文/万物知识局编辑/万物知识局前言电子束焊接是一种高功率、高能量密度的焊接方法，以其优良的焊接速度、深度和精度，被广泛应用于高强度合金和钢材等材料的焊接工艺。
在一些特殊合金材料（例如MarBN钢）的高能焊接过程中，焊接接头的完整性可能受到一定的影响。
焦点摆动技术是一种常用的焊接参数调控方法，通过调节焊接束的焦点位置进行焊接焦点的周期性移动，可以改善焊缝的质量和完整性。
通过提高蒸汽温度和汽轮机进口压力，火电厂的效率不断提高，这就要求在长期使用过程中使用具有更好的抗蠕变性和抗氧化性的材料，这不仅给材料开发带来了挑战，也给焊接技术带来了挑战。
通过控制添加硼和氮来强化的马氏体钢 (MarBN) 就是为了实现这些目标而开发的。
由于硼的添加，降低了蠕变过程中M 23 C 6析出物的粗化速率，稳定了板条马氏体显微组织。
通过这种稳定化，可以实现加速蠕变的延迟，精细分布的 MX 碳氮化物有助于进一步强化。
电子束焊接工艺连接和修复火力发电厂中使用的厚壁高温部件的最常见方法是焊接，由于焊接过程的热输入，材料的微观结构受到影响，接头的某些区域在使用条件下容易过早破裂。
最主要的失效模式（IV 型裂纹）发生在焊接接头的细晶热影响区 (FGHAZ)，然而先前对 MarBN 钢焊接接头的研究并未显示均匀 FGHAZ 的形成，从而导致蠕变断裂时间的改善。
在这项研究中，锻造 MarBN 刚 NPM1-P 采用电子束焊接 (EBW) 工艺进行连接。
通过这种焊接工艺，可以实现高焊接速度。
并且由于非常高的能量密度（〜10 7 W cm -2），可以产生具有非常薄的热影响区（HAZ）的深而窄的焊缝。
此外，不需要特殊的接头准备，并且可以在不使用任何填充材料的情况下一次连接非常厚的横截面。
由于高焊接速度需要快速凝固过程，因此在蠕变暴露过程中易于损坏的区域较小的优点抵消了熔融区域的精细微观结构。
先前对 20 毫米厚 MarBN 钢板进行的电子束焊接研究产生了无缺陷的接头，然而，50 毫米厚的 EB 焊接 MarBN 钢板的初步焊接研究表明，熔化区内经常出现热裂纹问题。
由于这些焊接缺陷的形成机制类似于热裂纹，但与热裂纹相比，它们的尺寸非常小，因此更像是微裂纹。
使用所谓的焦点摆动（FW）技术，来抑制热裂纹并提高 MarBN 钢的裂纹敏感性。
焦点摆动的特征是焊接过程中焦距的周期性变化，换句话说，焦点摆动的特点是多个焦点在光束方向上对齐，这导致光束在工件厚度上振荡。
焦点分布在同一焊池中，从而影响和修改熔池动态。
通过改变z方向的热输入，凝固和冷却条件发生局部变化，这明显影响焊缝的焊缝几何形状，从而减少热裂纹。
该程序对镍基高温合金热裂敏感性的影响，已经得到验证。
在焊接过程之前，对基材钢板（50 × 50 × 100 mm）进行热处理。
优质热处理包括在1120℃正火1小时，空冷，然后在750℃回火两次，每次3小时，然后空冷。
基材由具有 M 23 C 6和 MX 析出物的回火马氏体结构构成，这使得该材料具有良好的蠕变性能。
所有焊接实验均使用格拉茨理工大学材料科学、连接与成型研究所 (IMAT) 的 Pro-Beam EBG 45–150 K14 电子束焊接 (EBW) 设备。
这种高度创新的动力机器配备了 150 kV–45 kW 发电机，由于焊枪固定在真空室顶部，光束轴线垂直，焊缝在平焊位置（PA）进行。
初步焊接试验已经揭示了熔合区内反复出现的微裂纹问题。
为了研究焦点摆动技术对 MarBN 钢热裂纹行为的影响，在使用和不使用焦点摆动的情况下，在 NPM1 钢块 (120 × 95 × 65 mm) 上的板焊缝上制作焊道。
基于对结果的统计评估，确定了优化的参数配置。
热裂纹金相表征及评价利用焦点摆动技术对 MarBN 钢热裂纹行为的影响进行了初步研究。
