楊麗麗

摘 要：韌性鎳鋁化物，NiAl+B是一種高強(qiáng)度，高延展性的金屬合金，有望應(yīng)用于高溫和低溫的結(jié)構(gòu)材料。為了能夠在臨界溫度范圍使用這種合金，這種合金必須能夠連接或焊接。通過使用激光焊接來研究含硼的鑄件鎳鋁合金的可焊性。在堆焊和對接構(gòu)型上，以穿越速度范圍為42.33-254mms-1的激光束進(jìn)行焊接。對于一套恒定的激光參數(shù)來說，化學(xué)腐蝕表面比機(jī)械拋光表面進(jìn)行了更深的穿透。激光焊接焊縫的特性是合理的。

關(guān)鍵詞：試驗(yàn)程序；激光焊接；試驗(yàn)

中圖分類號：TG113 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1.概述

航空航天技術(shù)的快速發(fā)展需要新一代的結(jié)構(gòu)材料。有序金屬化合物組構(gòu)成了一種特殊級別的有希望能代替?zhèn)鹘y(tǒng)鎳基超耐熱合金的金屬材料。這些化合物有公認(rèn)的較好的強(qiáng)度，并伴隨高溫下較好的抵抗蠕變，疲勞和腐蝕能力。這些金屬化合物的化學(xué)排序減少了高溫下原子的流動性，使其具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗高溫變形的能力。近年來，NiAl 和Ni3Al鎳鋁有序金屬化合物已經(jīng)成為越來越多研究工作的課題，這是由于它具有出色的抗氧化性，相當(dāng)高的熔化溫度，相對低的密度，這些特點(diǎn)對可能作為飛機(jī)發(fā)動機(jī)材料尤其有吸引力。

2.試驗(yàn)程序

用于此項研究的多晶金屬合金是從Oak Ridge國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）獲得的。該合金被ORNL命名為IC-50。該材料是在鑄造環(huán)境下提供的。鑄造材料有兩個截然不同的也能以顏色識別的表面：

（?。┹喗佑|面（顏色深）。

（ⅱ）無固化表面（發(fā)亮顏色的表面）。

3.激光焊接

進(jìn)行兩種類型的激光焊接，包括走焊和對接焊。試件安裝在X-Y工作臺，試件的運(yùn)動是由電腦數(shù)字控制的。使用功率電平為1.5kW持續(xù)電波二氧化碳（CO2）氣體運(yùn)輸激光來研究多晶金屬（Ni3Al）合金IC-50的可焊接性。輸出光束的大小是用高斯分布曲線（TEM00）測量的19mm。TEM00模式質(zhì)量使高速下的焊接便利。用190 mm（7.5英寸）焦距的ZnSe 鏡頭聚焦激光束。此項研究中，焊接穿越速度是重要可變因素。

3.1堆焊

在4個試件上進(jìn)行堆焊：

（a）試件1，機(jī)械清洗無固化表面；

（b）試件2，機(jī)械清洗輪接觸面表面；

（c）試件3，化學(xué)清洗無固化表面；

（d）試件4，化學(xué)清洗輪接觸面表面。

使用1.5kW激光功率進(jìn)行焊接，激光束穿越速度從42.33至254mms-1。激光束在試件表明以下聚焦，導(dǎo)致表面上激光束尺寸大約為直徑0.5mm。激光焊接時，用氦氣（157cm3s-1）遮蔽大氣。

3.2對接焊

對于對接焊來說，在試件的兩面都有一條單一的激光通道，這樣為了達(dá)到完全穿透的效果。利用1.2kW的激光功率和33.9mms-1（80英寸每分鐘）的穿越速度進(jìn)行焊接。激光束的焦距在試件表面以下，在表面測量的激光束的直徑是1.52mm。對接焊的軌縫保持在0.016mm。使用157cm3s-1氮?dú)庹诒未髿狻雍副榷押腹馐㈤_更大尺寸，因?yàn)榻?jīng)過一套特定的激光吸收效果后，對接焊產(chǎn)生更深的穿透。

