航空高强钢电子束焊接研究现状

洪敏，王善林，孙文君，吴鸣，徐勇

(南昌航空大学，航空构件成形与连接江西省重点试验室，南昌330063)

0 前言

随着工业制造的迅猛发展，传统的碳素钢渐渐不能满足其愈发严苛的性能要求，通过在碳素钢的基础上添加不同配比的Mn，Si，Ni，Cr，Mo，Nb等合金元素，人们得到了数百种性能各异的合金钢。在满足使用要求的前提下，工程结构设计倾向于工件的小型化和轻量化。高强钢因其具有足够的韧性及较高的比强度和屈强比[1]，特别是其质密度小，在同等体积的情况下，以较小的用量便能满足需大量普通碳素钢才能发挥的作用；又因其良好的焊接性和成形性，为高端制造业提供了新的结构材料，因而被广泛应用于新时代航空工业制造的各个领域[2-4]。

20世纪中叶，航空工业技术取得了长足进步，并对飞行器的质量与速度提出了更加严格的要求，不仅需要先进的飞行器设计理念，还需要使用更高等级力学性能的结构材料和与之匹配的加工制造技术，这催生了航空高强钢的研究与使用。航空高强钢由于其具有较高的比强度、耐磨性、承受弯曲和冲击载荷的能力，因而被广泛的应用在发动机架、中央翼板、起落架和平尾大轴等重要工程结构件当中。20世纪40年代中期美国在AISI4130和4340钢的基础上，优化热处理制度，使钢的抗拉强度提高到1 600 MPa以上。20世纪50年代以后，钢的强度和韧性不断的得到提高与改善，相继研制成功300M，D6AC和H-11等超高强度钢[5]。1960年美国国际镍公司研制出马氏体时效钢，研发出18Ni马氏体时效系列钢中，其断裂韧性达到极高的水平。20世纪90年代以来，在原有AF1410钢的基础上，美国研制成功AerMet100，其抗拉强度高达1 965 MPa，断裂韧性达到120 MN·m，抗应力腐蚀性能好，用于制造飞机结构部件，将大大提高飞行安全可靠性，延长飞机使用寿命。由于钢材是国家工业发展的基础，国内自20世纪50年代就已自主研发航空高强度钢。先后研制成功35Si2Mn2MoVA, 40CrMnSiMoVA和33Si2MnCrMoVREA等低合金超高强度钢，主要用于制造飞机起落架和固体火箭发动机壳体等重要部件。1980年以后随着技术的不断革新，研究者们先后研发出40CrNi2Si2MoVA,45CrNiMo1VA等钢种。

新型航空器的研制与生产使高强钢大尺寸整体性构件在航空工业制造种的应用越来越广泛，受实际工业生产尺寸的限制，先进的焊接技术获得广泛关注。高强钢焊接工程构件作为航空器主要零部件之一，其设计与制造也得到了前所未有的发展机遇[6]。高强钢焊接结构的接头强度可以接近甚至超过母材水平，因此高强钢焊接结构件在航空工业制造过程中被大量的使用。

对于航空高强钢，采用传统的焊条电弧焊、TIG焊、MAG焊等焊接方法时，需要采用较高且低于马氏体转变终止点的预热温度，严格控制层间温度，不仅工艺较为繁琐且成形质量稳定性差、变形严重，容易出现咬边、气孔和未焊透等缺陷，严重影响使用精度[7-9]。电子束焊接具有极高的能量密度、焊缝深宽比大、热影响区小，电子束焊接所需的真空环境有效的保护接头免受环境气氛干扰，因此接头性能良好，且焊接过程属于对被焊金属的重熔，航空高强钢电子束焊接后试样不会增重，在航空工业上有着很大的优势[10-14]。文中主要讨论航空高强钢电子束焊接的焊缝成形规律、组织转变、力学性能及组织与性能调控相关性的研究进展，并对高强钢电子束焊接工艺的发展进行展望。

