Ta/Ni/Mo異種薄板激光熔釬焊正交試驗探究

（南昌航空大學 焊接工程系，南昌 330036）

在應用于國防工業(yè)的零部件中，行波管是一種功率放大器件，作用于微波和納米波，在通信衛(wèi)星、數(shù)字無線電、衛(wèi)星的毫米波轉發(fā)器及電子對抗、雷達和電子監(jiān)視和其他領域中都具有極其重要的作用[1—2]。鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎳(Ni)是 3種特殊的難熔金屬，熔點較一般金屬高，耐腐蝕性也比較強，化學性質較為穩(wěn)定，密度小等，是其不同于其他金屬的共同特點，具有重要的戰(zhàn)略價值，在化工、原子能、航空等行業(yè)應用廣泛，特別是在熱交換器、電容器、行波管、耐高溫制品中有所應用[3—6]。特殊的工作環(huán)境要求，需要使用相對大量的難熔金屬材料。如果采用傳統(tǒng)的電阻焊方法，會使得焊接過程非常困難，然而隨著近些年激光技術的發(fā)展，在毫米波和微波放大器中，激光焊接技術開始嶄露頭角。在各種焊接熱源中，激光有其獨有優(yōu)勢：加熱時面積較小、單位密度能量大、可以精準地控制熱量的輸入和加熱的時間，因此激光焊接成為連接難熔金屬不可或缺的手段[7—11]。相關研究表明，行波管電子槍陰極相關組件在焊接受熱較高時，接頭易失效，這是行波管失效的主要形式，因此急需改善行波管電子槍陰極組件的相關焊接工藝。Ta,Mo作為現(xiàn)行行波管電子槍陰極組件生產(chǎn)制造中主要使用的難熔金屬材料，兩者之間存在很大的物理化學性質差異，使Ta/Mo的焊接成為了難點[12—13]。目前國內外Ta/Mo異種金屬焊接的相關實例很少，因此，Ta/Mo之間的激光熔釬焊接研究具有實際意義。

1 實驗

1.1 材料

實驗研究 Ta/Ni/Mo薄板異種金屬激光熔釬焊，鉭為0.2 mm厚的退火態(tài)純鉭，鉬為0.4 mm厚的軋制態(tài)純鉬。退火態(tài)純鉭的主要成分見表1。Ta的熔點比較高，在高溫下強度高，耐腐蝕性良好，蒸汽壓比較低，在電真空等工業(yè)領域應用廣泛。

Mo為工業(yè)純鉬，是一種具有高熔點金屬材料，因其較為稀有、價值高、高溫強度好、抗腐蝕性好，被廣泛用于化工、能源、國防領域，且由于熱導率高、熱膨脹系數(shù)小，在電子行業(yè)也應用廣泛，特別是作為電真空器件陰極材料。其主要成分見表2。

Ni的特點是熔點比較高，耐腐蝕、機械性能好，在熱、冷狀態(tài)下都有好的壓力加工性，易除氣，是電真空器件中重要的結構材料之一，其成分見表3。

表1 退火態(tài)純鉭的化學成分（質量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of as-annealed pure Ta (mass fraction) %

表2 工業(yè)純鉬的化學成分（質量分數(shù)）Tab.2 Chemical composition of pure indusfria Mo (mass fraction) %

表3 Ni絲的化學成分（質量分數(shù)）Tab.3 Chemical composition of Ni wire (mass fraction) %

1.2 方法

實驗采用意大利SISMA公司生產(chǎn)的SL-08型Nd：YAG脈沖激光焊機，激光焊機平均功率為80 W，激光功率百分比、脈沖寬度、光斑直徑和激光頻率可調節(jié)。實驗中要求鉭和鉬厚度均為 0.2 mm，實驗準備的鉬薄板初始厚度為0.4 mm左右，必須進行相應處理使其厚度相同，否則將會出現(xiàn)錯邊等焊接缺陷。定量配置180 mL濃HF（質量分數(shù)為98%）和濃HNO3（質量分數(shù)為98%）溶液（濃HF和濃HNO3比例為1∶3）放入200 mL燒杯中，每次取20 mL混合溶液于100 mL燒杯，將準備的待腐蝕鉬薄板放入燒杯中進行腐蝕，每次定時約45 s，取出鉬薄板后用游標卡尺測量鉬板厚度，隨后采用1000#砂紙打磨鉬板，使之厚度為0.2 mm。焊接形式為平薄板對接，同時填充過渡層金屬Ni絲，如圖1所示。將試樣母材加工成25 mm×15 mm×0.2 mm的焊接試片，填充材料為直徑為0.3 mm的Ni絲。焊接前必須對鉭、鉬母材進行表面去氧化膜處理，焊接時，采用自制的玻璃保護罩通入惰性氣體氬氣，采用向上排空氣法，氣體流量控制在 10～15 L/min之間，焊接速度為 0.3 mm/s。

