异种金属激光焊接关键问题研究(二)
        现代工程结构要求对异种金属材料进行焊接。激光焊接具有密度高、焊缝深宽比大、热影响区窄以及变形小等特点,成为异种金属材料焊接的有效方法。异种金属激光焊接过程包含多种效应,机制复杂。比如,材料性能差异对焊缝微观组织与宏观性能的影响;焊接熔池的形成、演化机制;熔池凝固过程焊接缺陷及残余应力形成等。围绕异种金属激光焊接过程中的关键问题,国内外开展了诸多研究工作,对此进行了全面阐述。在此基础上,指出异种金属材料激光焊接研究中的不足及发展方向。

  异种金属激光焊接关键问题研究(一)

  3.1.5 高温合金激光焊接

    高温合金有钛合金、镍基合金等,主要用于航空发动机以及柴油机涡轮增压器等设备中。钛及钛合金由于其化学活性大、熔点高、热容最小、热导率小、冷冽倾向大、易产生气孔等原因使得可焊性非常差。北京航空航天大学朱颖等针对采用Ti基快速凝固钎料对TiAl基合金和42CrMo钢的真空钎焊进行研究,通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对接头组织进行了分析,确定了快速凝固钎精在界面层中的生成相。指出:在TiAl基合金和42CrMo钢的真空钎焊试验中,随着保温时间的延长,接头强度略有提高,但变化不大;在970℃15min时生成了TiCu,TiC,TiNi和Fe4Cu3相;在970℃30min和970℃60min时,生成了TiCu,TiC,TiNi,TiAl和Fe4Cu3相。

    发动机涡轮增压器涡轮叶盘材料镍基沉淀铸造高温合金(K418)由于高的Al,Ti含量,焊接时热裂纹敏感性强;涡轮轴材料42CrMo由于高的碳含量,焊接时热淬性高,且焊缝区域和热影响区易出现脆化。二者可焊接很差。中国科学院力学研究所激光热工工艺力学实验室庞铭等针对这一问题,提出了K418与42CrMo激光深熔焊方法。实验表明,K418与42CrMo激光穿透焊接有X形和T形两种典型的焊缝形貌,且焊缝形貌是不对称的。随着焊接速度的提高,焊接线能量降低,焊缝尺寸变小,且焊缝上部尺寸变化比下部尺寸变化慢,焊缝形貌由X形过渡到T形。当离焦量在瑞利长度范围内时,焊缝正面宽度变化很小;当离焦量超出瑞利长度范围时,在足够高的激光功率密度下,焊缝正面宽度快速增加。通过工艺参数优化获得焊缝形貌如图5所示。

42CrMo与K418焊缝形貌

    图5 42CrMo与K418焊缝形貌

    提出了K418与42CrMo异种金属激光焊接焊缝底部局部未熔合机制,即“K418与42CrMo异种金属热物性参数的差异会导致激光深熔焊接的临界功率密度范围有差异;当在匙孔底部的激光功率密度范围介于K418与4ZCrMo临界气化功率密度范围之间,匙孔会发生偏移;当在匙孔底部的激光功率密度介于K418与42CrMo热传导焊接下临界功率密度范围之间时焊缝会发重偏移”。

    3.2 激光焊接熔池演化机制

    3.2.1 激光焊接熔池行为

    国内外针对激光焊接的实验研究还是以同种材料为主。典型的是日本大阪(Osaka)大学Matsunawa等在熔池中放入直径0.1~0.4mm钨颗粒,通过X射线可清楚地观察到匙孔作用下熔池的流动状态,如图6所示。钨颗粒的运动基本上可以代表熔池中液态金属的流动规律。

熔池中钨颗粒的运动轨迹

    图6 熔池中钨颗粒的运动轨迹

 

    现代工程结构要求对异种金属材料进行焊接。激光焊接具有密度高、焊缝深宽比大、热影响区窄以及变形小等特点,成为异种金属材料焊接的有效方法。异种金属激光焊接过程包含多种效应,机制复杂。比如,材料性能差异对焊缝微观组织与宏观性能的影响;焊接熔池的形成、演化机制;熔池凝固过程焊接缺陷及残余应力形成等。围绕异种金属激光焊接过程中的关键问题,国内外开展了诸多研究工作,对此进行了全面阐述。在此基础上,指出异种金属材料激光焊接研究中的不足及发展方向。

    3.2.2 熔池热过程及流动特性数值模拟

    采用实验方法难以确定焊接过程中的温度分布、冷却速度和熔池流动的形态。数值模拟是分析激光焊接过程中温度分布和流动状态的有效途径。

    自从1973年Swift-Hook等开始对激光焊接温度场进行研究以来,激光焊接数值模拟经历了30多年的发展历史。各国研究者们在同种材料激光焊接热源模型、匙孔模型、温度场以及熔池流动等方面做了很多研究工作。美国密西根州立大学Mazumder用有限差分法计算三维准稳态激光传热模型较具代表性。埃塞克斯(Essex)大学Dowden等系统地研究了激光深熔焊接过程小孔周围的流动,首次分析了小孔内等离子体逆韧致辐射的效果;使用点线组合热源模拟了深熔焊接时的接头形貌,解释了深熔焊缝截面呈“钉头”状的原因。澳大利亚维恩(Wien)技术大学高能束技术系Kaplan建立了以小孔不对称为基础的激光深熔焊接数学模型,通过逐点计算小孔前后壁的能量平衡而获得小孔形状沿板件厚度方向的变化规律。瑞典吕勒奥(Lulea)理工大学Lampa对Kaplan这一模型又进行了改进,研究了小孔内的表面张力梯度,提出了小孔的热毛细模型。

