彭和思，陳兵華，唐景龍，鄧時(shí)累，陳根余，陳 焱

(大族激光智能裝備集團(tuán) 聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,深圳 518100)

引 言

目前，帶渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車(chē)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位。作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，渦輪增壓器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改善具有顯著的作用，其中放氣閥作為渦輪增壓器的重要組件，其質(zhì)量對(duì)實(shí)現(xiàn)渦輪增壓的功能具有很大的影響。放氣閥的關(guān)鍵部位通常是由鑄態(tài)高溫合金與鐵基合金焊接而成的，這兩種材料的熱物性能相差很大，屬于典型的異種材質(zhì)焊接，且焊接形狀為環(huán)形結(jié)構(gòu)。目前該種焊接使用的方法主要有電子束焊和摩擦焊，但是電子束焊要求真空環(huán)境，所以焊接工件尺寸不能太大，焊接效率低、成本高，且電子束焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的X射線。摩擦焊的焊接接頭質(zhì)量差，經(jīng)常會(huì)發(fā)生低溫應(yīng)力破壞。TOLLETT[1]等人對(duì)這3種焊接工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與其它焊接相比，激光焊接對(duì)基體的熱影響是最小的，而在高溫合金的焊接中，熱裂紋與焊接熱輸入和熱影響區(qū)的范圍有關(guān)。MONTAZERI[2]等人研究發(fā)現(xiàn)，在高溫合金的焊接中，通過(guò)降低功率來(lái)減小熱輸入的方法可以有效地控制液化裂紋。

K418是一種典型的沉淀強(qiáng)化型高溫合金，這種合金在凝固過(guò)程中形成的γ奧氏體基體相，沉淀強(qiáng)化元素會(huì)形成二次強(qiáng)化相γ′來(lái)實(shí)現(xiàn)合金的強(qiáng)化。在國(guó)標(biāo)中K418合金的沉淀強(qiáng)化Al，Ti含量分別達(dá)到了6.0%和1%，其焊接難易程度根據(jù)焊接手冊(cè)[3]可知。隨著Al,Ti含量的增加，γ′相體積分?jǐn)?shù)增加，甚至有人認(rèn)為當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.06為不可焊材料。所以綜上所述，K418合金的焊接難度較大。

雖然目前對(duì)激光焊接高溫合金的報(bào)道已經(jīng)很多[4-8]，但專(zhuān)門(mén)針對(duì)K418合金裂紋的研究還相對(duì)較少。本文中針對(duì)這一現(xiàn)象研究激光焊接工藝參量(焊接功率、焊接速率、離焦量、焊接路徑的選擇等)對(duì)焊縫質(zhì)量、裂紋形成、焊縫熔深、力學(xué)性能等方面進(jìn)行了研究，為激光焊接K418合金與不銹鋼的異種金屬的研究提供了一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)中所使用的材料為?8mm的圓柱形鑄態(tài)鎳基K418合金和軋制態(tài)的0Cr18Ni9，厚度為1.6mm，化學(xué)成分分別如表1和表2所示。實(shí)驗(yàn)中所使用的激光器為IPG-4000型光纖激光器，最大輸出功率為4000W。激光焊接頭準(zhǔn)直距離為150mm，聚焦距離為200mm，控制系統(tǒng)使用的是公司自主研發(fā)的Page Admin (PA)系統(tǒng)，保護(hù)氣體為高純氬氣。工件配合間隙小于0.03mm，焊接設(shè)備重復(fù)定位精度高于0.02mm，焊接最高速率為30m/min。利用線切割沿起弧收弧處和垂直于起弧收弧處進(jìn)行焊縫截面取樣，利用銑床銑去表面1.1mm進(jìn)行層面取樣。樣品利用100目～2000目的砂紙進(jìn)行打磨后進(jìn)行拋光，并利用王水進(jìn)行腐蝕。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察焊縫宏觀形貌，利用掃描電鏡觀察斷口形貌。

Table 1 Chemical composition of K418 alloy

Table 2 Chemical composition of 0Cr18Ni9 alloy

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接工藝對(duì)焊縫形貌的影響

K418 高溫合金和0Cr18Ni9激光焊接接頭宏觀形貌如圖1所示。從圖1中可以看出，通過(guò)控制合適的激光焊接工藝參量能獲得外觀質(zhì)量較好的焊縫宏觀形貌。

