異種厚度Nb521鈮鎢合金激光焊接工藝

李玉龍， 許飛， 馬存強， 趙曉龍， 劉林峰

(1.藍箭航天空間科技股份有限公司，北京 100076；2.中國航空制造技術研究院，高能束流加工技術重點實驗室，北京 100024)

0 前言

軌/姿控雙組元液體火箭發動機是導彈、衛星、飛船等航天飛行器的動力核心。為滿足發動機高比沖、輕質化、長壽命、高可靠的需求，軌/姿控發動機推力室材料正朝著超高溫、輕質化方向發展，與鉬合金、鉭合金等相比，鈮鎢合金具有低密度、優異的高溫強度、良好的塑性等優點，是最具發展潛力的難熔金屬材料之一[1]。在硅化鉬高溫抗氧化涂層的保護下，鈮鎢合金推力室的工作溫度可達到1 550 ℃。隨著型號研制發展，Nb521鈮鎢合金在中國航天領域的使用更加廣闊，已在其他高速飛行器部件得到應用[2-3]，Nb521鈮鎢合金高溫結構件的加工方法也拓展到旋壓、焊接等。

鈮鎢合金焊接易發生氧化現象導致材料性能急劇下降，目前關于Nb521鈮鎢合金焊接工藝的研究相對較少，主要集中在電子束焊。朱冬妹等學者[4]開展了Nb521合金電子束焊工藝試驗研究，結果表明 Nb521具有良好的電子束焊接性能及優良的室溫接頭強度。王峰等學者[5]研究發現Nb521合金與低密度鈮合金具有較好的電子束焊性能。夏明星等學者[6]采用電子束焊成功焊接了TC4鈦合金和Nb521合金，焊縫組織致密無缺陷。然而由于受到真空室尺寸的限制，導致電子束焊工藝將難以滿足更大尺寸鈮鎢合金結構件的研制需求。

激光焊與電子束焊工藝類似，具備能量密度高、焊接速度快、熱影響區小、焊件變形小等優點[7]，焊接時配合設置氧化防護裝置，無需真空室。張艷橋等學者[8]開展了薄壁鈮合金加強筋與基體的激光點焊工藝研究，替代電阻點焊實現了兩者高強度的連接。激光焊作為以自熔焊為主的焊接方法，較小的光斑對焊前工件的裝配要求較高[9]。目前，針對鈮鎢合金結構件激光對接焊方面的研究鮮有報道，考慮到未來對大型薄壁Nb521合金結構件及異種厚度部件的焊接需求，通過焊接試驗研究裝配條件(包括裝配錯邊、裝配間隙)對Nb521合金激光焊接頭的焊縫成形、顯微組織及力學性能的影響，可積累Nb521合金激光焊基礎數據，為大型薄壁結構件的激光焊工程化應用提供參考。

1 試驗方法

焊接試板選用厚度為1.0 mm和1.5 mm的Nb521合金平板，Nb521合金的主要化學成分見表1。試板規格為100 mm×60 mm，坡口通過銑削方式加工平整，采用除油劑+酸洗方法去除表面油污及氧化膜，焊前用酒精將坡口擦拭干凈。

表1 Nb521合金化學成分(質量分數，%)

試驗采用不開坡口的激光對接焊形式，如圖1所示。1.0 mm+1.5 mm Nb521平板底部平齊為理想裝配狀態，即定義為裝配零錯邊狀態，當1.0 mm平板向上發生錯邊時，定義錯邊為正值；當1.0 mm平板向下發生錯邊時，定義錯邊為負值。

圖1 坡口形式

試驗以額定功率10 kW的光纖激光器實現焊接，激光束入射方向垂直于焊接試板表面，聚焦鏡焦距為300 mm，光斑直徑為φ0.3 mm。其余焊接工藝參數見表2，裝配間隙為0.3～0.5 mm的焊接試板增加2 mm正離焦量。

表2 Nb521合金激光焊工藝參數

焊后垂直于焊縫方向分別截取并制備橫截面金相試樣和焊縫拉伸試樣。采用Leica DMI5000M金相顯微鏡對焊縫微觀組織進行觀察。采用電子萬能拉伸試驗機對焊縫進行室溫拉伸性能測試。

2 試驗結果與討論

2.1 裝配錯邊對Nb521合金焊縫成形的影響

1.0 mm+1.5 mm對接焊縫理想的裝配狀態為背面平齊，考慮到實際工程生產中因加工誤差等可能會出現1.0 mm構件向上錯邊或向下錯邊的情況(圖2)，因此開展圖3中不同錯邊狀態的焊接試驗，研究裝配錯邊對異種厚度Nb521合金焊縫的影響。對于1.0 mm+1.5 mm Nb521合金對接焊縫，當1.0 mm試板與1.5 mm試板裝配為零錯邊狀態下，正反面均可獲得均勻美觀的焊縫成形；當裝配錯邊量為+0.2 mm～+0.3 mm及-0.2 mm時，仍可獲得均勻美觀的焊縫成形，錯邊狀態對焊縫成形的影響不顯著；當裝配錯邊量達到-0.3 mm時，可看到焊縫成形基本均勻，但焊縫正反面的飽滿程度有所降低；當裝配錯邊量達到-0.5 mm時，焊縫正反面成形明顯惡化，呈現不穩定狀態。

