铜-钢电子束焊接材料的疲劳特性

刘凤龙

摘要：在空间飞行器中，异种金属焊缝结构的疲劳损伤是制约其安全可靠运行的关键因素之一。在此基础上，研究不同类型的铜/不锈钢异种金属焊缝的疲劳性能及失效机理。采用 SEM对焊缝微观结构及化学组成进行表征，采用 ELSD、 ELSD等方法测定焊缝的机械强度，采用 SEM对焊缝在不同循环条件下的裂纹形态及裂纹形态进行研究。试样在疲劳破坏时，高周与低周破坏时，其裂纹来源数目不同，但都容易从最细横断面开始，并逐渐向铜基体内蔓延。

关键词：铜-钢复合板材；电子束焊；焊缝；疲劳特性；破坏机理

前言

伴随着我国载人航天，登月计划，火星探索等工程的开展，人们对航天器在轨道上的长时间运行的需求越来越高，因此，航天器的可靠性问题也就成了我国航天事业中的一个重大问题。在空间飞行器中，异种金属连接件是一种常用的连接方式，其连接件的疲劳特性对空间飞行器的使用寿命至关重要。用于航天飞行器的铜-钢复合结构，其铜面采用高强度、高硬度的铜基合金，既保留了铜基优良的导电性能，又兼具优良的可成形性、可焊接性、可切削性。钢面采用的是一种由铁素体-奥氏形变组成的复相不锈钢，其性能优异，抗氧化性能优良，可焊。

1试验对象和试验方法

1.1焊料

根据空间飞行器的具体构造，制作了铜-钢电子束焊缝的样品，并对其进行了试验研究。铜面采用的是1Cr21Ni5Ti不锈钢，其表面采用的是 QCr0.8合金。研究了不同厚度的样品，分别采用2.4毫米和2.4毫米的 QCr0.8铜合金和1.7毫米的1Cr21Ni5Ti不锈钢。遵照工艺流程，展开对试板焊接的试验，从中选择出最佳的工艺参数，从而得到成型并具有良好的内部质量的铜钢电子束焊接试板。其工艺参数具体包括：束流为39~42 mA，焊接速度为500 mm/min，加速电压为60 kV，工作距离为300 mm。

1.2抗张强度试验

以国家标准 GB/T 2651-2008中的板状试件为参考，对焊接试件进行切削，并将其处理为保持焊缝余高的拉伸试件，其中，试件的厚度为母材的厚度，而焊缝在试件的中部。

采用INSTRON5500 R的电子抗张测试仪进行抗张试验。以两个试验卡盘的相对移动率为参考，该值为2毫米/分钟[1]。

1.3材料的疲劳性试验

参考国家标准 GB/T13816-1992中未除去余高的对接接头样品（2号样品），将焊接样品处理成保持了焊缝余高的疲劳样品，样品的厚度和焊缝的位置与拉伸样品一样。

采用GPS200型高频疲劳试验装置进行了疲劳试验。试验方法根据 GB/T13816—1992国家标准进行。这项工作选择了一个周期负荷与应力比率为0.1，一个周期负荷为10，也就是说，如果一个试样经受了107个周期以上的负荷，那么这个周期负荷就不会损坏。试验采用100-120赫兹载荷。本文通过对25次试验，包括15次在低应力状态下的试验，得到了该试验的升程曲线，并求出了该试验的平均疲劳极限；在更高的压力下再对10个组作 SV图，由试验结果得到 SV图。

2研究成果及探讨

2.1焊接微观结构的观测

在此基础上，通过对铜-钢异种合金的焊接接头进行了实验研究，得到了一种新的、具有“T”型特征的、比较平坦的、具有一定厚度的、高强度、高强度和高强度的焊接接头。在焊接时，因其具有很高的熔点和很厚的特点，使其在熔融时有大量的杂质进入到钢侧基体内。总体上看，熔合区区域很少，但有一种区域很大，从钢板母材一直延伸到焊缝内。

