26【毕业论文片状GH4169的微型脉冲激光对接焊研究

26【毕业 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 片状GH4169的微型脉冲激光对接焊研究 毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 (论文) 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目: 片状GH4169的微型脉冲激光对接焊研究 学 院: 航空制造工程学院 专业名称: 焊接技术与工程 班级学号: 学生姓名: 指导教师: 陈玉华 二O一 O 年 六 月 南昌航空大学学士学位论文 目录 1 前言 1.1 选题的依据及意义 ................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 ............................................................................................... 2 1.2.1国内外研究现状 ...............................................................................................2 1.2.1发展趋势 ...........................................................................................................6 1.3 试验内容 ................................................................................................................................... 6 2 试验条件及 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 2.1 试验材料 ................................................................................................................7 2.2 试验设备 .................................................................................................................................... 7 2.2.1激光焊接设备 ....................................................................................................7 2.2.2焊接工装夹具 ....................................................................................................7 2.3 试验方法 ...................................................................................................................................... 9 2.3.1焊前准备............................................................................................................9 2.3.2试验方法及参数 ................................................................................................9 2.3.3拉伸性能试验 .................................................................................................. 10 2.3.4焊缝表面形貌及金相显微组织观察 ............................................................... 11 2.3.5显微硬度测量 .................................................................................................. 