Fig.1 Macromorphology of laser welded joint between K418 superalloy and 0Cr18Ni9

2.1.1 激光光斑偏離量對(duì)焊縫質(zhì)量的影響 圖2所示為激光光斑在不同偏移量下的焊縫截面圖。圖2a為激光光斑位于焊縫中間，圖2b為激光光斑偏向0Cr18Ni9一側(cè)。從圖中可以看出，當(dāng)激光光斑位于焊縫正中間時(shí)0Cr18Ni9一側(cè)會(huì)出現(xiàn)部分未融合的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)?Cr18Ni9的熔點(diǎn)高于K418合金，而且K418合金的熱導(dǎo)率比0Cr18Ni9的低很多，這就會(huì)使得當(dāng)激光光斑位于焊縫中間進(jìn)行焊接時(shí)， 0Cr18Ni9一側(cè)的熱量散失大于K418合金一側(cè)。所以在相同條件下0Cr18Ni9熔化所需的熱量大于K418合金，為了保證焊接最佳效果，激光光斑應(yīng)偏向0Cr18Ni9一側(cè)。

Fig.2 Cross section of weld

2.1.2 焊接裂紋的形成及防治 高溫合金特別是沉淀強(qiáng)化高溫合金焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的傾向很大[9]，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋以熱裂紋為主，主要有凝固裂紋和液化裂紋，同時(shí)K418合金在焊后處理過(guò)程中還容易產(chǎn)生時(shí)效應(yīng)變裂紋[10-11]。圖3所示為典型的凝固熱裂紋。形成該類(lèi)裂紋的主要原因是焊縫液態(tài)金屬在凝固過(guò)程中，當(dāng)固相含量達(dá)到一定百分比時(shí)，形成的固相骨架將未凝固的液態(tài)金屬分離開(kāi)來(lái)，限制了液態(tài)金屬的流動(dòng)，使其凝固得不到充分的補(bǔ)縮[12]。焊接過(guò)程中激光具有明顯的集中熱輸入，而焊縫外溫度較低，這樣會(huì)形成較大的溫度梯度，在這種作用下材料內(nèi)部的熱應(yīng)力顯著，在應(yīng)力作用下會(huì)將未得到補(bǔ)縮的枝晶拉斷形成凝固熱裂紋，同時(shí)焊接過(guò)程中的熱輸入會(huì)使得焊縫處晶粒組織變得粗大從而降低了材料的塑性，這也會(huì)導(dǎo)致凝固熱裂紋的產(chǎn)生。為了防止這種熱裂紋的發(fā)生，應(yīng)該盡量地延長(zhǎng)焊縫的凝固時(shí)間，使得液態(tài)金屬在凝固過(guò)程中能得到充分的補(bǔ)縮 ，所以從這方面來(lái)說(shuō)應(yīng)盡量減小焊接速率，延遲凝固時(shí)間。

Fig.3 Hot crack of weld

圖4所示為焊接時(shí)產(chǎn)生的液化裂紋。這種裂紋是高溫合金焊接時(shí)發(fā)生在熱影響區(qū)的一種主要形式的裂紋，所以也叫做熱影響區(qū)裂紋。這種裂紋具有沿晶開(kāi)裂，從融合線向母材擴(kuò)展的特性[13]。在K418合金中晶界處聚集了少量的碳化物和Al,Ti形成的低熔點(diǎn)化合物，這些相存在熔點(diǎn)低的共性，在進(jìn)行激光焊接時(shí)熱影響區(qū)的溫度達(dá)到其熔點(diǎn)，在晶界會(huì)形成一層液態(tài)薄膜，造成晶界液化。當(dāng)這種晶界的液化薄膜承受不住材料的拉應(yīng)力時(shí)會(huì)被拉裂形成液化裂紋。研究發(fā)現(xiàn)：在高溫合金中，Al,Ti等γ′相形成元素和C含量越高，液化裂紋形成傾向約嚴(yán)重[14-15]。為了盡量減少焊縫處γ′的析出，可以通過(guò)上述的將光斑偏向激光光斑應(yīng)偏向0Cr18Ni9一側(cè)，這樣能有效地稀釋焊縫中γ′相形成元素的濃度，另一方面應(yīng)該盡量地減少熱影響區(qū)的范圍和熱量，使得熱影響區(qū)的溫度不超過(guò)低熔點(diǎn)化合物的熔點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該控制光斑直徑，將激光能量束集中在熔池中間，以減少周邊熱輸入。

