Ni基高溫合金激光焊接位置對(duì)焊接質(zhì)量的影響

摘 要：為進(jìn)一步探究激光焊接時(shí)焊接位置對(duì)焊接質(zhì)量的影響，本文使用Inconel 617板材并采用激光焊接工藝進(jìn)行連接。焊接試驗(yàn)在4個(gè)不同的焊接位置（即平面、水平、垂直向上和垂直向下）上進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)使用高熱輸入?yún)?shù)時(shí)，焊接位置對(duì)激光焊接質(zhì)量有明顯影響。平面焊縫的頂面和垂直向下焊縫的根部表面都略微凹陷。而水平焊縫和垂直向下焊縫存在嚴(yán)重的由鍵孔引起的氣孔缺陷，導(dǎo)致機(jī)械性能相對(duì)較差。不同焊接位置的鎖孔穩(wěn)定性不同；水平焊縫和垂直向下焊縫容易產(chǎn)生鎖孔氣孔。

關(guān)鍵詞：鎳基超級(jí)合金；激光焊接；焊接位置；焊接質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TG 456 " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Inconel 617為一種具有面心立方結(jié)構(gòu)的固溶鎳基超合金。由于富含鉬、鉻、鈷等固溶元素，其耐腐蝕、力學(xué)性能優(yōu)異、耐熱性能優(yōu)異、蠕變性能優(yōu)異，在高溫構(gòu)件中得到了廣泛應(yīng)用。激光焊接（LBW）是利用激光對(duì)金屬進(jìn)行熔接的一種方法[1]。激光束焊接可產(chǎn)生深窄焊縫，熱影響區(qū)窄，工件變形小。由于激光束可以在大氣環(huán)境中傳播，因此非常適合用機(jī)械臂焊接形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。目前，激光束焊接已被公認(rèn)為用于連接超合金的最好的焊接技術(shù)之一[2]。

當(dāng)對(duì)形狀復(fù)雜的超合金結(jié)構(gòu)的曲面進(jìn)行激光焊接時(shí)，焊接軌跡的不同部分會(huì)采用不同的焊接位置。以往的研究表明，在鈦合金或鋁合金激光焊接過(guò)程中，焊接位置對(duì)鎖孔和熔池行為有重大影響[3]。然而，由于超合金、鈦合金和鋁合金具有不同的物理性質(zhì)，例如熔點(diǎn)、密度、表面張力和黏度，進(jìn)一步導(dǎo)致激光焊接性也各不相同。因此有必要了解焊接位置對(duì)超耐熱合金激光焊接質(zhì)量的影響，以及在不同焊接位置下應(yīng)如何調(diào)整激光焊接工藝參數(shù)。盡管有關(guān)激光焊接超耐熱合金的研究已經(jīng)開(kāi)展了大量工作，但有關(guān)焊接位置對(duì)激光焊縫質(zhì)量影響的研究仍較少。

基于此，本文采用2組參數(shù)對(duì)Inconel 617合金板材進(jìn)行激光焊接，并測(cè)試4種典型的焊接位置（ 包括平面、水平、垂直向上和垂直向下）。研究焊接位置對(duì)Inconel 617合金激光焊縫焊接質(zhì)量的影響，并討論相應(yīng)機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

Inconel 617鎳基超級(jí)合金（固溶處理）板材被切割成200mm（長(zhǎng)）×100mm（寬）×3mm（厚）的焊接工件。化學(xué)成分見(jiàn)表1。Inconel 617含有奧氏體γ基體和等軸晶粒。大量金屬碳化物析出物隨機(jī)分布在晶界和晶粒內(nèi)部。

試驗(yàn)使用最大功率為6.0 kW的IPG YLS-6000光纖激光器作為激光源。輸出激光的波長(zhǎng)為1070nm，激光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直和聚焦后，激光焦點(diǎn)的直徑為0.4mm。激光焊接頭安裝在Reis Robotics RV-60機(jī)械臂上。為了保護(hù)熔融金屬不被氧化，使用99.9%的純氬氣作為屏蔽氣體，并使用高速攝像機(jī)（MEMRECAM HX-3）觀察熔池的動(dòng)態(tài)行為，攝像機(jī)的視角和鏡頭到焊池的距離為200mm～300mm[4]。