3.3焊接分析

下述激光焊接中，準(zhǔn)備來自熔化帶和焊接試件的焊接試件的基底金屬的樣品，使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行金相觀察。觀察的焊接試樣應(yīng)取截面，進(jìn)行金相拋光，用甘油（10mL硝酸，20ml鹽酸，30mL甘油）擦洗浸蝕的試樣。用高分辨率光學(xué)顯微鏡識別內(nèi)在顯微結(jié)構(gòu)特征，檢查包括多孔性，形成熱裂縫和穿透的程度/深度。西門子衍射計和CuKα散射器也可用于識別顯微結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)前，樣品進(jìn)行機(jī)械拋光，用丙酮清洗并沖洗。進(jìn)行多次試驗(yàn)以確保試驗(yàn)結(jié)果的一致性。使用Vicker的顯微硬度計以500g的負(fù)荷在焊件的不同部位確定硬度。使用掃描電子顯微鏡檢驗(yàn)變形的拉伸試件，以便描述主要斷裂類型和精密標(biāo)度斷裂特征。

4.結(jié)果與討論

取決于激光參數(shù)的激光焊接法涉及了兩個機(jī)理，即“深熔透”和“傳導(dǎo)”。深熔焊的特點(diǎn)是沙漏形，深寬比高。深熔透通常伴有：（a）過熔；（b）通過汽化損失材料；（c）冷卻速率低；（d）有收縮裂紋；和（e）氣孔。這些負(fù)面影響是“小孔”形成所造成的，且有伴隨能量通過該孔轉(zhuǎn)移。相比之下，熱導(dǎo)焊展現(xiàn)出了深寬比小、缺陷程度低的特點(diǎn)。熱導(dǎo)焊的幾何形狀為半圓形，類似于傳統(tǒng)的電弧焊。

激光束橫向速度及表面預(yù)處理對堆焊（BOP）的焊縫寬度和深度（熔透）都有影響。正如所料，焊縫的寬度和深度（熔透）隨激光束橫向速度呈指數(shù)式地減少，顯示出從深熔焊到熱導(dǎo)焊的過渡。我們觀察到經(jīng)過化學(xué)清理試件的熔透深度和寬度都比經(jīng)過機(jī)械清理試件的大，這是合理的，因?yàn)楸砻婧痛伪砻嫖锢砗突瘜W(xué)性質(zhì)的改變使激光束的吸收率發(fā)生了變化?；瘜W(xué)清理可在表面產(chǎn)生氯化物，致使其吸收率的增加比經(jīng)機(jī)械處理的表面要高。吸收率也是幾個并存和對抗因數(shù)的一個函數(shù)，即：（a）波長；（b）溫度；（c）氧化和腐蝕狀態(tài)；（d）表面粗糙度；和（e）電阻率。

一個簡單的能量平衡模式可用來估算吸收率。按照此模式[30]

POt=2（CPΔT+Lf）ρπa2Z （1）

式中P0為被吸收的激光功率[P（1-R）]（W）；P為入射激光功率（W），R為反射率，t為交互作用時間（s），Cp為比熱（J kg K-1），Tm為熔化溫度（K），Tb為環(huán)境溫度（K），Lt為熔解潛熱（J kg -1），z為熔透深度（m），a為激光束在物體表面上的半徑（m）。

由于自由凝固面的表面光潔度好，因此它比輪接觸面的吸收率低。就熱傳導(dǎo)受限焊接而言，激光能量的吸收率顯然是由表面和次表面的性質(zhì)決定的。

結(jié)論

目前對鎳鋁金屬間IC50可焊性研究的總體結(jié)論如下：

（1）激光束的吸收率可通過表面預(yù)處理來增強(qiáng)。試件表面的化學(xué)清理可導(dǎo)致比機(jī)械清理更深的熔透。

（2）焊縫的裂紋受表面處理的類型和表面狀態(tài)的影響。產(chǎn)生微裂紋的可能性隨激光束橫向速度的增加而增加。

（3）激光焊縫所增加的硬度歸因于激光束高度集中的熱量和橫向速度，它們可導(dǎo)致熔化區(qū)和熱影響區(qū)內(nèi)晶粒組織的細(xì)微改良。

（4）激光束焊件環(huán)境溫度下的拉伸性能與基體材料的性能相當(dāng)，盡管在熔化區(qū)有裂紋的存在。沿著激光焊接區(qū)晶界的固有應(yīng)力集中對所觀測到的塑性損失有促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]閆久春，楊建國，譯.Sindo Ko著 焊接冶金學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2012：45-47.

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[3]杜則裕.材料焊接科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：25-28.