Fig.4 Liqueficaiton craks

2.1.3 保護(hù)氣體對(duì)焊接質(zhì)量的影響 在激光焊接中特別是快速激光焊接中氣孔是一種非常常見(jiàn)的問(wèn)題。在激光焊接中側(cè)吹保護(hù)氣能對(duì)焊縫起到保護(hù)的效果，同時(shí)能夠一定程度地吹散等離子氣體，在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)保護(hù)氣的選擇、吹氣方向、氣流量等因素都會(huì)對(duì)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生明顯的影響。實(shí)驗(yàn)表明，焊接過(guò)程中保護(hù)氣體的流量控制至關(guān)重要，當(dāng)氣流量過(guò)小時(shí)無(wú)法吹散等離子體，同時(shí)對(duì)焊縫表面的保護(hù)效果也很差，當(dāng)氣流量過(guò)大時(shí),對(duì)熔池產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，甚至?xí)⒁簯B(tài)金屬吹離熔池，很容易產(chǎn)生氣孔等缺陷。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氣流量約為12L/min時(shí)能達(dá)到較理想的焊接效果。

圖5所示為不同保護(hù)氣體對(duì)焊縫形貌的影響。從圖中可以看出,用N2做護(hù)氣體比Ar做保護(hù)氣體能有效地減少氣孔的產(chǎn)生，這主要是因?yàn)槎栊詺怏wAr在高溫下與母材不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)焊縫金屬凝固時(shí)卷入熔池中的氣體來(lái)不及溢出會(huì)形成如圖5a所示的氣孔。而在高溫下N2能與0Cr18Ni9發(fā)生反應(yīng)，所以焊縫內(nèi)殘留的氣孔較少。

Fig.5 Effect of different protective gases on weld morphology

2.2 焊縫力學(xué)性能

圖6所示為焊縫周邊材料的硬度。從圖中可以看出,依次從0Cr18Ni9側(cè)到焊縫再到K418側(cè)，硬度出現(xiàn)了先增大后減小再增大的現(xiàn)象，0Cr18Ni9的熱影響區(qū)硬度高于母材，而K418的熱影響區(qū)硬度變化不明顯，焊縫的硬度值位于兩者之間。這主要是因?yàn)榧す夂附訜嵊绊憛^(qū)小，冷卻速率極快，使得熱影響區(qū)域出現(xiàn)一定的淬火硬化現(xiàn)象。焊縫的硬度低于K418合金母材的硬度是因?yàn)樵诩す夂附又锌焖偃刍?Cr18Ni9對(duì)K418合金起到了稀釋的作用，從而減少了焊縫區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)化相γ′相的濃度，導(dǎo)致其硬度下降[16-18]。對(duì)焊縫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫約為0Cr18Ni9母材的89%，采用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察，其結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，焊縫區(qū)域存在一定數(shù)量的韌窩，說(shuō)明焊縫具有良好的韌性。

Fig.6 Micro hardness of laser welding joint

Fig.7 Micromorphology of fracture surface

3 結(jié) 論

(1)在利用激光對(duì)0Cr18Ni9與K418高溫合金進(jìn)行焊接過(guò)程中，由于兩者的熱物性參量的區(qū)別，焊接時(shí)為了保證焊接最佳效果，激光光斑應(yīng)偏向0Cr18Ni9一側(cè)。

(2)為了防止焊接過(guò)程中裂紋的產(chǎn)生，焊接時(shí)盡量使熱影響區(qū)的溫度不超過(guò)低熔點(diǎn)化合物的熔點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該控制光斑直徑，將激光能量束集中在熔池中間，以減少周邊熱輸入。

(3)焊接過(guò)程中保護(hù)氣體的流量控制至關(guān)重要，當(dāng)氣流量約為12L/min時(shí)能起到較理想的保護(hù)效果。從焊接氣孔來(lái)看，使用N2可以降低氣孔的生成,但是N2在高溫下能與母材發(fā)生反應(yīng)降低焊接接頭的力學(xué)性能。

(4)激光焊接熱影響區(qū)小，冷卻速率極快，使得熱影響區(qū)域出現(xiàn)一定的淬火硬化現(xiàn)象，而焊縫的硬度值位于兩母材硬度之間，焊接接頭的強(qiáng)度約為母材的89%。

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