超薄Inconel 625激光焊接接頭組織與性能

孫佳偉，陳明和，梁養(yǎng)民,謝國印，李春陽

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.西安航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司，陜西西安710021）

超薄Inconel 625激光焊接接頭組織與性能

孫佳偉1，陳明和1，梁養(yǎng)民2,謝國印2，李春陽2

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.西安航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司，陜西西安710021）

采用YAG脈沖激光對0.2 mm厚Inconel 625薄板進(jìn)行對接焊試驗(yàn)，研究了焊接電流、脈寬、焊接速度對焊縫宏觀形貌、組織及性能的影響。結(jié)果表明，以氬氣為保護(hù)氣，采用YAG脈沖激光焊，在焊接電流65 A、脈寬3.0 ms、焊接速度150 mm/min時，可以獲得較好質(zhì)量焊縫。焊接接頭顯微組織由焊縫中心區(qū)的等軸晶和熔合線附近的柱狀晶組成，熱影響區(qū)晶粒基本沒有變化。焊接接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的96.4％，拉伸斷裂于熔合線附近，微觀斷口特征顯示斷口處分布有較多而相對較淺的等軸韌窩并伴有少量的撕裂帶。焊縫區(qū)顯微硬度相比母材區(qū)略有提高。

高溫合金；超薄板；脈沖激光焊接；組織；性能

0　前言

Inconel 625是以鉬、鈮為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金，因其優(yōu)良的耐腐蝕、抗氧化性能及其在高溫下良好的拉伸性能與疲勞性能而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工及海洋產(chǎn)業(yè)[1-2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對Inconel 625的焊接工藝進(jìn)行了大量研究，主要焊接方法有氬弧焊、等離子弧焊、激光焊、釬焊、電子束焊、爆炸焊等[3-5]，其中激光焊接作為一種高效精密的焊接方法，與常規(guī)焊接方法相比具有熱影響區(qū)窄、焊接效率高以及熱變形小等優(yōu)點(diǎn)，同時相比于電子束焊則具有設(shè)備相對便宜、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、電子、核動力等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是對于超薄板材的焊接有獨(dú)特優(yōu)勢[6]。但是，國內(nèi)外的有關(guān)Inconel 625激光焊接工藝的研究多局限于厚度在0.5 mm以上的板材的焊接工藝[7-9]。本研究使用的0.2 mm厚Inconel 625薄板為某型發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片冷氣導(dǎo)管所用材料，因冷氣導(dǎo)管工作時要求與導(dǎo)向葉片的內(nèi)腔配合，因此要求焊縫表面平整且焊縫附近區(qū)域無較大變形，由于材料較薄，存在易燒穿、熱變形較大的問題，目前廠方采用氬弧焊方式實(shí)現(xiàn)冷氣導(dǎo)管的毛坯焊接。考慮到激光焊接超薄板材的天然優(yōu)勢，研究Inconel 625薄板的激光對接焊工藝對采用激光焊接獲得冷氣導(dǎo)管毛坯具有一定的意義。

本研究針對0.2 mm厚Inconel 625薄板，采用YAG脈沖激光在多種工藝參數(shù)下進(jìn)行對接焊試驗(yàn)，利用光學(xué)顯微鏡分析焊接接頭的宏觀形貌和顯微組織，并測試焊接接頭的力學(xué)性能和顯微硬度，同時利用掃描電鏡對比分析了母材與焊接接頭的微觀斷口形貌。

1　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用0.2 mm厚Inconel 625薄板進(jìn)行對接焊試驗(yàn)，試樣尺寸為31 mm×21 mm×0.2 mm，Inconel 625薄板主要化學(xué)成分如表1所示。