    随着异种金属激光焊接的工程需求,异种材料激光焊接数值模拟逐步发展起来,比较典型的是英国利物浦(Liverpool)大学工程学系Chakraborty等研究了铜镍异种金属激光焊接熔池中的湍流行为。研究发现采用湍流模拟结果与实验更为吻合。

    对K418与42CrMo异种金属激光热传导焊接模拟表明,随激光焊接速度的增加和激光功率的降低,焊缝正面熔池逐渐由椭圆形过渡到泪滴形,再演变到月牙形,焊缝形貌的不对称性增加(如图7所示)。焊缝熔池的这种变化规律是由于K418与42CrMo热物性的差异导致激光热传导焊接的临界功率密度的差异。

熔池轮廓实验与数值模拟对比(白色虚线表示实验测量焊缝轮廓线)

    图7 熔池轮廓实验与数值模拟对比(白色虚线表示实验测量焊缝轮廓线)

    3.3 熔池凝固过程中焊接缺陷及残余应力形成机制

    针对K418与42CrMo异种金属激光深熔焊接接头组织,在扫描电镜下,在焊缝区域观察了结晶裂纹(如图8所示)。对焊缝枝晶核1和裂纹处区域2能谱分析表明裂纹处Mo,Al,Nb,Ti元素聚集,如表3所示,这些元素的聚集易在焊缝中形成Laves,γ+γ'共晶及其他的底熔物。由于底熔物的形成,扩大了焊缝的结晶温度范围,在焊接熔池凝固后期,熔池中大部分金属已凝固,晶界的少部分低熔物还在液态状态下,在焊接应力作用下,易成为裂纹萌生和开裂的地方。

焊缝组织扫描电镜图

    图8 焊缝组织扫描电镜图

    表3 焊缝枝晶核能谱分析(质量分数%)

焊缝枝晶核能谱分析(质量分数%)

    另外,从图9观察到焊缝根部气孔,并且焊缝靠近42CrMo侧焊缝的气孔比靠近K418侧气孔密集。这是因为42CrMo导热系数比K418高,熔池在靠近42CrMo铡凝固速度比K418侧高,导致靠近42CrMo熔池中的气孔逸出时间比靠近K418侧短。研究发现气孔率随焊接速度的变化而波动,气孔数随焊接速度的增加而减少;气孔率和气孔数随离焦量的改变而发生波动。

焊缝根部气孔

    图9 焊缝根部气孔

 

    现代工程结构要求对异种金属材料进行焊接。激光焊接具有密度高、焊缝深宽比大、热影响区窄以及变形小等特点,成为异种金属材料焊接的有效方法。异种金属激光焊接过程包含多种效应,机制复杂。比如,材料性能差异对焊缝微观组织与宏观性能的影响;焊接熔池的形成、演化机制;熔池凝固过程焊接缺陷及残余应力形成等。围绕异种金属激光焊接过程中的关键问题,国内外开展了诸多研究工作,对此进行了全面阐述。在此基础上,指出异种金属材料激光焊接研究中的不足及发展方向。

    实验表明K418与42CrMo异种金属激光焊接焊缝区域的组织主要是枝晶组织,并且首次发现在焊缝区域弥散分布着针状的MC碳化物和颗粒状的Laves相(如图10所示)。Laves相是一种密排六方相,其特点是硬而脆,且熔点低。Laves相的形成扩大了焊缝区域凝固温度范围,提高了焊缝区域的热裂纹敏感性。研究发现通过提高焊接速度可以抑制Laves相的形成。

焊缝区域扫描电镜图-Laves相

    图10 焊缝区域扫描电镜图-Laves相

    Anawa等利用CO2激光器对不锈钢AISI316与不锈钢AISI1009进行焊接,并使用正交试验设计和分析方法,分析采用不同工艺参数情况下焊接街头中残余应力的大小,得到优化的焊接参数从而达到控制残余应力的目的。

4 结论

    激光焊接异种金属材料从异种钢扩展到了有色金属及其合金,特别是锋对镁铝合金、钛铝合金以及镍基高温合金的激光焊接已取得进展,获得了具有一定熔深与强度的焊接接头。异种金属激光焊接熔池的形成与演化过程复杂。对焊接热源模型、匙孔模型、温度场以及熔池流动等问题从数值模拟与实验两方面进行了深入研究,特别是考虑热传导焊熔池流动中的湍流问题,绘出了镍基高温合金与合金钢焊接匙孔发生偏移的条件。熔池凝固过程中接头组织演变、烬缝缺陷以及残余应力形成机制方面,深入分析了凝固过程中热裂纹、有害相、气孔的产生机制,并从工艺角度对残余应力进行控制。

    目前,异种金属激光焊接熔池行为,特别是等离子体与匙孔效应的实验研究比较缺乏;熔池形成、凝固过程力学精确建模仍存在困难。另外,需要对激光钎焊,TIG-激光复合焊等焊接机制进行深入研究,以期解决异种金属性能差异带来的可焊性问题。

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    收录时间:2015年10月03日 22:36:12 来源:e-works 作者:匿名
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