1 高强钢电子束焊接成形的特点

1.1 熔池运动行为

高速的电子束流与被焊金属接触时会形成匙孔，匙孔的形成是一个复杂的高温流体动力学过程[15-19]。当电子束焊接试样时，被焊金属受到4个力的综合作用，如图1所示[20]。电子束流压力、被焊工件金属蒸气的反作用力、熔化金属表面张力及凹陷底部的流体静压力，当电子束流压力+金属蒸气反作用力>熔化金属表面张力+凹陷底部流体静压力时，金属蒸气将下层熔化材料挤到两边，形成一个供电子束流通行的通道，露出未受影响的新表面，电子束能量被通道壁面吸收，其余经过镜面反射和漫反射后，被多次吸收和反射，只有很少部分溢出，最终在工件上钻出一个“小孔”，随着电子束和工件的相对运动，新熔融金属流向前段钻出的“小孔”将其填满，最后冷却凝固成焊缝。电子束焊的熔融机理决定了它的能量转化率特别高，因而能够完成大厚板高强钢的焊接，焊缝深宽比大、热影响区小，相比于传统的熔焊具备独特的优势[21-25]。

图1 匙孔金属受力分析

1.2 焊缝成形特征参数

焊缝成形受匙孔作用的影响，而焊接工艺参数如加速电压、聚焦电流、焊接束流、焊接速度等则直接或间接影响着匙孔的大小、形状，进而对焊缝成形产生影响。电子束焊接工艺参数之间并不是独立作用的，彼此之间还存在交互作用，单独或共同影响着焊缝的几何形状[26-29]。为探讨各参数对焊缝成形的影响及影响程度，谢永辉对30CrMnSiNi2A钢进行了3因素、3水平的正交试验(加速电压和聚焦电流处于关联状态从而确保焦点位置)，对所获的试验数据进行处理得到其方差，通过比较发现：对熔深影响最大的因素为加速电压和聚焦电流，熔宽受焊接速度影响最大，焊缝深宽比受焊接束流影响最大。在保证熔深为点透条件下，采用较大熔宽有利于获得优异的焊接接头。在其他焊接工艺参数不变时，添加扫描波可以调节高温的运动定位在匙孔壁上，并有助于更好的保持匙孔后面的熔池动态均匀性，电子束高频扫描能够使得匙孔在一定程度上稳定减少气孔、咬边和飞溅[30]。在焊接工艺参数合适的情况下，高强钢焊接也可达到焊缝边界两侧接近于平行的效果，但难以实现单次焊双面成形，通过考虑焊接方向和横向的能量均匀度来选择扫描参数，能很好的解决焊缝双面同时成形，但相对应的为了保证焊缝深宽比，需要增大焊接电流，提高热输入。Bandi等人[31]在不同的焊接条件下，如束流振动、无束振动和以不同的焊接速度，制备了多组焊接接头。使用X射线计算机扫描技术对焊缝中的孔隙进行了三维可视化处理。结果表明，焊接速度的增加使得内部孔隙大大增加，显著的影响着焊缝成形，而采用振动束流制备的试样接头得到很好的混合和散热，接头的咬边深度显著降低。与TIG，MIG和等离子焊接相比，电子束焊接变形程度有所降低，因此对于许多实际应用，可以省去焊后精加工[32]。