表1　Inconel 625化學(xué)成分％

焊接試驗(yàn)在BD-JG-600多功能激光加工機(jī)上完成，其平均輸出功率500 W，激光脈沖頻率0～500 Hz連續(xù)可調(diào)，激光脈沖寬度0.2～20 ms連續(xù)可調(diào)，工作臺移動速度0～1 200 mm/min。焊前需用800#砂紙打磨試樣焊接端面去除氧化膜，然后用丙酮洗去試樣表面油污。試驗(yàn)時通過自制夾具將試樣固定在激光機(jī)工作臺上，兩焊接端面緊密貼合不留間隙。焊接過程中，正反面通純度為99.99％的氬氣，防止焊接區(qū)域劇烈氧化，其流量為5 L/min。采用不同工藝參數(shù)進(jìn)行對接焊試驗(yàn)，觀察焊縫宏觀形貌。

焊后將不同參數(shù)下得到的試樣利用線切割加工為拉伸試樣，然后在電子精密拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率，拉伸速度為2 mm/min。采用Olympus MX40顯微鏡觀察焊縫表面及其橫截面宏觀形貌和顯微組織。利用HVS-1000A顯微維氏硬度計測量母材及焊縫中心顯微硬度。利用JSM-6360LV掃描電鏡進(jìn)行拉伸試樣斷口分析。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1焊接參數(shù)對焊縫宏觀形貌的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊接電流對焊縫形貌影響較大。在焊接速度150 mm/min，脈寬3.0 ms，頻率25 Hz，焊接電流60 A和65 A時均可得到表面質(zhì)量良好的焊縫；而將電流增大到70 A時，焊縫材料則大部分汽化導(dǎo)致試樣無法焊接在一起。在焊接電流和焊接速度保持不變時，脈寬對熔深和熔寬的影響較大，如圖1所示，隨著脈寬從2.5 ms增大到3.5 ms時，焊縫上、下表面寬度也隨之增大。焊接速度對熔深的影響較大但對熔寬的影響相對較小，在焊接速度為90 mm/min、150 mm/min和210 mm/min時均可得到全焊透的焊接接頭，當(dāng)速度增大到270 mm/min時，焊接接頭未焊透。

圖1　脈寬對焊縫熔寬的影響

0.2mm厚Inconel 625脈沖激光焊接優(yōu)化工藝參數(shù)為：電流65 A，脈寬3.0 ms，焊接速度150 mm/min。

2.2焊接接頭組織

焊接接頭在低倍下的顯微組織如圖2所示，可以看出焊縫橫斷面表現(xiàn)為上寬下窄的梯形，焊縫周邊基本無變形，焊縫上表面中心處出現(xiàn)輕微凹陷，這是由于部分材料在高溫下汽化導(dǎo)致的。

圖2　焊接接頭顯微組織

母材及焊接接頭在高倍下的顯微組織如圖3所示。圖3a為Inconel 625薄板的母材組織，由圖3a可知，該合金具有典型的奧氏體等軸晶組織。圖3b和圖3c分別為熔合線附近和焊縫中心的顯微組織，表現(xiàn)為沿熔合線分布為柱狀晶，靠近焊縫中心為細(xì)小的等軸晶，這是由激光焊接快速加熱和冷卻的特點(diǎn)決定的。在焊接初始時，熔合線兩側(cè)的母材溫度并未瞬間升高，熔合線附近過冷度較大可以大量形核，隨著母材溫度的快速升高，熔池液態(tài)金屬的冷卻速度減慢，這時沿垂直于熔合線方向的散熱速度最快，晶體沿散熱相反方向擇優(yōu)生長形成柱狀晶粒區(qū)，而隨著柱狀晶粒區(qū)的發(fā)展，液態(tài)金屬的散熱方向性愈加不明顯，趨于均勻冷卻狀態(tài)，焊縫中心的過冷度變小，形成了細(xì)小的等軸晶。圖3d為熱影響區(qū)的顯微組織，與圖3a相比，625合金的熱影響區(qū)顯示出晶粒的部分長大，但基本上沒有其他變化。

圖3　625合金母材、焊縫及熱影響區(qū)微觀組織

2.3焊接接頭力學(xué)性能與顯微硬度

分別對母材及焊接試樣進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min，結(jié)果如表2所示。