實驗利用三因素三水平（見表4）的正交方法找出激光焊接過程的最佳工藝參數(shù)。在正式焊接之前，首先進行預實驗確定焊接參數(shù)范圍，焊接功率在19.2～20.8 W范圍內，焊接能夠順利進行；當激光功率小于該范圍，焊縫不能順利連接，焊接失??；當激光功率大于該范圍，母材瞬間熔化，焊縫焊穿。同理，確定了脈沖寬度范圍為4.5～5.5 ms；激光頻率范圍為3.5～4.5 Hz。根據(jù)實驗過程，在焊接速度和光斑直徑相同的情況下，改變其他的3個主要參數(shù)——激光功率P(W)、脈沖寬度T(ms)和激光頻率f(Hz)，得到正交試驗設計方案，見表5。

圖1 對接接頭示意Fig.1 Butt joint experiment setup

表4 正交試驗因素水平Tab.4 Orthogonal factor level

表5 正交試驗組合Tab.5 Orthogonal test group

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果及分析

正交試驗結果見表6。可知當焊接功率為19.2 W 時，由于激光功率過小，焊縫背面出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象，導致在切割拉伸試樣時，拉伸試樣出現(xiàn)直接斷裂的現(xiàn)象，因此功率為19.2 W的試樣無強度。由此可以得知，當激光功率為19.2 W時，焊縫力學性能差，不能作為焊接參數(shù)。表6中的K1, K2, K3行數(shù)值分別為激光功率、脈沖寬度、激光頻率這3種因素在同一水平下抗拉強度之和；M1, M2, M3行數(shù)值分別為激光功率、脈沖寬度、激光頻率這3種因素在同一水平下平均抗拉強度。如 K1行激光功率因素列對應的0是在1水平下(P=19.2 W)的3個抗拉強度數(shù)值之和，而3個1水平的抗拉強度均為0（1#, 2#, 3#試驗），即0=0+0+0；K1行的脈沖寬度因素列對應的308是脈沖寬度在1水平下的3個抗拉強度數(shù)值之和，而脈沖寬度因素的3個1水平對應的抗拉強度分別為0, 143, 165 MPa（1#, 4#, 7#試驗），即308=0+143+165；K1行的脈沖頻率因素列對應的266是電極壓力在1水平下的3個抗拉強度數(shù)值之和，而脈沖頻率的3個1水平的抗拉強度分別為 0, 223, 230 MPa（1#, 6#, 8#試驗），即439=0+223+216；同理可求得K2和K3行的數(shù)值。在 M1行中激光功率因素列對應的數(shù)值為 0，代表激光功率在1水平(P=19.2 W)時的平均抗拉強度為0；在M1行中脈沖寬度因素列對應的的數(shù)值為103，代表脈沖寬度在1水平(T=4.5 ms)時的平均抗拉強度103 MPa；在M1行中激光頻率因素列對應的數(shù)值為146，代表激光頻率在1水平(f=3.5 Hz)時的平均抗拉強度為146 MPa；同理可知M2和M3行數(shù)值對應的因素水平。通過正交試驗可得到正交優(yōu)化結果，抗拉強度排序：A3B3C2＞A2B3C1＞A3B2C1＞A2B2C3＞A3B1C3＞A2B1C2，由此可得最優(yōu)工藝參數(shù)為A3B3C2，即激光功率為20.8 W，脈沖寬度為5.5 ms，脈沖頻率為4.0 Hz。通過表6中極差（某一因素最大值減去最小值）分析得出R1＞R2＞R3。可以得出因素主次排序為激光功率＞脈沖寬度＞激光頻率（極差分析就是在考慮某一因素時，認為其他因素對結果的影響是均衡的，從而認為，這一因素各水平的差異是由于本身引起的，所以各列對試驗指標的影響從大到小的排序，就是各列極差R的數(shù)值從大到小的排序）。下面從焊縫成形、金相組織以及硬度分析對最佳工藝參數(shù)的結論進行驗證。