11 3 工艺参数对焊缝成形的影响 3.1 保护性气体及吹气方向对焊缝成形的影响 ................................................................... 12 3.2 激光功率百分比对焊缝成形的影响 ................................................................................. 13 3.3 脉冲频率对焊缝成形的影响 .............................................................................................. 15 3.4 脉冲宽度对焊缝成形的影响 .............................................................................................. 16 3.5 线能量对焊缝成形的影响 ................................................................................................... 18 4 焊缝微观组织的影响规律 4.1 热影响区的微观组织特征及分析 ..................................................................................... 18 4.2 焊缝区的微观组织特征及分析 .......................................................................................... 19 , 激光工艺参数对焊接接头力学性能的影响规律 5.1 激光焊接工艺参数对焊接接头抗拉强度的影响 .......................................................... 21 5.2焊接接头显微硬度分析 ........................................................................................................ 23 6 结论 参考文献 ................................................................................................................................................ 27 致谢 ........................................................................................................................................................ 29 1 南昌航空大学学士学位论文 片状GH4169的微型脉冲激光对接焊研究 学生姓名: 班级: 指导老师:陈玉华 摘要:GH4169 合金是一种镍基变形高温合金,在650?以下具有很好的力学性能、良好的抗疲劳和耐腐蚀性～并且还具有良好的加工和焊接性能～被广泛的应用于航空航天产品的制造。但是若采用传统的焊接方法进行焊接～在焊接过程中容易产生液化裂纹～而且焊后焊接接头容易产生应变时效裂纹～焊缝综合性能较差。激光焊是一种高能密度焊接～在焊接GH4169高温合金时具有很多优点。 采用脉冲激光焊接对0.2mm厚的GH4169合金薄片进行了对接焊试验～研究激光功率百分比、脉冲频率、脉冲宽度等工艺参数对焊缝表面成形、焊缝显微组织、焊接接头抗拉强度和硬度的影响～分析各个焊接参数对焊接质量的影响规律～制定最佳的焊接工艺参数。 试验结果表明～焊接工艺参数对焊缝成形有较大影响～激光焊接方式会随着激光功率百分比的变化而改变。当激光功率百分比为19,时～焊缝表面金属汽化严重～焊缝被烧穿。当激光功率百分比为13,时～焊缝明显没有被焊透。当激光功率百分比为16,，18,时～焊缝表面成形质量和接头力学性能都比较良好。焊缝微观组织的晶粒尺寸都要比母材小～而且晶粒内部产生成分偏析。焊缝中心区为细小的等轴晶～焊缝边缘区主要为柱状晶组织。焊接接头的强度一部分要高于母材～另一部分要比母材低～但是它们的延伸率都下降。焊缝区化学成分不均匀～不同区域的显微硬度各不相同～但它们都要比母材显微硬度高。当激光功率百分比为16,且脉冲宽度为3.0ms时～焊缝的显微硬度最高。 