在使用或不使用焦点摆动的情况下，使用优化的参数配置在 NPM1 钢块（120 × 95 × 65 mm）上进行单焊道板焊。
然后，垂直于焊接方向切割钢块，将焊缝切成两半，并根据标准金相技术进行制备，包括研磨和抛光，然后用改良的 Lichtenegger 和 Bloech 进行蚀刻。
金相准备后，使用 AxioVision 成像软件对焊接深度上四个不同位置处的热裂纹形成进行光学评估所有焊缝熔合区均发现微裂纹，并对形成的裂纹数量、累计长度和累计面积进行分析。
随后，对材料的机械性能进行了表征，并在使用和不使用焦点摆动技术的情况下产生接头焊缝。
然后在焊态 (AW) 和焊后热处理 (PWHT) 条件下对接头进行研究。
焊后热处理包括在 750 °C 下回火 3 小时，然后空冷。
实验工使用优化参数集的四种不同配置加入，为了表征焊接接头，根据 ÖRNORM EN ISO 15614-1 对钢板进行切割。
根据 EN ISO 6507-1:2016 进行维氏硬度测量，负载为 1 kg，停留时间为 15 秒。
通过在室温（20℃）下进行拉伸试验和冲击试验来评价焊接接头的力学性能，进行交叉焊缝蠕变测试是为了了解接头的使用行为。
在机械测试之前，进行染料渗透测试以记录样品表面是否存在微裂纹。
为了提高冲击测试的重要性，针对每种配置，对焊缝顶部的六个样品和焊缝根部的六个样品进行了垂直于焊接方向的加工。
对于所有冲击试样，均使用焊缝中心有 V 型缺口的标准试样尺寸 10 mm × 10 mm × 55 mm（VWT 模式）。
室温下的冲击能是根据 ISO 148-1:2017 使用带有 300 J 锤的摆锤式冲击试验机测量的。
冲击测试后，使用扫描电子显微镜（SEM）研究冲击样本的断裂表面。
根据 DIN EN ISO 6892-1，拉伸测试在室温下以 1 毫米/分钟的恒定测试速度进行。
测试样本按照 DIN 50125 以模式 B 进行加工。
对于每个接头，在焊缝的顶部和底部分别采集拉伸样本，其中熔合区位于样本的中间。
对于蠕变测试（ÖNORM EN ISO 204:2009），从接头焊缝中采集了杆状单轴蠕变样本。
融合区位于样本的中心。
对于每个测试配置，从接头中心加工四个样本。
一半蠕变试验在 650 °C、150 MPa 的载荷下进行，另一半在相同温度下施加 130 MPa 的载荷。
50 毫米 NPM1 钢块的首次电子束焊接试验，揭示了焊缝熔合区内存在严重的热裂纹问题。
由于能量输入和光束形状的变化无法防止熔化区内的热裂纹，因此采用了一种新方法。
所谓的焦点摆动技术的特点，是在钢块焊接过程中，进行焦点周期性移动。
该技术已成功应用于减少镍基高温合金的热裂纹，但尚未发现使用这种特殊技术焊接马氏体钢的资料。
中心复合设计 (CCD) 提供了有关所用因素（平均焦点位置、z 方向振幅和频率）与目标变量焊接深度、裂纹累积数量、面积和长度之间相互作用的信息。
结果表明，通过焦点摆动，微裂纹的累积长度和累积面积可以显着减少，但不可能完全抑制其形成。
尽管如此，接头焊缝的机械特性是在熔合区内残留微裂纹的情况下进行的。
为了获得有关不同焊接配置的硬度分布的信息，对焊缝的抛光横截面进行了硬度映射测量。
AW 截面的最高硬度出现在热影响区 (394 HV1)，而熔合区的硬度达到约 385 HV1，与 FW 横截面的硬度相比，硬度值仅略有不同。
平均而言，在FW条件下可以在熔合区测量到404 HV1的硬度。
峰值主要出现在热影响区熔合线附近。
热影响区外部区域的特点是硬度略有下降 (398 HV1)，这可能是由于 δ 铁素体的形成所致。
δ铁素体可以在焊接过程中形成，并且由于凝固过程开始期间的外延生长而主要位于焊缝金属界面处，FW 横截面的硬度测量显示整个焊缝的硬度分布更均匀。
