Ni基高溫合金激光焊接位置對焊接質量的影響

摘 要：為進一步探究激光焊接時焊接位置對焊接質量的影響，本文使用Inconel 617板材并采用激光焊接工藝進行連接。焊接試驗在4個不同的焊接位置（即平面、水平、垂直向上和垂直向下）上進行。試驗結果表明，當使用高熱輸入參數時，焊接位置對激光焊接質量有明顯影響。平面焊縫的頂面和垂直向下焊縫的根部表面都略微凹陷。而水平焊縫和垂直向下焊縫存在嚴重的由鍵孔引起的氣孔缺陷，導致機械性能相對較差。不同焊接位置的鎖孔穩定性不同；水平焊縫和垂直向下焊縫容易產生鎖孔氣孔。

關鍵詞：鎳基超級合金；激光焊接；焊接位置；焊接質量

中圖分類號：TG 456 " " " " " 文獻標志碼：A

Inconel 617為一種具有面心立方結構的固溶鎳基超合金。由于富含鉬、鉻、鈷等固溶元素，其耐腐蝕、力學性能優異、耐熱性能優異、蠕變性能優異，在高溫構件中得到了廣泛應用。激光焊接（LBW）是利用激光對金屬進行熔接的一種方法[1]。激光束焊接可產生深窄焊縫，熱影響區窄，工件變形小。由于激光束可以在大氣環境中傳播，因此非常適合用機械臂焊接形狀復雜的結構。目前，激光束焊接已被公認為用于連接超合金的最好的焊接技術之一[2]。

當對形狀復雜的超合金結構的曲面進行激光焊接時，焊接軌跡的不同部分會采用不同的焊接位置。以往的研究表明，在鈦合金或鋁合金激光焊接過程中，焊接位置對鎖孔和熔池行為有重大影響[3]。然而，由于超合金、鈦合金和鋁合金具有不同的物理性質，例如熔點、密度、表面張力和黏度，進一步導致激光焊接性也各不相同。因此有必要了解焊接位置對超耐熱合金激光焊接質量的影響，以及在不同焊接位置下應如何調整激光焊接工藝參數。盡管有關激光焊接超耐熱合金的研究已經開展了大量工作，但有關焊接位置對激光焊縫質量影響的研究仍較少。

基于此，本文采用2組參數對Inconel 617合金板材進行激光焊接，并測試4種典型的焊接位置（ 包括平面、水平、垂直向上和垂直向下）。研究焊接位置對Inconel 617合金激光焊縫焊接質量的影響，并討論相應機理。

1 試驗材料及試驗方法

Inconel 617鎳基超級合金（固溶處理）板材被切割成200mm（長）×100mm（寬）×3mm（厚）的焊接工件?；瘜W成分見表1。Inconel 617含有奧氏體γ基體和等軸晶粒。大量金屬碳化物析出物隨機分布在晶界和晶粒內部。

試驗使用最大功率為6.0 kW的IPG YLS-6000光纖激光器作為激光源。輸出激光的波長為1070nm，激光束經過準直和聚焦后，激光焦點的直徑為0.4mm。激光焊接頭安裝在Reis Robotics RV-60機械臂上。為了保護熔融金屬不被氧化，使用99.9%的純氬氣作為屏蔽氣體，并使用高速攝像機（MEMRECAM HX-3）觀察熔池的動態行為，攝像機的視角和鏡頭到焊池的距離為200mm～300mm[4]。

焊接試驗中使用的4個焊接位置為平面、水平、垂直向上和垂直向下。針對每個焊接位置，在激光焊接試驗中使用2組焊接參數，見表2。在所有焊接試驗中，激光束的焦點位置相同，散焦距離為零，即焦點位于工件的上表面。

在焊接完成后，對焊縫的幾何形狀、內部缺陷和拉伸性能進行檢查，以評估所獲得的激光接頭的質量[5]。首先，使用X射線射線照相術檢測焊縫內部的氣孔。其次，對焊縫的金相試樣進行研磨和拋光。最后，用10g FeCl3 + 100mL HCl 溶液進行蝕刻。使用奧林巴斯 BX51M 光學顯微鏡（OM）檢查激光焊縫的幾何形狀和微觀結構。交叉拉伸試樣根據 ASTM： E8/E8M-13a 標準制備[6]。每種試驗條件制備3個試樣。試樣的室溫拉伸性能由電子萬能拉伸試驗機進行測試。使用JSM-5800 掃描電子顯微鏡（SEM）對斷裂表面進行研究。

2 結果與討論

2.1 激光焊接的幾何形狀

圖1和圖2分別為采用2組焊接參數產生的激光焊接橫截面的OM照片。由于熔池表面兩側液態金屬的表面張力梯度引起了強烈的馬蘭戈尼對流，焊縫的橫截面呈“X”形。

由圖1、表3可知，當使用高熱輸入參數時，焊接位置對焊縫有顯著影響。平焊的頂面略微凹陷（即填充不足）。垂直向上焊縫的頂面呈現中間部分高于母材而兩側部分低于母材的特征（即下切），而垂直向下焊縫的根部表面略微凹陷。由圖2可知，低熱輸入參數下產生的焊縫較窄。這是因為在低熱條件下，焊接過程中熔融金屬的體積較小。此外，從圖2中還可以看出，當使用低熱輸入參數時，焊接位置對焊縫幾何形狀的影響很小。