关键词:GH4169合金 激光焊接 表面成形 微观组织 显微硬度 指导老师签名: 2 南昌航空大学学士学位论文 Micro-pulse laser butt welding research of sheet GH4169 Student name: Class: Supervisor:Chen Yuhua Abstract:GH4169 alloy is a nickel-base wrought superalloy，it has good mechanical properties、good resistance to fatigue and corrosion resistance(Besides，it also has good machining and welding properties and is widely used in aerospace products manufacturing. However，if we use the traditional welding method of welding，it is easy to cause liquefaction crack in the welding process， and the welded joints used to causing strain aging crack after welding(Comprehensive performance Of weld is worse than base metal(As a kind of the high energy density welding， Laser welding can solve the problems of welding GH4169 well( We use pulsed laser to take a butt welding test with the GH4169 alloy of 0.2mm thick sheets and study how the weld process parameters such as the percentage of laser power、 pulse frequency and pulse width affect surface shape、 weld microstructure、 tensile strength and hardness of welded joint(Then we can make the best welding parameters according to analysis rules of various welding parameters on weld quality( The results show that welding parameters have great influence on bead formation and laser welding manner can also change when laser power percentage change(When the percentage of laser power is 19%，it can cause serious Vaporization of the weld surface metal and weld is burn out(When the percentage of laser power is 13%，Weld is not penetrated significantly(When the laser power percentage is from16%to18%，the weld surface forming quality and mechanical property are quite good(The grain size of weld microstructure is all smaller than the base metal，and generate segregation inside the grains(There are small equiaxed grains in the weld center and mainly columnar grains in the weld edge area(Part of the strength of welded joints is higher than the base metal， the other lower than the base metal，but their extension is lower than base metal(There is uniform chemical composition in the weld zone， the microhardness in different regions is 3 南昌航空大学学士学位论文 not the same， but they have higher hardness than the base material(When the laser power percentage is 16% and the pulse width is 3.0ms， the weld has maximum hardness( Keywords: GH4169alloy Laser welding Surface forming Microstructure Microhardness Signature of Supervisor: 4 南昌航空大学学士学位论文 学士学位论文原创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名: 日期: 导师签名: 日期: 5 南昌航空大学学士学位论文 1 前言 1.1 选题的依据及意义 GH4169合金是一种铌强化的沉淀硬化型铁镍基高温合金，其基体是Ni—Fe奥氏体，主要强化相是体心四方的Ni、Nb相。