摘要
低密度铌合金与铌铪合金由于物理性能差异性较大，采用常规电子束方法焊接时，易产生焊接缺陷。为进一步探究低密度铌合金与铌铪合金焊接的可行性，通过数值模拟与工艺试验两种方法对其焊接接头的性能进行了系统研究。首先建立了异种材料有限元模型，对接头的温度场规律进行了分析；然后，采用真空电子束焊接的方法进行试验研究，从宏观形貌、力学性能、微观组织及元素分布等方面分析了接头性能。结果表明：采用电子束偏置铌铪侧焊接的方式，可获得无裂纹、无气孔，具有良好拉伸强度的低密度铌合金与铌铪合金接头。
航天技术的发展要求发动机具有更高的推质比和比冲，这就需要所用材料既有较高的使用温度又具有更低的密度，且易于与其他部件连接。低密度Nb-Ti-Al系合金具有密度低、中温强度高、冷热加工性能优异、价格低等优点，成为引人关注的一类新型铌合金，是未来航天航空领域高温结构件的重要候选材料。目前，我国液体火箭发动机的推力室身部普遍采用同种材料的常规铌合金，如铌铪合金的短身部与延伸段，然后利用电子束焊将两者连接起
目前，国内外学者对难熔合金材料焊接做了大量的研究：白
从以上研究可以看出，虽然国内外学者的研究已经取得了不少成果，但是尚未有低密度铌合金与铌铪合金焊接方面的报道。为此，本文在前人研究成果基础上，针对低密度铌合金/铌铪合金异种材料，建立了有限元模型，对其焊接接头的温度场规律进行分析，获得最佳焊接偏移量及工艺参数；然后采用真空电子束焊接试板，检测分析焊接接头的宏观形貌、力学性能、微观组织及元素分布，为异种难熔合金的焊接实际应用提供理论依据和参考。
试验用材料为低密度铌合金Nb-Ti-Al、铌铪合金NbHf10-1，厚度为1.5 mm，焊接形式为平板对接，不添加中间层材料和焊接材料。低密度铌合金Nb-Ti-Al、铌铪合金NbHf10-1材料的主要化学成分如表
（a） 低密度铌合金
（b） 铌铪合金
图1 试验材料金相组织
Fig.1 Microstructure of test material
试验所用的焊机为从法国TECHMETA公司引进的MEDARD43型脉冲电子束焊机，该焊机最大功率为6 kW，加速电压为20～60 kV连续可调，束流强度为0～100 mA连续可调，枪室的真空度可达1
对待焊试件对接面及周围区域采用机械清理的方法，即焊前将待焊接端面用20
试件放入真空室，当真空度达到5×1
电子束焊接是一个热源高度集中的作用过程，运用有限元方法模拟焊接的温度场分布，有助于研究电子束的热作用过程。
热源模型选为适用于薄板电子束焊接的旋转抛面体热源模型，其模型如
| (1) |
式中，Ze为抛物线的纵向坐标最大值；Zi为抛物线的纵向坐标最小值；re为热源半径；ηUI为电子束有效功率输入；r0为热源任意截面半径；H为热源高度。
图2 热源模型
Fig.2 Heat source model
对所建立的有限元模型进行可靠性评价，目前普遍采用熔合线形貌对比的方法进行验证。该方法认为，模拟所得焊缝形貌与试验吻合良好，一定程度上可证明有限元计算的正确性。
图3 焊接接头模拟/试验熔池形貌
Fig.3 Simulation/ experimental weld pool profile of the joint
经模拟分析，获得t = 3 s时电子束流作用中心横截面、熔池前端横截面（距束流中心4 mm）和熔池后端横截面（距束流中心4 mm）不同位置的温度分布，如
图4 焊缝区域不同位置的温度分布
Fig.4 Temperature distribution in different position of weld zone
当电子束流的偏移量不合适时，焊接接头中极易存在焊缝熔合不良等缺陷，降低焊接性
焊接接头的横截面形貌如
图5 低密度铌合金与铌铪合金焊缝示意图
Fig.5 Welding diagram of low density niobium/ NbHf10-1 alloy
图6 偏移量对低密度铌合金与铌铪合金焊缝熔宽的影响
Fig.6 Effect of offset on weld pool width of low density niobium/ NbHf10-1 alloy
（a） -0.2 mm焊缝正面成形
（b） -0.2 mm焊缝背面成形
（c） 0 mm焊缝正面成形
（d） 0 mm焊缝背面成形
（e） 0.2 mm焊缝正面成形
（f） 0.2 mm焊缝背面成形
（g） 0.5 mm焊缝正面成形
（h） 0.5 mm焊缝背面成形
图7 不同偏移量时焊接接头表面成形
Fig.7 Welding beam surface of different displacement
对12根最佳偏移量下的焊接试样进行室温拉伸测试，并进行拉伸断口分析，判断接头的断裂部位、断裂性质及特征。焊接接头平均抗拉强度达到453 MPa，抗拉强度大于铌铪合金基体抗拉强度，断裂发生于铌合金基材上，有一定的颈缩，断口呈现暗灰色。
图8 焊接接头断口形貌
Fig.8 Fracture surface of the joint
（a） 低密度铌/铌铪合金焊缝
（b） 低密度铌合金侧焊缝
（c） 焊缝中心
（d） 铌铪合金侧焊缝
图9 接头微观组织
Fig.9 Microstructures of the joint
为进一步分析焊缝中各金属元素含量的变化，对整个焊缝进行了线扫描，结果如
图10 试件EDS线扫描元素分布
Fig.10 EDS line scan results of the joint
（1）接头横截面温度场均呈明显的非对称性，这是因为低密度铌合金侧焊接热量的累积更为明显，而铌铪合金侧导热系数大，作用区域更广，再加上低密度铌合金的熔点比铌铪合金的熔点低，会导致焊缝向低密度铌合金侧的偏移。
（2）采用真空电子束焊接方法，当电子束偏向铌铪合金侧约0.2 mm时，低密度铌合金与铌铪合金具有较好的焊接性能。焊缝微观组织均匀，力学性能优良，焊缝满足GJB1718A—2005 I级要求。
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