1.3 焊缝成形缺陷控制

对航空高强钢电子束焊接接头而言，焊缝中生成的气孔与裂纹极大程度的影响着接头的力学性能。Luo等人[33]为了探究真空电子束深焊熔池中的气泡流动及流动特性，在保持质量和动量不变的基础上，通过将熔池中的气相和液相隔离，建立了真空电子束焊接熔池中气泡流动的二维分流模型。模拟了电子束焊接时焊缝中的气体分布和气泡流动现象，分析了孔洞缺陷的形成和分布。结果表明，完全渗透的焊缝中气体逸出的可能性比未渗透的焊缝大得多，出现孔洞缺陷的可能性在一定程度上要低于未渗透焊缝。典型空腔缺陷的形成与真空电子束焊深熔焊池中气泡流的流动方式和流动特性密切相关：较高的液体流速更有利于气体在熔融金属中逸出，因此焊缝中的最终孔隙率较低。一般来说，航空高强钢碳当量较高，淬硬倾向也相对较大，焊接接头冷裂纹敏感性较强[34]，在焊接时容易形成焊接裂纹，如图2所示[35]。焊接裂纹的存在极大程度的破坏焊接接头的力学性能，因此对裂纹的调控对于航空高强钢电子束焊接的发展具有十分重大的意义。Lee等人[35]在对航空高强钢焊接试样进行U形热裂纹测试时，采用高能束流照射试样(多束焊接)能有效防止凝固裂纹。

图2 电子束焊接过程中裂纹的生成

为了解释多束焊接对凝固裂纹的抑制作用，分别使用有限元模拟和冶金分析模型计算了热应变和高温延性曲线。高温延展性曲线在焊接条件之间没有任何变化，因为对于所有考虑的3种焊接方案，熔池的热循环都没有改变。热应变曲线与高温延性曲线相交，对应于裂纹的发生。然而在多束焊接中，试样膨胀率减小使得施加在焊道上的应力降低，热应变的相对降低有效的抑制了裂纹的生成。从控制凝固裂纹的角度来看，较慢的焊接速度可以增加热输入，改变焊缝成形系数，有效的抑制凝固裂纹的产生。此外，学者发现对于航空高强钢电子束焊接而言，焊前进行预热是防止冷裂纹的有效措施，同时发现增加的碳含量可减少微裂纹的程度、增加Mn含量与过量的S结合可成功防止凝固裂纹的产生[36-37]。

国内外学者在高强钢电子束焊接匙孔形成原理、熔池运动行为、金属蒸气流体力学、焊缝成形及缺陷控制方面已取得了一些可喜的成就，对于电子束焊接机理有了更加深刻的认识。建立的理论模型以唯象模型居多，更多的是对现象的阐述及归纳，对于电子束和匙孔内部各物质相互作用的关系尚不明确，此外关于电子束焊接过程中熔融金属本身便可作为热源，熔融金属移动过程中的热辐射以及沿着匙孔的热传导仍需要深入研究。

2 焊接接头微观组织的演变

高强钢电子束焊接接头组织受焊接工艺参数、母材成分及热处理制度的影响[38-41]，焊接接头由焊缝区和热影响区组成。焊接作为一种局部快速升温、快速冷却的加工工艺，焊缝区温度梯度大，熔池快速冷却后得到典型的柱状晶组织，呈现联生结晶特征。这是由于电子束能量密度极大，焊缝金属被瞬间熔化而焊缝周边的金属尚未升温，温度梯度大，母材金属起熔池膜壁作用，大量非均匀形核。随后焊缝周边母材升温，温度梯度变小，不能独立形核，此时组织行为以生长主。由于晶体生长总是趋向于散热更快的方向，因此靠近中心线为具备明显方向性的柱状晶，两侧柱状晶在中心线迂回。焊接热影响区根据晶粒大小可分为粗晶区和细晶区；依据焊接热循环的峰值温度，从焊缝到母材方向，可细分为焊缝中心区、过热区、相变重结晶区及不完全重结晶区或者退火区、正火区、不完全正火区，各区组织与性能之间存在较大的差异[42-45]，如图3所示[14]。