2.2抗张和抗疲劳试验的研究

试验结果显示，铜-钢电子束焊件的平均抗拉强度可达224.43 MPa，并且全部在焊件的最短断面上出现了裂纹，裂纹位置与焊件的 U形断面相一致。产生上述现象的原因有两点，一是焊缝处的整体强度与基体相比较差，二是因为这里的厚度是焊缝区的最小值，因此这里是整个焊接结构的薄弱部位。结果表明，在焊接部位发生了大量的裂纹，而在焊接部位发生了裂纹，这说明焊接部位的粘接和焊接部位的裂纹对裂纹扩展有很大的作用。在进行了小应变下的疲劳试验后，最大应变值即为试验中最大应变值[3]。用 N表示材料的疲劳破坏周次；按照 GB/T 24176-2009的理论分析，得出了该合金在不同温度、不同载荷下，其疲劳寿命的平均值为48.04 MPa。各应力量都是基于铜基材料的截面积而得到的。

2.3对材料的疲劳破坏机理研究

选取了一些有代表性的断裂部位进行 SEM分析，结果表明，这些断裂部位基本都是在焊接接头的最小断面上产生的。在65 MPa以下，材料出现高周期的疲劳破坏。结果表明，在焊接接头中，产生的裂纹数目很小，且主要集中在焊接接头的端部。在约50 MPa的情况下，在焊接接头上表面仅有一个裂口，裂口集中在焊接接头上表面末端。在80 MPa以上的压力作用下，焊接接头产生了大量的裂痕，这些裂痕主要分布在焊接接头的上部和下部以及焊接接头的内侧。当应力增大时，裂纹的起动断面不变，都在焊接最小断面上，而裂纹的起动部位却在增多，并且裂纹的起动部位也从焊接的上表面的末端向焊接的上下表面和内部蔓延。

结果表明，在不同的加载条件下，焊接接头的最小横断面上容易产生裂缝，与试验结果一致，认为焊接接头的最小横断面上的裂缝很容易产生。区别在于，在较低应力作用下，试样仅有一个裂缝源，并发生在焊缝上表面的末端，因为焊缝上表面与下表面相比，粗糙度更高，因此，此处是试样应力集中最大的区域，在扫描照片中，并没有显著地观测到因焊接缺陷造成的裂缝源，因此，基本可以确定，该裂缝源是由应力集中造成的。而在高应力条件下，整个焊接接头都能找到裂源区，只有少数裂源区位于焊接接头的内侧缺陷部位。与低周疲劳破坏相比，高周疲劳破坏扩展区域更大，最终破坏区域更小。这是由于当高周疲劳应力作用于基体时，当基体承受的应力水平降低时，基体的有效应力水平降低，基体的应力水平降低，导致基体破坏。两种失效模式下，裂纹都是从焊缝点开始延伸到铜基，最后在铜基上破裂，其原因与两种失效模式下，不同类型的失效模式下，裂纹都是从焊缝点开始延伸到铜基，最后在铜基上破裂，其原因与两种失效模式下，不同类型的失效模式下，裂纹都是从焊缝点开始延伸到铜基失效模式下，最后在铜基失效模式下破裂。

3结论

(1)用铜合金做的样品，其焊道顶部是 U形的，而底部则是比较平坦的。其中，钢板一侧的熔合区域很少，但有很大的区域，并且有从钢板母材一直延伸到焊缝内的趋势。

(2)铜-钢电子束焊件在试验频率100-120赫兹、应力率0.1和1X10的基础上，得到了48-04 MPa的平均疲劳强度；在超过疲劳极限的情况下，最大应力与裂纹的周次逼近之间存在着以下的联系：

(3)这种焊条的疲劳特性最大的原因是焊条与铜母材之间的结合强度。在不同的受力状态下，裂纹都是从焊接接头的最小断面开始的。而在65 MPa以下，则出现了少量的裂源点，并主要分布在焊接端面的边缘部位；在80 MPa以上的压力下，裂源数明显增多，并从焊接接头的顶点向焊接接头的底面和底面以及焊接接头的内侧扩展。无论在什么样的受力条件下，裂纹都是从焊缝开始延伸到铜的母材。因此，本项目提出了非均匀厚度的非均匀异种金属焊接接头的疲劳破坏共性规则，并将其发展为非均匀厚度的非均匀焊接接头。

参考文献

[1]马继山，孟宪国，于海平，等，QCr0.8 铜合金动态力学性能研究[J]，火箭推进,2016,42(6);57-61.

[2]王强松，黄国兴，娄花芬,等.QCr0.8铜合金的组织和性能[J材料热处理学报，2012,33(5);95-100.