圖2 裝配錯邊狀態

圖3 裝配錯邊Nb521合金激光焊縫成形的影響

對裝配錯邊量分別為0 mm，+0.3 mm，-0.3 mm的試板進行焊縫橫截面微觀組織觀察，結果如圖4所示。圖4d、圖4e分別為錯邊量0 mm狀態下熔合區及焊縫中心區顯微組織，同時也是Nb521合金激光對接焊縫的典型形貌，其余錯邊量狀態焊縫形貌與圖4d、圖4e基本一致。由圖4d、圖4e可知，焊縫呈現典型的鑄態組織，在靠近熔合區的柱狀晶以半熔化母材的晶粒為基礎，通過聯生結晶的方式，沿最大散熱方向向焊縫中心相對生長；在焊縫中心的上部和下部區域，柱狀晶分別從焊縫兩側傾向上和傾向下相對生長；熔合區外側晶粒受熱長大，熱影響區寬度約0.3～0.4 mm。由圖4a、圖4b、圖4c可知，不同錯邊狀態下焊縫均呈現一致的柱狀晶生長形貌，即裝配錯邊對焊縫微觀組織的影響很小。當錯邊量為0 mm時，正面焊縫由1.5 mm試板邊緣向1.0 mm試板傾斜圓滑過渡；背面焊縫成形非常飽滿，有一定凸起的背面焊漏；當錯邊量為+0.3 mm時，焊縫正面成形因1.0 mm試板的抬升趨于水平，同時焊縫背面呈現出傾斜過渡形態，焊漏基本為平面狀；當錯邊量為-0.3 mm時，焊縫正面成形與背面成形均呈現出明顯的凹陷形態。焊縫橫截面形貌與圖3中焊縫正反面成形狀態相吻合。

圖4 不同裝配錯邊下Nb521合金焊縫金相組織

錯邊量為-0.2～+0.3 mm的試板焊縫成形及橫截面形態與0 mm錯邊量試板差異較小，因此對錯邊量為0 mm，-0.3 mm的試板進行室溫拉伸性能測試，結果見表3。由表3可知，裝配錯邊為0 mm及-0.3 mm狀態下，所有試樣的斷口均位于遠離焊縫的1.0 mm母材，接頭強度指標未見顯著差異；斷口與拉伸方向呈45°，并伴隨明顯的頸縮現象，為典型的韌性斷裂特征，即當1.0 mm試板向下錯邊在+0.3 mm以內時，Nb521合金焊縫仍保持良好的綜合力學性能。此外，各組試樣抗拉強度的極差為10～12 MPa，因試樣均斷裂在1.0 mm母材，而母材Nb521合金薄板通過冷軋工藝加工而成，推斷拉伸性能誤差為原材料正常的性能波動。

表3 不同裝配錯邊下Nb521合金焊縫拉伸性能

2.2 裝配間隙對Nb521合金焊縫成形的影響

為研究裝配間隙對異種厚度Nb521合金激光焊縫的影響，開展1.0 mm+1.5 mm Nb521合金對接焊縫預置間隙試驗，不同裝配間隙狀態下焊縫成形如圖5所示。由圖5可知，當1.0 mm試板與1.5 mm試板裝配間隙為0 mm的狀態，正反面均可獲得均勻美觀的焊縫成形；當2塊試板預置間隙增加到0.3 mm時，仍可獲得均勻美觀的焊縫成形，間隙狀態對焊縫影響不顯著；當預置間隙增加到0.5 mm時，焊縫已無法正常成形，2塊試板未形成連接。

圖5 不同裝配間隙下Nb521合金激光焊縫成形

對不同預置間隙的試板進行焊縫橫截面金相觀察及力學性能測試，結果如圖6及表4所示。由圖6可知，預置0.3 mm裝配間隙狀態下，Nb521合金激光對接焊縫同樣呈現與零間隙狀態一致的柱狀晶生長形貌，焊縫正反面成形基本平齊，未見顯著的下凹。焊縫拉伸試樣同樣斷裂于遠離焊縫的1.0 mm母材，為典型的韌性斷裂特征。接頭強度指標有少量降低，為母材性能的正常波動。即當1.0 mm試板與1.5 mm試板裝配間隙不超過0.3 mm時，焊縫仍能獲得良好的正反面成形及綜合力學性能。

圖6 0.3 mm裝配間隙Nb521合金焊縫橫截面

表4 不同裝配間隙下Nb521合金焊縫拉伸性能

3 結論

(1)1.0 mm+1.5 mm Nb521合金激光對接焊縫允許的最大裝配錯邊為0.3 mm，最大裝配間隙為0.3 mm，即均不超過母材厚度(以薄板計算)的30%。

(2)Nb521合金具備良好的激光焊接工藝性，焊縫金相組織為典型的鑄態組織，兩側柱狀晶通過聯生結晶方式向焊縫中心相對生長，熱影響區寬度約0.3～0.4 mm；裝配錯邊和裝配間隙對焊縫微觀組織的影響較小。

(3)裝配錯邊和裝配間隙不超過允許的最大值，均可獲得均勻美觀的正反面焊縫成形；接頭具備良好的綜合力學性能，拉伸試樣斷裂于母材，為典型的韌性斷裂特征。