2.2 激光焊接接頭的拉伸性能

圖3為室溫拉伸試驗的結果。由圖3可知，當使用高熱輸入參數時，水平焊縫和垂直向下焊縫的拉伸性能低于平面焊縫和垂直向上焊縫。此外，與平焊和豎焊相比，水平焊縫和豎直向下焊縫的拉伸性能更離散[7-9]。

圖4為采用高熱輸入參數生產的激光焊縫的拉伸斷裂位置和斷裂面。在3個平焊試樣中，2個焊點在拉伸測試中穿過母材斷裂（如圖4（a）所示），一個焊點穿過焊縫金屬斷裂。水平焊點、垂直向上焊點和垂直向下焊點都發生了焊縫金屬斷裂（如圖4（b）～圖4（d）所示）。在平焊點和垂直向上焊點的斷裂面上沒有觀察到氣孔，而在水平焊點和垂直向下焊點的斷裂面上可以看到許多氣孔。氣孔會減小承載面積并集中應力，從而降低激光焊縫的機械性能。

在低熱輸入條件下，不同焊接位置產生的焊縫的拉伸性能差別不大。在低熱輸入參數下產生的所有激光焊縫都通過母材斷裂，母材具有更高的強度和更好的延展性。Inconel 617超耐熱合金焊縫中的微偏析也是導致焊縫拉伸性能降低的重要原因。不同熱輸入條件下產生的焊縫具有不同的幾何形狀，焊接過程中焊縫的凝固速率也不同。當使用低熱輸入參數時，由于冷卻凝固速率較高，熔合區的凝固結構變得更精細，熔合區的微觀偏析并不嚴重。因此，激光焊接試樣均從母材斷裂。然而，當使用高熱輸入參數時，微偏析會降低熔合區的硬度和強度。焊點主要從熔合區的中心部分斷裂。

3 討論

氣泡從熔池中逃逸的路線在4個焊接位置也有所不同。氣泡在熔池中的運動受浮力和熔體流動引起的阻力驅動。熔池中部金屬液的流動模式主要包括馬蘭戈尼流和密度流。密度流是指熔池中的金屬液從溫度較高、密度較低的區域向與重力相反的方向漂浮。不同的焊接位置會使氣泡受到不同方向的驅動力影響，導致氣泡有不同的逃逸路線。在水平和垂直向下焊接過程中，氣泡的運動受到固體金屬的阻擋，氣泡無法從熔池中逸出。因此，水平焊接時氣泡位于焊縫的一側，垂直向下焊接時氣泡位于焊縫的中間。不過，即使在平焊和垂直向上焊接時熔池中形成了少量氣泡，大部分氣泡也會在熔池凝固之前浮到熔池表面。因此，在平焊和垂直向上焊縫中只檢測到少量氣孔。

在激光焊接試驗中，由于重力對熔池中液態金屬的影響，較多的金屬沉積在平焊縫的背面，然后頂面微凹。垂直向上的焊縫中間沉積了較多金屬，因此頂面略有下凹。在垂直向下焊接過程中，由重力（即熔體靜水壓力）引起的鍵孔穿透力較弱，因此熔池背面的溫度低于頂面的溫度。由于表面張力隨溫度升高而變小，更多的金屬沉積在頂面，從而導致垂直向下焊縫的背面略微凹陷。

當使用低熱輸入參數時，由于液態金屬的體積較小，重力不會明顯影響鍵孔周圍的液態金屬。此外，在焊接速度較高的條件下，鍵孔更加穩定；因此，焊接位置對使用低熱輸入參數的激光焊縫的內部質量影響不大。

4 結語

本研究采用2套焊接參數，在4個焊接位置對 Inconel 617 鎳基超級合金板進行激光焊接。研究結果表明，當使用高熱輸入參數時，焊接位置對焊接質量有明顯影響：1）幾何形狀。平面焊縫的頂面和垂直向下焊縫的根部表面略微凹陷。垂直向上焊縫的頂面產生了輕微的下切。2）內部缺陷。嚴重的鎖孔氣孔位于水平焊縫的上半部，而垂直向下焊縫的氣孔則位于中心線。平面焊縫和垂直向上焊縫未檢測到氣孔。3）拉伸性能。水平焊縫和垂直向下焊縫中的氣孔導致強度和比伸長率降低。4）熔池的動態行為。在垂直向上和平面焊接過程中，鑰匙孔周期性地穿透熔池，而在水平和垂直向下焊接過程中，鑰匙孔很少穿透熔池。

參考文獻

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