该合金在-253,700?温度范围内具有良好的综合性能，650?以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、 [1]抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能良好，因此在航空航天、化工能源等工业领域得到了广泛的应用。例如涡轮盘、涡轮轴、压气机叶片等部件常常用这种材料来进行制造，它的应用与发展也越来越受到人们的重视。 材料的应用范围很大程度上取决于这种材料的焊接性，焊接是材料加工工程中的一种重要工艺，一种焊接性良好的材料必将得到广泛的应用，反之则很难在生活中大量使用。GH4169作为一种镍基高温合金，在焊接性方面有着自己的特点。首先，该合金所含的合金元素较高，在焊接过程中容易产生液化裂纹。其次，在焊接完成后，在焊接接头中容易形成应变时效裂纹，产生的位置是在HAZ部位。还有在焊接过程中容易产生铌偏析现象，这将严重影响焊接接头的力学性能。采用钨极氩弧焊的焊接方法，在过热区有显著的晶粒粗化现象，对高温瞬时强度和持久强度有好处，但严重 [2]地降低了高温塑性和疲劳强度，其焊接接头性能是不均匀的。 若采用传统的焊接方法则很难满足现实状况的需求。例如采用传统的熔化焊时，焊接热输入量很大，在焊缝区易产生脆性组织，甚至出现结晶裂纹等缺陷，在热影响区则 [2-3]容易产生液化裂纹，难以保证焊接质量。若采用电阻焊时接头处易有脆性组织产 [4]生，使接头性能降低。若采用超塑性成形,扩散连接组合工艺时，由于GH4169扩 [5]散连接困难，通常其扩散连接温度不低于1040?，连接时间不小于45min，而此条件下GH4169合金完全回熔，导致晶粒急剧长大，严重地降低其超塑性能，并且其扩散连接的强度较低，难以满足多层结构成形的需要。而如果使用电弧焊接时，又容易在焊接接头中产生未熔合、夹杂、气孔等缺陷。因此必须找到新的焊接方法和工艺，使其焊接结构获得良好的力学综合性能，为推动高温合金在现实生活中的应用奠定良好的技术基础。 激光焊接技术作为一种高能密度焊，有着自己独特的优点:具有很好的方向性和单色性，因此经过聚焦后可使激光光束的功率密度很高，因而可以焊接一些高熔点难焊的材料。又由于激光聚焦光斑小，作用时间短，焊接热影响区小，变形、应力也就小。此外，激光焊接系统具有柔性，可实现多工位焊接，易于实现自动化。在激光焊 6 南昌航空大学学士学位论文 接过程中，能够减少裂纹和气孔等缺陷的出现，并能够对局部微小区域进行加热，使 [6]焊缝的组织形态和晶粒尺寸发生变化，并获得了良好的接头性能。 在这次试验过程中，被焊材料为细小的薄片状。而焊接薄片的难点就是在保证焊缝焊透的情况下而不能让其烧穿，因此研究薄片金属的焊接在现实应用中有着重大的意义。GH4169合金在焊接过程中会由于热收缩而引起工件移动、连接时对接缝间隙过大或过小等问题，尤其是薄片对接焊时易产生烧穿，使得焊接质量难以保证，而这些都可能与激光焊接时的工艺参数搭配是否合理有关。因此，研究激光焊接工艺参数对焊缝质量的影响规律就显得十分重要。 这次试验是利用Nd:YAG脉冲激光焊接GH4169合金薄片，主要研究激光焊接工艺参数对焊缝表面成形、焊缝微观组织、焊接接头强度和硬度的影响规律，从而获得成形良好的工艺参数范围，研究结果为薄片状材料的激光焊接工艺参数的设定及选择合适的加工工序提供依据，同时对GH4169合金及激光焊的应用与推广具有重大的现实意义。 1.2国内外研究现状及发展趋势 1.2.1国内外研究现状 微型脉冲激光焊是一种先进的焊接连接技术，属于高能密度焊。根据激光束功率 [7-8]密度的高低、作用时间的长短，脉冲激光焊接分为两种形式。 一种是以传热熔化方式进行焊接，当激光束直接照射到被焊材料表面上时，材料吸收光能，光能转化为热能而加热熔化材料，材料表层的热以传导方式继续向材料深处传递，直至将两个待焊件的接触面互熔并焊接在一起为止。另外一种是以深穿入熔化方式进行焊接，当更大功率密度的激光束照射到被焊材料表面时，材料被加热熔化以至汽化，产生较大的蒸汽压。在蒸汽压力的作用下，熔化金属被排挤在激光束周围，使照射处呈现出一个凹坑。随着激光束的继续照射，凹坑愈来愈深而形成深穿型的圆孔空腔，激光可以透过小孔的金属蒸汽直射孔底。当激光停止照射后，小孔周边熔化的金属重新流回到小孔里，冷却凝固后即将工件焊接在一起。因此，在进行激光焊接时，功率密度不同，焊接方式也不同。 