之后还测量了 PWHT 样品的硬度分布，通过采用焊后热处理（750℃回火3h），熔合区和HAZ（AW和FW）的硬度平均可降低120HV1，并且硬度分布更均匀取得成就。
尽管在 FW 条件下，熔合区内的热裂纹减少了，并且整个焊缝的硬度分布更加均匀，但与标准焊接工艺相比，焦点摆动显示出整体更高的硬度。
夏比试验所有测试的冲击样品均在没有发生断裂路径偏差的情况下断裂，但测得的冲击能量的分散性非常高，特别是对于在焊缝顶部采集的样品。
冲击试验可以看出，焊接结构的所有样品都显示出非常低的冲击能量，AW 和 FW 的平均冲击能量分别为 8.3 和 6.8 J（顶侧）以及 5.2 和 4 J（根侧）。
然而，PWHT 样品的冲击能变化非常大，但平均而言，达到了较高的冲击能值。
据推测，高变化是由于融合区内存在微裂纹，但无法找到具体的联系。
从焊缝根部取出的所有测试冲击样本的断口图，均显示出尖峰效应，这种缺陷在小孔电子束焊接过程中经常出现。
由于这种焊接缺陷，焊接接头的强度和冲击值降低，因此该试件测得的冲击能非常低。
尽管接头融合区内存在微裂纹，但所有样本（AW、HT、FW 和 FW-HT）均在基材中破裂，与取样位置无关。
结果显示不同焊接配置的屈服强度 (YS) 和极限抗拉强度 (UTS) 存在波动，发现伸长率值相似。
测量到随着回火温度升高至 760 °C，屈服强度和极限抗拉强度持续下降，这解释了焊后热处理样品（HT 和 FW-HT）的 YS 和 UTS 值较低的原因。
机械性能的恶化，可能是由于加载过程中，第二相颗粒的破裂造成的，熔合区内剩余的微裂纹，似乎对接头的机械性能没有太大影响。
尽管不可能生产出无缺陷的焊缝，但仍然制造了接头焊缝和随后的交叉焊缝蠕变试样。
总结蠕变研究之前的染料渗透测试 (PT) 表明蠕变样品的融合区内存在开放的微裂纹，但仍开始对高应力暴露和使用温度的交叉焊缝进行蠕变研究，以研究剩余微裂纹对蠕变性能的影响。
但如目前的结果所示，由于焊接过程而在熔合区中，产生的微裂纹并不对蠕变性能产生重大影响。
在150 MPa的最高应力水平下，断裂蠕变样品的失效总是发生在热影响区（HAZ），而不是像预期的那样发生在明显受损的熔合区。
与其他9Cr抗蠕变钢相比，不仅母材，而且焊接样品都表现出非常好的蠕变性能。
硬度测量显示，在 FW 条件下，整个焊缝的硬度分布相对均匀。
基材的硬度约为 250 HV1，并且热影响区已增加至 398 HV1。
与母材相比，熔合区的硬度相当高，FW 条件下达到约 404 HV1，AW 条件下达到 385 HV1。
通过使用焊后热处理，焊缝硬度平均可降低 120 HV1，最终值 HT 约为 265 HV1，FW-HT 条件约为 280 HV1。
因此，通过使用焦点摆动，观察到热裂纹减少，但是，与标准工艺相比，使用该技术导致硬度增加。
与拉伸试验一样，在一些蠕变样品的表面上发现了融合区内开放的微裂纹。
尽管存在这些微裂纹，热影响区仍会形成蠕变空洞，并最终导致蠕变试样断裂。
与其他 9Cr 抗蠕变钢和焊接技术相比，通过使用电子束焊接工艺，可以在测试的高应力下实现更高的蠕变断裂时间。
在 150 MPa 和 130 MPa 的应力水平下，这些焊缝出现了与热影响区类似的故障。
焦点摆动技术在电子束焊接MarBN钢和NPM1钢块中的应用，为提高焊接接头的完整性和质量提供了可行的方法。
这种技术能够均匀分布焊接热能，减少热应力和变形的发生，同时改善合金元素的分布和晶体结构，提高焊接接头的强度和耐久性。
未来的研究可以进一步探索焦点摆动技术，在其他合金材料的焊接中的应用，并深入研究其对焊接接头完整性和性能的影响机制。
这一技术的应用为提高高强度合金和钢材的焊接质量和性能提供了有效的途径，具有重要的应用前景和发展潜力。