳裂纹扩展区的面积较大，最后断裂区的面积较小。这是因为随着疲劳裂纹的扩展，材料的有效承载截面面积在减小，在承载能力相同的情况下，高周疲劳的施加载荷较低，发生最终断裂时的有效承载截面面积就越小。两种断裂情况下，裂纹均会从焊缝位置向铜合金基体扩展，并且均在铜合金基体处发生最终断裂，这可能与两种金属基体的相对强度有第 卷第期铜钢电子束焊接材料的疲劳特性图 铜钢电子束焊接低周断裂试样疲劳断口扫描图（）焊缝上表面；（）焊缝下表面；（）内部裂纹源；（）断口中部瞬断区 （）；（）；（）；（）图 两种不同类型的疲劳断裂机制分析（）高周断裂机制；（）低周断裂机制 （）；（）关，对于异种金属焊接，裂纹会向强度较低的金属基体进行扩展。结论（）对于铜钢电子束焊接试板，焊缝上表面呈 字形，下表面较为平直。钢侧焊接熔合区面积较小，但是存在局部熔合区面积较大且由钢基体伸入到焊缝中的现象。（）当实验频率为 ，应力比为，疲劳循环基数为 时，铜钢电子束焊接试样的平均疲劳极限为 ；当应力大于疲劳极限时，最大材料工程 年月应力与疲劳断裂周次近似有如下关系：.（）焊缝与铜基体处的强度为影响该焊接材料疲劳性能的主要因素。无论在何种应力情况下，试样均起裂于焊缝最小截面处。当应力小于 时，裂纹源数目较少且集中在焊缝上表面的边缘；当应力增大到 时，裂纹源数目显著增加且由焊缝上表面端点发散到焊缝上下表面及焊缝内部。不论在何种应力状态下，裂纹均由焊缝处向铜基体扩展。由此得到不等厚异种金属电子束焊接疲劳断裂的一般规律：裂纹容易在焊缝最小截面处（特别是焊缝上表面的端点处）萌生，在疲劳过程中有向异种金属中强度较低的金属基体扩展的倾向。参考文献刘岩，姚宇，周桂申 航空航天用异种金属焊接接头性能和数值模拟研究 热加工工艺，（）：，（）：谢美蓉，张益坤，王炜，等 航天产品异种金属电子束焊接研究与应用航天制造技术，（）：，（）：马继山，孟宪国，于海平，等 铜合金动态力学性能研究火箭推进，（）：，（）：王强松，黄国兴，娄花芬，等 铜合金的组织和性能材料热处理学报，（）：，（）：袁傲明，任学平固溶时效对 双相不锈钢组织的影响材料导报，（增刊）：，（）：曹征宽，朱斌，张全新 双相不锈钢不同温度时效脆化倾向研究 失效分析与预防，（）：，（）：桑桑 异种金属电子束焊接研究上海：上海工程技术大学，：，郭顺，罗添元，彭勇，等 异种金属电子束焊接界面行为焊接学报，（）：，（）：江畅 异种钛合金电子束焊接工艺及组织性能研究南昌：南昌航空大学，：，：郭绍庆，袁鸿，谷卫华，等 电子束焊接工艺研究材料工程，（）：，（）：，（）：，：孙浈，杨涛，俞照辉，等 异种金属焊接接头的显微组织与力学性能研究精密成形工程，（）：，（）：孟凡刚，王严，谢吉林，等高熵合金中间层对 电子束焊接头组织及性能影响精密成形工程，（）：，（）：王勇，王敬 异种金属 熔钎焊接头的显微组织及力学性能金属热处理，（）：，（）：，第 卷第期铜钢电子束焊接材料的疲劳特性 ，：，（）：陈新红 铜合金 和 不 锈 钢 的 电 子 束 焊 接火箭推进，（）：，（）：王少刚，王蕾异种金属焊接接头金相试样的制备实验室研究与探索，（）：，（）：李嘉骞，沈海军 复合材料层合板疲劳寿命形状参数与门槛值分析方法国防科技大学学报，（）：，（）：基金项目：西安市科技创新计划（）收稿日期：；修订日期：通讯作者：张权明（），男，高级工程师，博士，研究方向为材料检测技术，联系地址：西安航天发动机有限公司（），：（本文责编：解宏）