張艷橋，張維明

(西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安，710100)

0 引言

激光點焊作為點焊的一種新型焊接方法，具有接頭強度高和焊接變形小等優(yōu)點。在航空航天等領域，激光點焊所具有的高精度、高柔性的特點，相比傳統(tǒng)的電阻點焊和鉚接等工藝顯示出很大的優(yōu)勢[1-2]。某上面級發(fā)動機尾噴管采用鈮鉿合金制造，噴管最大端壁厚僅為0.7 mm，直徑達740 mm。由于噴管尺寸大、壁厚薄、剛度差，設計了3條大小不同的加強筋焊接于尾噴管外壁。

根據(jù)產(chǎn)品的結構特點，前期采用電阻點焊進行加強筋與延伸段的連接。由于鈮鉿合金熔點高，電阻點焊時存在電極燒損嚴重、電極與產(chǎn)品粘連、勞動強度大及焊接效率低等問題。此外，由于相鄰焊點分流、電網(wǎng)電壓不穩(wěn)、熔核偏移和部分焊點存在裂紋等問題，導致尾噴管電阻點焊連接強度低，試車后常出現(xiàn)加強筋與噴管焊縫撕裂，噴管嚴重變形的現(xiàn)象。為提高產(chǎn)品的焊接質量及焊接效率，降低其焊接勞動強度，開展了鈮鉿合金噴管激光點焊工藝技術研究。

1 試驗方法

焊接試驗采用80×20×1 mm和80×20×0.7 mm鈮鉿合金試板進行。鈮鉿合金熔點高，高溫下對氫、氧、氮親和力強，接頭極易氧化而導致接頭塑性、韌性顯著降低[3-4]，鈮鉿合金主要化學成分如表1所示。焊接設備為2 000 kW光纖激光機器人焊接系統(tǒng)。根據(jù)產(chǎn)品的結構特點，進行鈮鉿合金試板的搭接焊接，激光束作用于上板上，焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊接結束后對所有試件焊縫進行X光，在部分試樣上切取金相試樣，分析其焊縫形貌和微觀組織，并進行部分試板的拉伸試驗，檢測接頭力學性能。

表1 鈮鉿合金化學成分

表2 激光點焊工藝參數(shù)

2 激光焊點形式的設計

2.1 焊點形狀的設計

常規(guī)的激光點焊工藝是激光束直接作用于一處使金屬熔化并凝固形成焊縫，熔合面為圓形。由于激光束直徑較小，熔合面尺寸一般小于3 mm，接頭承載能力較差[5-6]。將焊點設計為環(huán)形、直線形可以提升接頭的連接面積，從而提升接頭的強度[7-8]。在試驗件上進行了環(huán)形焊縫和直線形焊縫的初步試驗，環(huán)形焊縫成形美觀，焊縫一致性較好，熱作用區(qū)域小。直線形焊縫易于出現(xiàn)弧坑缺陷，由于兩板貼合間隙不勻，導致焊縫呈現(xiàn)明顯的不均勻性，焊縫成形較差。

對環(huán)形焊縫進行剖切檢查，焊縫形貌及接頭微觀組織如圖1所示。從圖1(a)可以看出，焊縫呈倒三角形，焊縫熔深為1.7 mm，兩板熔合寬度為0.74 mm，焊縫寬度為1.6 mm，焊縫中不存在氣孔、裂紋等焊接缺陷。焊縫中心、熔合區(qū)及母材的微觀組織分別如圖1(b)，1(c)和1(d)所示。由于激光焊是一個快速升溫并急劇冷卻的過程，焊縫中心晶粒來不及長大而呈細小的針狀，根據(jù)熔池溫度梯度分布，晶粒垂直于母材壁生長。對比熔合區(qū)和母材區(qū)微觀組織可以看出，接頭熱影響區(qū)較窄，且晶粒長大不明顯，均為等軸狀組織。

圖1 焊縫形貌及接頭微觀組織Fig.1 Weld seam appearance and joint microstructure

采用環(huán)形焊點時，可以獲得成形良好的焊接接頭。對鈮鉿合金激光點焊接頭微觀組織進行分析，激光焊作為高能束焊接工藝，焊縫微觀組織細小，熱影響區(qū)較小，一定程度上可保證接頭連接強度。