表2　焊接接頭力學(xué)性能

在焊接電流為65 A、脈寬為3.0 ms、焊接速度為150 mm/min時，焊接接頭抗拉強(qiáng)度為865 MPa，其強(qiáng)度與母材相當(dāng)，為母材的96.4％。焊接接頭斷后伸長率為30.6％，與母材相比其塑性下降較大。如圖4所示，所有焊接試樣均斷裂于熔合線附近焊縫處，這是由熔合線附近粗大的柱狀晶導(dǎo)致的。

利用HVS-1000A顯微維氏硬度計測量母材及焊縫中心的硬度，加載載荷為1 000 g，加載時間10 s，焊接接頭的顯微硬度分布曲線如圖5所示，與母材相比，焊縫區(qū)顯微硬度略有提高，熱影響區(qū)硬度介于母材與焊縫之間。對比母材與焊縫中心處的顯微組織可知，經(jīng)激光快速加熱冷卻重結(jié)晶得到的焊縫晶粒明顯細(xì)化，這導(dǎo)致了焊縫區(qū)相對于母材的硬度更高。

2.4焊接接頭斷口形貌

沿與焊縫平行方向截取掃描電鏡斷口分析試樣，如圖6所示，沿斷面法線方向觀察斷裂處微觀斷口形貌特征。

圖4　焊接接頭斷裂形式

圖5　焊接接頭顯微硬度

圖6　拉伸試樣斷口宏觀形貌

圖7為焊接接頭與母材的微觀斷口，其中圖7a為焊接母材的斷口特征，可以看出在斷口存在大而深的韌窩，這表明試樣在斷裂前發(fā)生了明顯的塑性變形。圖7b為焊接接頭斷口特征，可以看到斷口表面存在大量小而淺的韌窩，同時在韌窩周圍分布著少量的撕裂帶，這與斷后伸長率相比母材降低的試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖7　拉伸試樣斷口微觀形貌

3　結(jié)論

（1）采用YAG脈沖激光焊，在焊接電流65 A、脈寬3.0 ms、焊接速度150 mm/min時實(shí)現(xiàn)0.2 mm厚Inconel 625薄板對接焊，獲得良好質(zhì)量焊接接頭。焊接接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)到原始母材抗拉強(qiáng)度的96.4％，斷后伸長率由56.2％下降至30.6％。

（2）焊接接頭顯微組織由熔合線附近的柱狀晶和焊縫中心的細(xì)小的等軸晶組成，焊縫中未見明顯裂紋，熱影響區(qū)晶粒基本沒有變化。

（3）焊接接頭的微觀斷口特征與母材相比，其韌窩相對較小較淺，在韌窩周圍分布有少量的撕裂帶，其斷裂形式為典型的韌性斷裂。

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Microstructure and mechanical properties of thin Inconel 625 by laser beam welding

SUN Jiawei1，CHEN Minghe1，LIANG Yangmin2，XIE Guoyin2，LI Chunyang2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Xi′an Aero Engine（Group）Co.，Ltd.，Xi′an 710021，China）

The pulsed welding experiments of alloy Inconel 625（0.2 mm）is carried out，this paper mainly focuses on the forming, microstructures and mechanical properties of the welded joints at different welding current，speed and pulse width.The results show that using argon as a shielding gas，can get high quality welded joints with process parameters of the current of 65 A，welding speed of 150 mm/min and pulse width of 3.0 ms.The microstructure of welded joint is composed of small equiaxed grains in the fusion center and columnar crystal near the fusion line，and the grains of heat affected zone do not change much.The tensile strength of the welded joint can reach 96.4％of base metal，and the tensile fracture is near the fusion line.Microscopic fracture characteristics show that the fracture is distributed with a lot of small equiaxed dimples and little tear tapes.The microhardness of the weld zone is slightly improved compared with the base metal region.

super alloy；ultrathin plate；pulse laser welding；microstructures；properties

TG456.7

A

1001－2303（2016）02－0048-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.10

2015－07－27；

2015－09－12

孫佳偉（1991—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，主要從事高溫合金激光焊接工藝的研究工作。