图3 接头各区显微组织

航空高强钢电子束焊接接头显微组织主要受焊接工艺参数的影响，焊接工艺参数直接影响着热输入和冷却速度从而影响焊接热循环。一般而言热输入越大，奥氏体不仅晶粒更加粗大而且稳定性得以提高，随后经由不同的冷却制度形成不同的组织[46]。热输入足够大时，在焊缝中心区域奥氏体化过程中碳化物溶解，此时奥氏体尺寸变大并形成高碳奥氏体，这部分高碳奥氏体在随后的冷却过程中，极易形成M-A组元，分布在基体上损害焊缝的塑韧性；且由于热输入较大，冷却时间较长，在冷却过程中基体组织容易生成上贝氏体和沿着晶界生长的侧板条铁素体，韧性下降。热影响区相对于焊缝中心区域，受到的热输入较小、冷却速度较快，因而组织与焊缝中心有较大差异。

Leiviskä等人[47]利用模拟机对960 MPa级高强度钢焊接性能进行了模拟研究，用膨胀法测定相变温度，对模拟热影响区的微观组织进行了观察，结果表明在高热输入下焊缝热影响区出现粗贝氏体组织，使得冲击韧性显著降低,且随着冷却时间的增加，冲击韧性和硬度降低最显著的是粗晶区，各项试验均在该区域发生破坏。经TEM观测到由于电子束特性，热影响区高温停留时间短，碳化物来不及在所有区域完成形核到析出的全过程，仅在晶界上有少量塑性不佳的碳化物析出，在遭受冲击应力时常常造成沿晶断裂，极大恶化组织性能。在焊透的前提下，热输入尽可能低有利于获得高强度和良好的冲击韧性。张强[48]对HG785D调质高强钢进行电子束焊接，验证焊接热循环对所得组织的影响。焊接时由于各点距离热源的距离不一造成所经历的焊接热循环不同，所获得的组织也不同。利用OM，SEM，EBSD对接头进行观察发现，焊缝为粗大的板条马氏体和少量的针状马氏体，热影响区组织为板条马氏体，其间夹杂部分回火索氏体，母材区为索氏体，粗大的板条马氏体组织是产生沿晶断裂的重要诱因，因此对接头组织的研究与处理主要集中在热影响区。为了揭示晶粒间的位向关系，经EBSD分析可知由于电子束的高能量辐射，导致焊缝区域的晶粒，焊缝与热影响区交界处的晶粒，热影响区的晶粒尺寸逐渐减小。且焊缝大角度晶界远高于热影响区，焊缝处马氏体组织具有高密度的大角度晶界，是对组织转变影响晶界角度的有力佐证。

航空高强钢电子束焊接接头显微组织不仅受焊接工艺参数的影响，被焊工件的合金组成也影响着显微组织的转变[49-52]。Si，Cr，Mo为铁素体稳定元素；Si在低温快速冷却条件下对珠光体存在抑制作用，Si含量增加铁素体变得更加细长，容易形成大量侧板条和针状铁素体。Cr不仅为铁素体稳定元素，还能促进强碳化物的形成，抑制块状铁素体的析出，而易于析出性能更加优越的棒状、针状铁素体。Mo显著阻碍珠光体相变，而得到性能更加优越的下贝氏体组织，Mo，Ni能提高钢的淬透性和淬硬性，在快速冷却条件下生成细小强碳化物弥散分布的中温转变组织。Mn元素在慢速冷却时主要影响铁素体的形貌，而在快速冷却条件下主要影响珠光体的形成，含Mn量增加层状和片状珠光体都不再形成，只形成极少的细小珠光体团[53-54]。在钢中加入V，Ti，Nb等元素能有效阻碍奥氏体晶粒的长大，从而细化晶粒，但根据碳当量公式，合金元素的添加使得高强钢碳当量增大，对钢材造成不同程度的影响。接头组织冷裂纹敏感性增大，在焊接接头热影响区出现脆性相或者软化相[55]。奥氏体化过程中过多的碳熔入奥氏体中使得奥氏体中富碳，在中等冷速下容易形成M-A组元，M-A组元增碳后倾向于生成孪晶马氏体，由于M-A组元与周围组织在硬度上的差异，在冲击应力的作用下容易造成形变不相容，基体组织的变形无法通过M-A组元的形变来释放，使得M-A组元应力集中成为潜在的裂纹源，极大的影响高强钢热影响区的韧性，如图4所示[56]。在高强钢电子束焊接时，希望热影响区得到针状铁素体，下贝氏体、粒状贝氏体+针状马氏体等组织，当焊缝和热影响区中存在高比例的针状铁素体，具有高密度的大角度晶界，组织中高密度的位错及细小的亚结构，使得裂纹穿过针状铁素体时裂纹端部的应力集中被针状铁素体通过形变而衰减，裂纹呈现波浪形，满足强度的同时具备良好的塑韧性，以获得优异的力学性能[57-59]。而块状铁素体与周围基体的变形不协调，易在界面处萌生裂纹。