2.2 焊點直徑的設計

確定鈮鉿合金激光點焊形式為環(huán)形焊點后，環(huán)形焊點直徑是重要的設計參數(shù)。它與承載能力和產(chǎn)品變形量密切相關。顯然焊點直徑越大，接頭的有效承載面積越大，承載能力也越強。假設上下試板熔合面寬度為0.8 mm，焊點直徑與熔合面積的關系如表3所示。但焊點直徑越大，焊接熱輸入量越大。在鈮鉿合金噴管激光焊研制初期，過大的熱輸入導致噴管變形嚴重。為兼顧接頭強度和焊接熱輸入，選擇焊縫直徑為7.0 mm。

表3 焊點直徑與熔合面積的關系

3 焊接工藝參數(shù)設計

激光焊接工藝參數(shù)(激光功率、焊接速度、離焦量等)影響焊縫形貌，焊縫形貌是決定鈮鉿合金激光點焊接頭性能的直接原因之一。對壁厚為1～2 mm試板而言，選擇表面離焦可以獲得成形良好的焊接接頭[9]。在離焦量一定的條件下，重點分析激光功率和焊接速度對將焊縫特征和接頭性能的影響。

3.1 激光功率對焊縫特征和接頭性能的影響

圖2為焊接速度v=1 200 mm/min，離焦量為0時，焊縫表面熔寬、熔合面寬度和焊縫熔深隨激光功率的變化曲線。在保證焊縫熔深大于1 mm，且試件不發(fā)生燒穿和嚴重凹陷的前提下，激光功率控制在1 600～2 000 W的范圍內。

從圖2可以看出，隨著激光功率的增加，焊縫熔深顯著增加。在焊接速度和離焦量一定的情況下，焊縫表面熔寬變化不明顯，焊縫形貌基本呈現(xiàn)漏斗形。由于焊縫形貌基本相同，熔合面寬度(即熔深1 mm處焊縫熔寬)與焊縫熔深直接相關。當焊縫熔深小于1.7 mm時，熔合面寬度隨焊縫熔深和激光功率的增加而增加。當焊縫熔深大于1.7 mm時，熔合面寬度趨于穩(wěn)定，焊縫熔深和激光功率對熔合面寬度影響較小。從圖2中可以看出，當熔合面寬度大于0.7 mm時，焊點的承載強度均不小于8 000 N。此時斷裂模式為母材撕裂，接頭承載能力與熔合面尺寸關系不大。當焊縫熔寬小于0.7 mm時，接頭抗拉強度小于8 000 N。此時接頭強度隨熔合面的增加而增加，斷裂模式為焊縫撕裂。

圖2 激光功率對焊縫特征和接頭性能的影響Fig.2 Effects of laser power on weld seam feature and joint strength

從圖2中可以看出，激光功率是影響焊縫熔深的最關鍵因素。在焊接速度和離焦量一定的情況下，焊縫形貌基本相同，熔合面寬度與焊縫熔深密切相關，而熔合面寬度是決定接頭連接強度的最關鍵因素。

3.2 焊接速度對熔合特征和接頭性能的影響

圖3為激光功率P=2 000 W，離焦量為0，焊接速度對焊縫特征和接頭性能的影響。從圖3可以看出，隨著焊接速度的增加，即焊接線能量q=p/v降低，焊縫熔深、表面熔寬和熔合面寬度均減小。此外，隨著焊接速度的增加，焊縫形貌由漏斗形轉變?yōu)獒斝?，焊縫深寬比增加，從而導致熔合面寬度降低。當焊接速度大于2 400 mm/min時，熔合面寬度小于0.7 mm，接頭抗拉強度為7 630 N，斷裂模式為焊縫撕裂。當焊接速度不大于1 800 mm/min時，焊接熔合面寬度不小于0.75 mm，接頭強度大于8 000 N，斷裂模式為母材撕裂。

可以看出，在離焦量和激光功率一定的情況下，焊接速度同時決定焊縫形貌及焊縫熔深，焊縫熔深和焊縫形貌雙重因素決定焊縫熔合面寬度，同樣，熔合面寬度是決定接頭性能的最直接因素。

3.3 接頭斷裂行為分析

對不同工藝參數(shù)焊接接頭進行拉伸試驗，試件主要呈現(xiàn)以下3種斷裂模式，即母材完全撕裂、熱影響區(qū)撕裂和焊縫撕裂。通過焊接工藝參數(shù)對接頭力學性能的影響研究可知，斷裂模式與焊縫熔合面寬度密切相關。