激光焊接技术作为一种高能密度焊，有着自己独特的优点:具有很好的方向性和单色性, 因此经过聚焦后可使激光光束的功率密度很高，因而可以焊接一些高熔点难焊的材料。又由于激光聚焦光斑小，作用时间短，焊接热影响区小，变形、应力也就小。此外，激光焊接系统具有柔性，可实现多工位焊接，易于实现自动化。 在焊接过程中，由于激光焊加热和冷却速度快，零件不易引起热损伤、生产过程 7 南昌航空大学学士学位论文 容易实现自动化以及生产率高等优点，能够减少焊缝金属间化合物的产生以及裂纹和气孔等缺陷的出现，况且激光束聚焦后可获得很小的光斑，能精密定位，还能够对局 [9]部微小区域进行加热，同时还有“净化效应”。 但是激光焊接也有自身的一些缺点和局限性:如要求被焊件有高的装配精度，材料表面状态不同则激光吸收率也随之变化，激光器和焊接系统的成本高，一次投资大等。正是由于激光焊接比传统的熔化焊接具有许多优越焊接特性，因此国内外对此也进行了许多的研究。 [10] 吴世凯等对大厚度不锈钢板的激光焊接进行研究表明，通过优化工艺参数，采用万瓦级激光自熔焊、窄间隙多层填丝焊及激光-TIG填丝复合焊可以实现焊接厚度超过10 mm的不锈钢对接焊，可以获得焊缝成型良好，无气孔、裂纹等缺陷的焊接接头;此外，焊缝组织细小，热影响区窄，接头显微组织和力学性能优良，可满足使用要求。 [11] 熊丽娟等对小尺寸不锈钢片激光焊接进行研究，结果表明，对于小尺寸工件而言，激光功率密度和平均功率是影响焊缝熔透的关键因素，脉宽越大，保证熔透的功率密度可选范围越小;重叠率对工件焊缝成形有很大影响，2%的增量都会使焊缝成形发生较大变化;焊缝熔宽受峰值功率、脉冲宽度和脉冲频率三者的影响程度依次减弱。 [12] 梁春雷等研究了TC4钛合金薄板母材及其激光焊接头的拉伸和疲劳性能。结果表明:与母材相比激光焊接头的强度升高，延伸率下降;拉伸试样均断在母材。激光焊接头的疲劳寿命在低应力水平时高于母材，而在高应力水平时低于母材。在疲劳扩展区，母材为韧性穿晶断裂，熔合区则呈现出韧性和脆性相混合的断裂形貌;在瞬断区，母材由等轴韧窝组成，而熔合区主要为粗大的穿晶解理平面。 [13]胡席远等对薄板激光焊接质量影响因素进行了研究，结果表明:激光焊时 在焊缝起焊和收尾处均易出现半椭圆形的缺口，而选择合适的激光器模式可以使深熔焊所需激光功率降低70%，使焊速提高一倍以上，且能大大减小焊缝头尾处的缺口;选用合适的光束直径与聚焦透镜直径的比值，加强气体冷却可改善聚焦透镜的热效应影响。 [14] 陈俐等对高强度钢的激光焊接性进行了研究，主要分析高强度钢激光焊接性的一些特征，介绍国内外目前就高强度钢激光焊接所采取的防止裂纹和HAZ软化的工艺措施。实验结果表明，无论是碳钢或经合金强化的高强度钢，还是通过特殊冶金加工的高强度钢，在快速加热和冷却的激光焊条件下，一方面接头的硬度大大高于母材， 8 南昌航空大学学士学位论文 使接头易产生裂纹;另一方面激光的再热作用使HAZ出现软化区。由于传统的理论难以精确分析激光焊接头的相变和结晶过程，因此激光焊裂纹的形成机理还需做更多的工作。合理确定激光焊工艺，采用附加热作用，或填丝焊、复合焊、新激光器焊接等新工艺也可防止裂纹。尽量减小HAZ的宽度，有利于降低软化现象的影响。 [15]耿平等利用低功率的Nd:YAG激光器实现了厚度为1mm 18-8型奥氏体不锈钢焊接，并对焊缝成形影响因素进行研究，结果表明，焊接速度、脉冲宽度以及脉冲频率是影响焊缝形貌的主要因素，焊前机械清理对焊缝成形也有一定的影响。 [16]阎小军等对316L不锈钢薄板脉冲激光对接焊工艺及组织进行研究，结果表明，对0.1mm厚的不锈钢激光焊接适宜用小电流、大脉宽、高速度、高频率的焊接工艺参数;焊缝中心为细小的等轴晶，边缘为细小的柱状晶，焊接接头的抗拉强度高达母材的95%。 [17] 江嗣湖等对45#钢的激光焊接进行了研究，研究结果表明，45#钢薄板激光焊接接头组织主要由下贝氏体和少量侧板条铁素体或少量马氏体组成。随着激光功率的提高，侧板条铁素体逐渐增多，马氏体逐渐减少;随着焊接速度的提高，焊接接头组织中侧板条铁素体减少，马氏体增多。激光功率和扫描速度均提高时，热影响区最高硬度提高，接头硬度均高于母材，无明显软化区。 [18]F(Malek Ghaini等对ST14低碳钢脉冲Nd:YAG激光焊接接头组织性能特征进行研究，结果表明，激光峰值功率密度和重叠率对接头显微硬度影响较大;焊缝中心为粗大的枝状晶。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多;而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。近20年来，激光焊在薄板焊接中扮演着重要的角色，其应用如心脏起搏器支架，电子封装，铸造涡轮发动机薄板覆盖件，汽车面板的焊接等。 高温合金是应用在现代动力机构高温部件以及燃气轮机、能源、冶金、石化设备等高温零部件的重要金属材料。它能在高温(600,1200?)氧化气氛中和燃气腐蚀条件下承受较大应力长期使用。变形高温合金是航空、航天和核能工业必须应用的高温材料，制造航空、航天发动机和核反应堆中在高温环境下应用的各种关键零件。