图4 不同热处理下焊接接头中的M/A组元

目前，在研究高强钢电子束焊接组织转变方面主要研究手段有实焊类、热模拟类、计算机模型分析类。热模拟试验基于大量的试验数据指导，效率高操作灵活；计算机模型分析类优势在于精细化可视化高强钢电子束焊接各区域的组织转变，但与实焊类相比，无法顾及到焊接过程中的各种偶然因素的影响。因此合理选择研究手段对于研究结果的合理性、真实性、可信性至关重要。海内外学者对于高强钢电子束焊接方面积累了大量的经验，对于焊接接头区域化学成分不均匀性、脆性层、过渡层等情况进行了深入的研究，目前研究的重心与趋势在于：高拘束应力下高强钢电子束厚板焊接、接头区域组织的精准调控，以期获得均匀化的超细晶组织方面。

3 接头性能的评估与调控

材料的组织决定着材料的性能，高强钢因其屈服强度高、碳含量低和良好的焊接性而被广泛应用在航空航天领域。然而在焊接过程中，焊接接头尤其是热影响区的微观组织容易受影响，例如焊接软化、残余应力大和晶粒粗化等，从而恶化金属的力学性能。

焊接软化通常表现为强度和硬度的大幅度下降[60]，因此探究焊接热影响区软化的原因及预防措施具有十分重大的意义。Saha等人[61]发现激光焊接双相钢(DP钢)，热影响区出现软化现象。为减轻由于焊接接头热影响区软化而导致的延展性降低，采用焊后回火的方式成功改善了DP980的组织。结果表明：由铁素体、马氏体和块状残余奥氏体组成的DP钢接头韧性得以增强，可以与未焊接的母材相媲美。通过研究焊缝的拉伸变形行为、接头区域出现的加工硬化现象及显微组织演变，可知强化机制与残余奥氏体的存在有关，未回火的残余奥氏体相转变为应变硬化的马氏体，以维持高的接头强度和延展性。

Mohandas等人[62]通过选用不同的焊接工艺参数焊接3种不同化学成分的航空高强钢，研究钢的化学性质和焊接工艺参数对热影响区软化的影响。研究观察到，具有高碳当量的钢表现出最大程度的软化，如图5所示[62]。碳当量低，马氏体、贝氏体转变温度高，无马氏体和全马氏体的临界冷却时间最短的钢在低热输入焊接(SMAW)中表现出最少的软化，而全马氏体的临界冷却时间较长的钢在高热输入焊接(GMAW)中表现出更大的抗软化性。研究还发现，奥氏体区域的焊后热处理消除了软化区域。国内外学者研究发现高热输入加速了热影响区的软化趋势，但外部冷却例如铜背衬、夹层和氩气吹扫，对于减缓软化趋势存在一定作用。

图5 焊接热影响区的软化

Zhang等人[63]通过对照试验，比较低合金航空高强钢电子束焊接不含缓冲层与有各种厚度缓冲层的焊接残余应力、维氏硬度和显微组织。研究发现在母材和焊缝金属之间加入厚度适中的软缓冲层，可以有效地减小拉伸残余应力区和焊接软化区的宽度，从而改变残余应力(在y方向)在焊缝根部具有从拉伸到压缩的特性，并细化了焊接的高强度低合金钢晶粒。研究表明拉伸残余应力与焊接软化呈正相关，拉伸残余应力(x方向)区域的宽度约等于焊接软化区域的宽度。