表6 正交試驗結果分析Tab.6 Analysis of orthogonal test results

2.2 焊縫成形分析驗證

由于激光頻率對焊縫成形的影響非常小，所以在焊接試驗時確定頻率為4.0 Hz。脈沖寬度為5 ms時，不同激光功率下焊接的焊縫成形形貌見圖2，上方為正面成形形貌，下方為反面成形形貌?？梢钥闯?，激光功率為19.2 W時，由于焊接熱輸入較低，焊縫成形不連續(xù)，焊縫反面成形不均勻，出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象。隨著激光功率增加至20.0 W，熱輸入也隨之增加，焊縫熔寬明顯增大，焊縫表面較為連續(xù)，可看到清晰的魚鱗紋，焊縫背面寬度均勻。當激光功率為 20.8 W時，正反面成形均良好。激光功率為20.8 W時，不同脈沖寬度下焊接的焊縫正反面的成形形貌見圖3?？芍敽缚p激光功率達到20.8 W時，焊縫正面均成形良好，焊縫正面成形變化不大。但是，當脈沖寬度T變大時，激光占空比增大，焊接熱輸入隨之增大，焊縫背面熔寬呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。從圖3c和圖3f可知，當脈沖寬度為5.5 ms時，焊縫的熱輸入增大，背面焊縫寬度穩(wěn)定，焊縫正反面成形最好。

觀察焊縫成形形貌可以得出，激光功率與脈沖寬度對焊縫成形有顯著影響。在選定工藝參數(shù)范圍內，激光功率越大焊縫越容易焊透且連續(xù)，同時隨著脈沖寬度增大，焊縫熔寬也隨之相對增大。在激光功率為20.8 W、脈沖寬度為5.5 ms、脈沖頻率為4.0 Hz情況下，焊縫成形相對最好，與正交試驗所得結論一致。

2.3 焊接接頭橫截面形貌分析驗證

對不同參數(shù)下 Ta/Ni/Mo激光熔釬焊焊縫的微觀組織分析，從而對正交試驗所得結論進行驗證。激光功率分別為20.0 W和20.8 W情況下對應的焊縫橫截面形貌見圖4a、圖4b。當激光功率為20.0 W時，焊縫處成形較差；激光功率為20.8 W時，焊縫焊透且成形良好。當激光功率變大時，焊縫熱輸入同時變大，兩側母材熔化部分也同時變大，導致熔寬變大，同時根據(jù)激光焊接小孔熔深機制，隨著熱輸入增大，焊縫熔深也相應變大。即激光功率增大時，熔寬熔深將會同時增大，因而，在激光功率為20.8 W時，焊縫成形較好，因此，接下來對激光功率為20.8 W時不同脈寬下的金相組織進行分析。

圖2 不同激光功率下焊縫正反面成形形貌(T=5 ms)Fig.2 The shape of weld front and back under different laser power (T=5 ms)

圖3 不同脈沖寬度下焊縫正反面成形形貌(P=20.8 W)Fig.3 Shape of weld front and back under different pulse width (P=20.8 W)

圖4 不同激光功率下的焊縫橫截面(T=5.5 ms)Fig.4 Cross-section of weld under different laser power (T=5.5 ms)

激光功率為20.8 W，脈沖寬度分別為4.5, 5, 5.5 ms時對應的焊縫橫截面形貌見圖5a、圖5b、圖5c?？梢钥闯?，熔寬為4.5 ms時，焊縫出現(xiàn)未焊透缺陷；當脈沖寬度增加到5 ms時，可看到焊縫成形良好，熔深顯著增大；當脈沖寬度增加至5.5 ms時，可以看到焊縫飽滿，熔深相應變大。此外，由圖3可知，3組微觀形貌中焊縫熔寬并未產(chǎn)生明顯增加。這是因為隨著脈沖寬度的增加，激光占空比增大，雖然能量更為集中，但是增加的溫度并未加劇母材明顯熔化，因此，脈沖寬度的增大能顯著增大焊縫熔深，而對熔寬影響不大。且在焊接過程中，熱影響區(qū)的晶粒都呈現(xiàn)不同程度的長大現(xiàn)象。綜上，在激光功率為20.8 W、脈沖寬度為5.5 ms時焊縫成形較好。最后，對在由正交試驗得出的最佳工藝參數(shù)下焊接形成的典型接頭焊縫中心區(qū)的顯微組織形貌進行分析（見圖 6），發(fā)現(xiàn)焊縫中心區(qū)出現(xiàn)了針狀共晶組織。