焊接試驗(yàn)中使用的4個(gè)焊接位置為平面、水平、垂直向上和垂直向下。針對(duì)每個(gè)焊接位置，在激光焊接試驗(yàn)中使用2組焊接參數(shù)，見(jiàn)表2。在所有焊接試驗(yàn)中，激光束的焦點(diǎn)位置相同，散焦距離為零，即焦點(diǎn)位于工件的上表面。

在焊接完成后，對(duì)焊縫的幾何形狀、內(nèi)部缺陷和拉伸性能進(jìn)行檢查，以評(píng)估所獲得的激光接頭的質(zhì)量[5]。首先，使用X射線射線照相術(shù)檢測(cè)焊縫內(nèi)部的氣孔。其次，對(duì)焊縫的金相試樣進(jìn)行研磨和拋光。最后，用10g FeCl3 + 100mL HCl 溶液進(jìn)行蝕刻。使用奧林巴斯 BX51M 光學(xué)顯微鏡（OM）檢查激光焊縫的幾何形狀和微觀結(jié)構(gòu)。交叉拉伸試樣根據(jù) ASTM： E8/E8M-13a 標(biāo)準(zhǔn)制備[6]。每種試驗(yàn)條件制備3個(gè)試樣。試樣的室溫拉伸性能由電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。使用JSM-5800 掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)斷裂表面進(jìn)行研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光焊接的幾何形狀

圖1和圖2分別為采用2組焊接參數(shù)產(chǎn)生的激光焊接橫截面的OM照片。由于熔池表面兩側(cè)液態(tài)金屬的表面張力梯度引起了強(qiáng)烈的馬蘭戈尼對(duì)流，焊縫的橫截面呈“X”形。

由圖1、表3可知，當(dāng)使用高熱輸入?yún)?shù)時(shí)，焊接位置對(duì)焊縫有顯著影響。平焊的頂面略微凹陷（即填充不足）。垂直向上焊縫的頂面呈現(xiàn)中間部分高于母材而兩側(cè)部分低于母材的特征（即下切），而垂直向下焊縫的根部表面略微凹陷。由圖2可知，低熱輸入?yún)?shù)下產(chǎn)生的焊縫較窄。這是因?yàn)樵诘蜔釛l件下，焊接過(guò)程中熔融金屬的體積較小。此外，從圖2中還可以看出，當(dāng)使用低熱輸入?yún)?shù)時(shí)，焊接位置對(duì)焊縫幾何形狀的影響很小。

2.2 激光焊接接頭的拉伸性能

圖3為室溫拉伸試驗(yàn)的結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)使用高熱輸入?yún)?shù)時(shí)，水平焊縫和垂直向下焊縫的拉伸性能低于平面焊縫和垂直向上焊縫。此外，與平焊和豎焊相比，水平焊縫和豎直向下焊縫的拉伸性能更離散[7-9]。

圖4為采用高熱輸入?yún)?shù)生產(chǎn)的激光焊縫的拉伸斷裂位置和斷裂面。在3個(gè)平焊試樣中，2個(gè)焊點(diǎn)在拉伸測(cè)試中穿過(guò)母材斷裂（如圖4（a）所示），一個(gè)焊點(diǎn)穿過(guò)焊縫金屬斷裂。水平焊點(diǎn)、垂直向上焊點(diǎn)和垂直向下焊點(diǎn)都發(fā)生了焊縫金屬斷裂（如圖4（b）～圖4（d）所示）。在平焊點(diǎn)和垂直向上焊點(diǎn)的斷裂面上沒(méi)有觀察到氣孔，而在水平焊點(diǎn)和垂直向下焊點(diǎn)的斷裂面上可以看到許多氣孔。氣孔會(huì)減小承載面積并集中應(yīng)力，從而降低激光焊縫的機(jī)械性能。