评价焊接接头质量的另一个重要指标为接头疲劳强度，接头的疲劳强度直接关系着接头的使用寿命，对于航空航天器而言，焊接件的疲劳强度显得尤为重要。Cui等人[64]研究了在不同应变幅度下电子束焊接的低活化马氏体高强钢接头的低周疲劳行为。试验结果表明，焊接接头的低周疲劳寿命低于母材的低周疲劳寿命。母材金属和焊接接头均表现出连续的循环软化。但与母材相比，焊接接头的循环峰值应力更低。焊接接头在应变幅度为0.3%时在焊接区中失效，而母材则分别在应变幅度为0.5%，0.7%和1.0%时失效。表面的焊接夹杂物或缺陷可能成为疲劳裂纹的根源，并且疲劳裂纹在焊接金属和热影响区中传播，具有穿晶断裂模式。此外，焊接接头的几何形状也严重影响着接头的疲劳强度。为了改善焊缝的疲劳强度，可以采用焊接补强解决方案(TIG重熔，横向振荡焊接和喷丸硬化)[65]，补强后的焊接接头可达更高的疲劳寿命。

对航空高强钢电子束焊接接头而言，一般采用热处理手段对其组织和性能进行调控，焊接热处理可分为焊前热处理和焊后热处理，而根据热处理的区域还可分为整体热处理和局部热处理。焊前预热一般用于减慢焊后冷却速度，延长焊缝金属在高温或中温的停留时间，使得氢在熔池及母材中更好的扩散溢出，降低氢脆风险和焊缝区域过渡淬硬的趋势，提高接头的塑韧性[66]。焊前预热还可降低被焊区域的温度梯度，即降低焊接应力避免焊接裂纹产生[67]。通过插销试验验证不同预热温度下熔合区的临界断裂应力，观察到随着预热温度的升高，熔合区冷却速度降低，该区域内下贝氏体含量提高，临界断裂应力增大[68]。由于氢主要聚集在熔合区有缺口效应的部位，因而一般的晶体缺陷如位错、晶界、相界都可以作为捕获氢的陷阱[69]，预热温度升高使得下贝氏体含量提高，下贝氏体将奥氏体分割开来，使随后转化的马氏体细化增加了相界面即氢陷阱。而只有当氢陷阱中的氢浓度到达一定值，才能引起开裂，因而氢陷阱的增多相当于降低了氢的扩散系数降低冷裂纹敏感性，增大临界断裂应力。Zhang等人[70]利用SYSWELD软件，选用圆锥高斯热源与矩形均匀平面热源模型对薄壁板件的电子束焊接进行有限元模拟，实焊与仿真结果均表明，在焊缝两侧同时进行多束预热温度分布更为均匀，可有效减小焊接区的压应力，大幅度的减少薄壁钢板件的屈曲变形，焊前预热还可产生3%～7%的强度提高[71]。