對熔合區(qū)附近顯微組織形貌進行分析（見圖7）。由圖7a、圖7b可看出明顯Ta/Ni、Mo/Ni界面線，熔合線處存在垂直于熔合線的針狀晶粒。而且在 Ta/Ni熔合線處，界面內熔化的Ni生成細小的短棒狀晶，這是因為Ni母材導熱系數(shù)相對較高，液態(tài)Ni發(fā)生快速冷卻過程，晶粒來不及長大。同時還發(fā)現(xiàn)界面區(qū)中的枝晶生長的方向大部分都是朝向焊縫中上側生長。

2.4 力學性能分析驗證

硬度是接頭力學性能的重要衡量指標，會對焊接接頭的強度、塑性、韌性及冷裂傾向產(chǎn)生影響。通常情況下，冷裂傾向和強度會隨著硬度的增大而增大，相反塑性和韌性下降。最后，從力學性能的角度對正交試驗結論進行驗證。

圖5 不同脈沖寬度下的焊縫橫截面(P=20.8 W)Fig.5 Cross-section of weld under different pulse width (P=20.8 W)

圖6 焊縫中心區(qū)組織形貌Fig.6 Microstructure of weld center

圖7 熔合線附近組織形貌Fig.7 Morphology of tissue around the fusion line

激光功率為20.0, 20.8 W時，不同脈沖寬度下的焊縫顯微硬度分布見圖8。可以看出，在激光功率為20.0 W時，顯微硬度分布是鉬母材＞焊縫＞鉭母材。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是焊縫未焊透，同時填充金屬Ni的強度低且未完全熔合與母材金屬形成良好的金屬間化合物，因此，導致焊縫硬度較低。而在激光功率為20.8 W時，當脈寬T＝4.5 ms時，焊縫的平均硬度為HV778.1；T=5 ms時焊縫平均硬度為HV636.9；T=5.5 ms時焊縫平均硬度為HV461.2。在該功率下，顯微硬度分布是焊縫＞鉬母材＞鉭母材。在脈寬為5.5 ms時，由于熱輸入的增高，脈寬增大，使焊縫處的晶粒發(fā)生長大現(xiàn)象，且在焊縫成形時形成的金屬間化合物較脈寬為4.5, 5.0 ms并未集中在焊縫區(qū)，使得焊縫硬度降低，但是，在最優(yōu)參數(shù)下的焊縫硬度仍然大于母材。

3 結論

采用了Nd： YAG脈沖激光器對厚度均為0.2 mm的Ta和Mo異種金屬薄板，采用0.3 mm Ni絲作為填充材料，進行了對接接頭激光熔-釬焊接。通過正交試驗確定了最大抗拉強度下的最佳焊接參數(shù)，并在焊縫成形、金相組織、力學性能方面對其進行了驗證。

1)正交試驗得出的最優(yōu)工藝參數(shù)：激光功率P為20.8 W，脈寬T為5.5 ms，脈沖頻率f為4.0 Hz。此時的抗拉強度為230 MPa，接近Ta母材的抗拉強度，焊縫正反面均成形良好。

圖8 不同脈沖寬度下焊縫顯微硬度分布Fig.8 Microhardness distribution of weld under different pulse width

2)最佳參數(shù)下焊接接頭硬度分布：焊縫區(qū)＞鉬母材＞鉭母材。平均接頭硬度為HV461.2。焊接工藝參數(shù)激光功率P對焊接接頭的硬度有一定的影響，且隨著P的增大，焊接焊縫的硬度增加。

3)在最佳參數(shù)焊接過程中，熔合線處存在垂直熔合線的針狀晶粒；因為Mo母材導熱系數(shù)相對較高，液態(tài)Ni發(fā)生快速冷卻過程，晶粒來不及長大，從而界面內熔化的Ni生成細小的短棒狀晶；界面區(qū)中的枝晶生長的方向大部分都是朝向焊縫中上側。