鑄件Ni3Al金屬合金的激光焊接

楊麗麗

摘 要：韌性鎳鋁化物，NiAl+B是一種高強度，高延展性的金屬合金，有望應用于高溫和低溫的結構材料。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。在堆焊和對接構型上，以穿越速度范圍為42.33-254mms-1的激光束進行焊接。對于一套恒定的激光參數來說，化學腐蝕表面比機械拋光表面進行了更深的穿透。激光焊接焊縫的特性是合理的。

關鍵詞：試驗程序；激光焊接；試驗

中圖分類號：TG113 文獻標識碼：A

1.概述

航空航天技術的快速發展需要新一代的結構材料。有序金屬化合物組構成了一種特殊級別的有希望能代替傳統鎳基超耐熱合金的金屬材料。這些化合物有公認的較好的強度，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排序減少了高溫下原子的流動性，使其具有良好的結構穩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，相當高的熔化溫度，相對低的密度，這些特點對可能作為飛機發動機材料尤其有吸引力。

2.試驗程序

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

（ⅰ）輪接觸面（顏色深）。

（ⅱ）無固化表面（發亮顏色的表面）。

3.激光焊接

進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，試件的運動是由電腦數字控制的。使用功率電平為1.5kW持續電波二氧化碳（CO2）氣體運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個試件上進行堆焊：

（a）試件1，機械清洗無固化表面；

（b）試件2，機械清洗輪接觸面表面；

（c）試件3，化學清洗無固化表面；

（d）試件4，化學清洗輪接觸面表面。

使用1.5kW激光功率進行焊接，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氮氣遮蔽大氣。對接焊比堆焊光束散開更大尺寸，因為經過一套特定的激光吸收效果后，對接焊產生更深的穿透。

3.3焊接分析

下述激光焊接中，準備來自熔化帶和焊接試件的焊接試件的基底金屬的樣品，使用標準技術進行金相觀察。觀察的焊接試樣應取截面，進行金相拋光，用甘油（10mL硝酸，20ml鹽酸，30mL甘油）擦洗浸蝕的試樣。用高分辨率光學顯微鏡識別內在顯微結構特征，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構。

試驗前，樣品進行機械拋光，用丙酮清洗并沖洗。進行多次試驗以確保試驗結果的一致性。使用Vicker的顯微硬度計以500g的負荷在焊件的不同部位確定硬度。使用掃描電子顯微鏡檢驗變形的拉伸試件，以便描述主要斷裂類型和精密標度斷裂特征。

4.結果與討論

取決于激光參數的激光焊接法涉及了兩個機理，即“深熔透”和“傳導”。深熔焊的特點是沙漏形，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。這些負面影響是“小孔”形成所造成的，且有伴隨能量通過該孔轉移。相比之下，熱導焊展現出了深寬比小、缺陷程度低的特點。熱導焊的幾何形狀為半圓形，類似于傳統的電弧焊。

激光束橫向速度及表面預處理對堆焊（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式地減少，顯示出從深熔焊到熱導焊的過渡。我們觀察到經過化學清理試件的熔透深度和寬度都比經過機械清理試件的大，這是合理的，因為表面和次表面物理和化學性質的改變使激光束的吸收率發生了變化。化學清理可在表面產生氯化物，致使其吸收率的增加比經機械處理的表面要高。吸收率也是幾個并存和對抗因數的一個函數，即：（a）波長；（b）溫度；（c）氧化和腐蝕狀態；（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決定的。

結論

目前對鎳鋁金屬間IC50可焊性研究的總體結論如下：

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

（2）焊縫的裂紋受表面處理的類型和表面狀態的影響。產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，它們可導致熔化區和熱影響區內晶粒組織的細微改良。

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

參考文獻

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

[2]尹士科.焊接材料手冊[M].北京：中國標準出版社，2000：59-62.

[3]杜則裕.材料焊接科學基礎[M].北京：機械工業出版社，2012：25-28.