焊后热处理主要是为了消除接头中的氢、消除焊接应力、改善接头组织及其力学性能[72]。Zhu等人[73]对航空超高强钢AF1410钢经热处理后的组织演变进行了研究，结果表明经高温回火后，晶粒基本变得均匀。板条状马氏体组织逐渐转变为铁素体和碳化物，析出物主要包括富铬的针状M2C和方形M23C6，在板条边界形成薄膜状逆转变奥氏体，这些纳米级合金碳化物及薄膜能够有效提高材料的强韧性。He等人[74]对300M钢电子束焊接焊后退火获得的焊接接头进行了热处理(油淬870 ℃×1 h，回火315 ℃×2 h)并与退火态进行了比较，利用OM，SEM，XRD分析了试样的显微组织、断裂形态和相组成。研究表明退火态母材为球状珠光体，焊缝组织为下贝氏体、残余奥氏体和先共析铁素体，热影响区为具有未熔颗粒的索氏体。热处理后显微组织为回火马氏体，抗拉强度达到母材的97%，满足使用要求。硬度测试显示经热处理后各区域硬度基本一致，是组织均匀性在力学性能上的宏观表征，如图6所示[74]。对热处理后的拉伸断口进行观测，结果显示为准解理断裂，端口凹坑底部存在许多硬度较高但塑性较差的ε碳化物，作为萌生裂纹的裂纹源。在高强钢焊接及热处理尤其是回火过程中析出的碳化物对接头性能的影响并不是单一的[75]，高硬度的碳化物细小弥散在高塑性相中往往能对材质起到强化作用，但硬脆的碳化物本身在外界应力作用下与周围基体不协调变形,容易使其应力集中，成为裂纹策源地破坏焊接接头力学性能。焊接过后冷却速度不均及、冷却过程中材料发生相变导致残余应力产生，焊接热处理是消除残余应力的最便捷方法。为确定诸如温度和保温时间等焊后热处理参数对应力松弛的影响，以优化工艺，通过对铁素体-马氏体相变高强钢电子束焊接过程和焊后热处理进行有限元模拟，利用DFLUX子程序对热源形状进行分析，结合弹粘塑性模型模拟变形及蠕变应变引起的应力松弛，分析结果表明，热处理冷却过程降低了焊接接头残余应力。在低于Ac1的温度条件下保温，越靠近Ac1线应力松弛越明显，但一般保温时间不超过2 h[76]。

图6 焊后热处理对显微硬度的影响

对于被纳米微粒增强的超高强钢焊接接头而言，焊后热处理对其组织和力学性能产生深刻的影响。在焊接过程中熔解了先前存在的纳米粒子并导致熔合区晶粒粗化，成为类似于过饱和固溶体的固溶淬火组织，焊接过程使得沉淀强化效应完全丧失并导致晶粒尺寸强化的降低，两者都使钢极大程度的软化，随后进行的焊后热处理工艺使得纳米颗粒的结晶再沉淀，优化焊接区域的力学性能。Jiao等人[77]采用原子探针层析成像(APT)和力学性能相结合的方式，研究了焊后热处理温度对NiAl和Cu纳米粒子硬化的超高强钢的纳米级析出和力学性能的影响。结果表明，550 ℃的焊后热处理会导致高密度和超细尺寸的NiAl和Cu共沉淀物的细晶再沉淀，强度极大程度恢复到近焊前状态，但伴随着晶界遭受破坏延展性大幅度下降。600 ℃的焊后热处理使得晶界偏析程度减缓，加之少量还原奥氏体的生成使得塑韧性能大幅度恢复，但由于粗大颗粒的析出再沉淀，强度恢复程度不如550 ℃时的状态。APT揭示了Mn和P的晶界偏析是造成脆化的主要原因，而600 ℃回火导致的塑性大幅度恢复主要归因与晶界偏析的减少和奥氏体的回复。一般电子束焊接接头都是在真空或炉中整体进行热处理，而对于一些大型构件受制于加工条件，局部热处理成为一种选择[78]。Chen等人[79]对30CrMnSiNi2A航空高强钢电子束焊接接头焊态、整体热处理和局部热处理下的力学性能和断裂韧性进行试验。在经局部热处理后焊缝区域主要组织由粗针状马氏体转变成板条状马氏体，热影响区由板条状马氏体、贝氏体转变为下贝氏体组织。组织的转变直接影响着力学性能，与焊态相比，经热处理后焊接接头强度均出现较大幅度的降低，而塑性都有所提高。与整体热处理相比，局部热处理强度更高但塑性较低，电子束局部热处理在一定程度上能够优化焊接接头的性能，但要达到整体热处理的效果仍需进一步探索更加合理与先进的工艺。