在拉伸試驗中，由于上下板承受的載荷并不在一條直線上，在拉伸過程中會形成一個以熔合面為中心，力臂相當于板厚的扭矩，焊點在扭矩的作用下發(fā)生扭轉，如圖4所示。圖4中同時給出了焊點熔合面和焊點四周的應力分布情況，可以看出焊點承受的主要為剪切應力，而焊點四周的A點和B點分別承受拉應力和壓應力[10]。由于材料壁厚僅為1 mm，接頭所承載的扭矩較小，環(huán)形焊縫區(qū)域發(fā)生偏轉角度極小，該力矩不會導致接頭失效。當熔合面上的剪切應力達到熔合面處剪切強度時，焊點即從熔合面處分離，出現(xiàn)焊縫撕裂破壞。若焊點抗剪切能力高于抗拉伸載荷能力時，接頭發(fā)生發(fā)生母材撕裂或熱影響區(qū)撕裂。

圖4 焊點承受拉伸載荷時的應力分布情況Fig.4 Stress distribution of joint with tension load

焊縫有效承載面積為：

S=πD×W2

(1)

若焊點發(fā)生撕裂，其載荷為：

F1=S×τw=πD×W2×τw

(2)

若熱影響區(qū)撕裂，其載荷為[10]：

(3)

當F1=F2時，聯(lián)立以上兩式可以求得臨界熔合面寬度：

(4)

式中：D為設定焊縫直徑；W2為焊縫熔合面寬度；S為焊縫的有效承載面積；t為材料板厚；τw為假設接頭抗剪切強度；σhaz為熱影響區(qū)發(fā)生頸縮處材料的拉伸強度。

當熔合面寬度W2小于W2cr時，焊點有效承載面積小，拉伸試驗中焊點受拉剪作用發(fā)生焊點撕裂破壞。焊點撕裂斷口形貌如圖5(a)所示，斷口形貌呈現(xiàn)明顯的剪切條紋，該種接頭強度較低。當熔合面寬度W2大于W2cr時，焊點強度高，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)或母材上。斷口形貌如圖5(b)所示，斷口存在明顯的韌窩，雖斷裂發(fā)生在母材上，但焊點已發(fā)生損傷。

圖5 焊縫斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of joint weld seam

4 產(chǎn)品焊接

要保證接頭強度，需保證試件W2不小于W2cr。依據(jù)前面的焊接試驗結果，W2cr約為0.7 mm。產(chǎn)品焊接前，選取合適的焊接工藝參數(shù)進行試板焊接，并進行拉伸試驗和金相分析。

對激光點焊的鈮鉿合金噴管進行熱試車考核，激光焊點及加強筋均完好(如圖6)，未出現(xiàn)焊點開裂或加強筋撕裂現(xiàn)象，噴管也未發(fā)生明顯變形，驗證了鈮鉿合金尾噴管激光點焊工藝的可行性。

圖6 試車后噴管焊點形貌Fig.6 Appearance of welding spot of nozzle after test

5 結論

1)采用激光點焊工藝可以實現(xiàn)鈮鉿合金尾噴管高強度的連接，激光點焊的尾噴管在熱試車考核過程中未發(fā)生較大變形，試車后未出現(xiàn)焊點開裂、噴管或加強撕裂等問題。

2)基于焊接試驗確定了鈮鉿合金尾噴管理化的焊點結構為7 mm的環(huán)形焊點。

3)焊點熔合面寬度是影響接頭力學性能和斷裂方式的直接因素，基于計算和試驗確定了臨界熔合面寬度為0.7 mm。當熔合面寬度小于0.7 mm時，在拉伸試驗中焊點受剪切載荷而發(fā)生焊點撕裂，接頭強度較低。當熔合面寬度大于0.7 mm時，在拉伸試驗中發(fā)生母材撕裂或熱影響區(qū)撕裂，該種斷裂模式接頭強度較高，此時接頭承載能力不小于8 000 N。

4)在焊接速度和離焦量一定的情況下，焊縫形貌基本相同，激光功率是影響焊縫熔深的最關鍵因素，熔合面寬度與焊縫熔深密切相關。在離焦量和激光功率一定的情況下，焊接速度同時決定焊縫形貌及焊縫熔深，焊縫熔深和焊縫形貌雙重因素決定焊縫熔合面寬度。

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