在低熱輸入條件下，不同焊接位置產(chǎn)生的焊縫的拉伸性能差別不大。在低熱輸入?yún)?shù)下產(chǎn)生的所有激光焊縫都通過(guò)母材斷裂，母材具有更高的強(qiáng)度和更好的延展性。Inconel 617超耐熱合金焊縫中的微偏析也是導(dǎo)致焊縫拉伸性能降低的重要原因。不同熱輸入條件下產(chǎn)生的焊縫具有不同的幾何形狀，焊接過(guò)程中焊縫的凝固速率也不同。當(dāng)使用低熱輸入?yún)?shù)時(shí)，由于冷卻凝固速率較高，熔合區(qū)的凝固結(jié)構(gòu)變得更精細(xì)，熔合區(qū)的微觀偏析并不嚴(yán)重。因此，激光焊接試樣均從母材斷裂。然而，當(dāng)使用高熱輸入?yún)?shù)時(shí)，微偏析會(huì)降低熔合區(qū)的硬度和強(qiáng)度。焊點(diǎn)主要從熔合區(qū)的中心部分?jǐn)嗔选?/p>

3 討論

氣泡從熔池中逃逸的路線在4個(gè)焊接位置也有所不同。氣泡在熔池中的運(yùn)動(dòng)受浮力和熔體流動(dòng)引起的阻力驅(qū)動(dòng)。熔池中部金屬液的流動(dòng)模式主要包括馬蘭戈尼流和密度流。密度流是指熔池中的金屬液從溫度較高、密度較低的區(qū)域向與重力相反的方向漂浮。不同的焊接位置會(huì)使氣泡受到不同方向的驅(qū)動(dòng)力影響，導(dǎo)致氣泡有不同的逃逸路線。在水平和垂直向下焊接過(guò)程中，氣泡的運(yùn)動(dòng)受到固體金屬的阻擋，氣泡無(wú)法從熔池中逸出。因此，水平焊接時(shí)氣泡位于焊縫的一側(cè)，垂直向下焊接時(shí)氣泡位于焊縫的中間。不過(guò)，即使在平焊和垂直向上焊接時(shí)熔池中形成了少量氣泡，大部分氣泡也會(huì)在熔池凝固之前浮到熔池表面。因此，在平焊和垂直向上焊縫中只檢測(cè)到少量氣孔。

在激光焊接試驗(yàn)中，由于重力對(duì)熔池中液態(tài)金屬的影響，較多的金屬沉積在平焊縫的背面，然后頂面微凹。垂直向上的焊縫中間沉積了較多金屬，因此頂面略有下凹。在垂直向下焊接過(guò)程中，由重力（即熔體靜水壓力）引起的鍵孔穿透力較弱，因此熔池背面的溫度低于頂面的溫度。由于表面張力隨溫度升高而變小，更多的金屬沉積在頂面，從而導(dǎo)致垂直向下焊縫的背面略微凹陷。

當(dāng)使用低熱輸入?yún)?shù)時(shí)，由于液態(tài)金屬的體積較小，重力不會(huì)明顯影響鍵孔周圍的液態(tài)金屬。此外，在焊接速度較高的條件下，鍵孔更加穩(wěn)定；因此，焊接位置對(duì)使用低熱輸入?yún)?shù)的激光焊縫的內(nèi)部質(zhì)量影響不大。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究采用2套焊接參數(shù)，在4個(gè)焊接位置對(duì) Inconel 617 鎳基超級(jí)合金板進(jìn)行激光焊接。研究結(jié)果表明，當(dāng)使用高熱輸入?yún)?shù)時(shí)，焊接位置對(duì)焊接質(zhì)量有明顯影響：1）幾何形狀。平面焊縫的頂面和垂直向下焊縫的根部表面略微凹陷。垂直向上焊縫的頂面產(chǎn)生了輕微的下切。2）內(nèi)部缺陷。嚴(yán)重的鎖孔氣孔位于水平焊縫的上半部，而垂直向下焊縫的氣孔則位于中心線。平面焊縫和垂直向上焊縫未檢測(cè)到氣孔。3）拉伸性能。水平焊縫和垂直向下焊縫中的氣孔導(dǎo)致強(qiáng)度和比伸長(zhǎng)率降低。4）熔池的動(dòng)態(tài)行為。在垂直向上和平面焊接過(guò)程中，鑰匙孔周期性地穿透熔池，而在水平和垂直向下焊接過(guò)程中，鑰匙孔很少穿透熔池。

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