综上所述，国内外学者对于航空高强钢电子束焊接热处理的研究，主要集中在消除应力集中、避免冷裂纹的产生及组织均匀化等方向。通过焊前预热、焊后热处理等方式直接或间接降低氢含量，追求碳化物均匀分布的组织，在牺牲一部分硬度的情况下大幅提高塑韧性，使得屈服强度利用率增大，获得具有较高强韧性的焊接接头。适应性强，能量消耗低的局部热处理在现阶段虽已取得一定的成果，但仍处于进一步的研究与探索阶段。

4 高强钢电子束焊接趋势

为顺应工业化发展趋势的转变，国家提出了大力发展先进制造业的要求，国内工业未来几十年发展的重心将放在高档数控机床和机器人、航空航天装备、高技术船舶和先进轨道交通装备上，高强钢作为被上述领域大量使用的基础材料，其本身性能及加工工艺必须相应的升级。

高强钢电子束焊接使得钢材的高强度和电子束焊接的优势得以结合，受到广泛的重视，新的工业生产背景下，高强钢电子束焊接也有了新的研究思路。在焊接手段方面，电子束-真空钎料复合焊、电子束-激光增材制造复合连接等先进技术，将成为关键工况下连接航空高强钢的选择。

对航空高强钢电子束焊接接头而言，焊缝中合金元素的添加和优化是未来工作的重中之重，直接影响着接头的各项性能。与之相配套的测试与评估方法在未来也需进一步升级：残余应力分布的预测和测量，检测和评估焊接缺陷，评估焊接接头的适用性，焊接过程中材料的微观组织转变行为，材料对腐蚀和氢脆的敏感性。在优化焊接工艺的前提下，准确分析冷却速率对接头性能的影响，航空高强钢电子束焊接过程中的原位表征、原位腐蚀特性，以及预测接头的寿命将成为未来研究的重点。分析焊缝区域、熔合区、热影响区的织构行为，研究晶粒取向对接头腐蚀行为的影响，探究残余应力与断裂行为的内在联系，对研究人员来说也是一个巨大的挑战。

目前国内外学者对于高强钢电子束焊接接头成形的研究主要依靠实焊法和数值模型法，由于实焊法耗时耗力且成本较高，因而未来的研究重点在于数值模拟电子束焊接过程。数值模拟的核心在于选择合适的热源模型，目前热源模型多用双椭球或圆锥热源模型，将型腔过于理想化为旋转抛物面，部分学者使用高斯分布的圆盘在顶面和圆锥热源沿厚度方向分布的复合热源模型得到了更加真实合理的数据[80]。因此，以后的研究中类似的更加精确合理的复合模型将被更加广泛的被使用。相信随着技术的不断突破，高强钢电子束焊接的性能将更加优异，适用性愈强，越来越满足先进制造业的要求，拥有更加广阔的发展空间。

5 结论

(1)国内外学者对高强钢电子束焊接匙孔运动行为、金属蒸气流体力学及焊缝成形和缺陷调控技术进行了大量的试验研究和数值模型分析，其核心问题及未来研究的重点在于电子束与熔池中各物质的作用机理和热源模型的选择。

(2)航空高强钢电子束焊接接头显微组织的研究，主要集中在焊接工艺参数、合金成分及热处理制度，以及它们对接头的织构行为、固态相变及冷却过程中析出相的影响等方面。研究人员对于焊接接头区域化学成分不均匀性、脆性层、过渡层等情况进行了深入的研究，未来研究将着重于高拘束应力下高强钢电子束厚板焊接、接头区域组织的精准调控，以期获得均匀化的超细晶组织方面。

(3)对焊接接头的力学性能评估与调控的研究，主要集中在评估并调控接头热影响区的软化行为、增强接头的疲劳强度、提高接头使用寿命等方面。为了降低氢含量、减少应力集中及因此而导致的裂纹和接头腐蚀、降低冷裂纹敏感性。为追求高强韧性的组织，优化焊接接头的力学性能，焊接接头的焊前及焊后热处理制度成为研究的核心。