随着舰船动力的提高和地面燃机发电需求的快速增长，不仅扩大了不锈钢高温合金的应用领域，并且因其具有与宇航、核能不同的应用环境，又促进了材料的生产和发展。但是高温合金的焊接是一个难题，限制了它的更广泛的应用。因此许多年来，国内外科学家对它的焊接进行了深入的研究。 9 南昌航空大学学士学位论文 [19]杨军、周昀等人对GH4169合金惯性摩擦焊接头的高温持久性能进行了研究，实验结果表明GH4169合金焊接热处理工艺状态以直接时效态的焊接接头的高温持久性能最好，比固溶态材料焊后时效的高温持久时间要高出近一倍，而且比直接时效处理的母材高温持久时间还长。此外，焊前经直接时效处理的GH4169 合金惯性摩擦焊接头, 在焊合区及热影响区均产生了因固溶而造成的软化现象, 经焊后再时效处理后，焊接接头的显微硬度显著增高，其中焊合区的硬度最高，并且高于母材。无论是固溶态或直接时效态的试样，焊后再时效处理后的高温持久强度断裂位置都在焊接接头部位，而且为典型的韧性断裂。 超塑性成型具有塑性高、变形抗力小、可一次精密成型、模具寿命长、成型零件质量好等优点，用超塑成形工艺成型的零件不会出现回弹， 也不保留残余应力，我 [20]校的叶湖莲、王高潮等老师对其进行了深入的研究。在镍基高温合金中，δ 相是一 [21]种均匀弥散分布且稳定的金属间析出相，可用来控制再结晶后晶粒的尺寸。GH4169经过高温锻造、δ相析出及再结晶热处理后， 析出的δ相有效地控制了再结晶后的晶粒尺寸大小，得到均匀细小的晶粒，因而提高了合金的拉伸性能。因此，GH4169锻后出现的晶粒不均匀现象可以通过析出δ相和再结晶热处理消除、改善材料的力学性能。 金属结构材料在循环载荷下容易产生疲劳断裂问题,疲劳裂纹扩展性能是飞机和 [22]发动机损伤容限设计中必须考虑的一个重要性能指标。GH4169高温合金是在我国航空发动机上应用得比较普遍的一种材料，它长期在高温的环境下工作，容易产生蠕 [23]变和疲劳断裂问题，所以对其进行疲劳断裂研究就非常有必要。何玉怀、李骋等人就这个问题进行了深入的探讨。在400?,600? 温度范围内，温度对GH4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能的影响较小，随温度升高,其疲劳裂纹扩展速率稍有加快。此外，优质成分对改善GH4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能没有帮助。并且，GH4169合金锻件的疲劳裂纹扩展性能比棒材的疲劳裂纹扩展性能要好一些。 GH4169合金中的主要相为起主要强化作用的γ"相，起辅助强化作用的γˊ相及γ" [24-25]的平衡相δ相，该合金主要通过锻造工艺成型，然后再经固溶和时效处理工艺来 [26][27]获得所需的组织。王岩、林琳等人研究了不同固溶处理制度对GH4169合金组织与性能的影响，揭示其中的规律。研究表明，不同固溶处理条件下合金的晶粒长大特点各不相同，晶粒尺寸随固溶温度的升高和保温时间的延长而增大。在低于δ相溶解温度固溶处理时，δ相的存在会抑制晶粒长大而使晶粒长大速度缓慢δ。在高于δ相溶解温度固溶处理时，晶粒尺寸随固溶温度的升高快速长大，并且合金的硬度随固 10 南昌航空大学学士学位论文 溶温度的升高和保温时间的延长而降低。 [28]在国外，对高温合金的研究也比较深入。例如Kennedy等人讨论了GH4169合金在惯性摩擦焊接过程与超合金的瞬态温度分布，根据惯性摩擦焊接和理论的特点， [29]可使试验温度与计算温度相吻合。D(Schuocker 等人对高温合金的激光焊接进行了实验研究，结果表明:由于激光焊接具有的高速加热、冷却的特点决定的，它有利于减小显微偏析，能提高对结晶裂纹的扩展阻力，减小焊缝对结晶裂纹的敏感性。其 [30-31]母材组织主要由γ、γˊ和TiC等一次碳化物组成。用激光焊接高温合金GH4169，可以获得深宽比较大、组织细密、热影响区非常窄的焊缝，并且在焊缝及热影响区中很少有发现裂纹等焊接缺陷。 1.2.2 发展趋势 由于GH4169广泛应用于现代航空、航天发动机的燃气涡轮发动机、燃烧室等零部件的制造，因此提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力就成为了一种必然的趋势。例如单晶叶片的使用可以大大提高合金的综合力学性能，此外，有可能采用激冷态合金粉末制造多层扩散连接的空心叶片，从而适应提高燃气温度的需要。就导向叶片和燃烧室材料而言，有可能使用氧化物弥散强化的合金，以大幅度提高使用温度。为了提高抗腐蚀和耐磨蚀性能，合金的防护涂层材料和工艺也将获得进一步发展。 激光焊接技术在航天技术方面的研究及应用进展迅速，载人航天、月球探测、深空探测、大型运载火箭的升级换代，大推力运载火箭和小型运载火箭的研制、高分辨率对地观测卫星、通讯卫星的升级换代，导航定位卫星的研制和应用等都对激光焊接技术的基础研究、新材料的激光焊接技术和激光焊接设备的研制、产品化、国产化、智能化等方面提出新的挑战，其中包括:高功率低模式激光器的开发及在焊接中的应用，纳秒级短脉冲高峰值功率激光焊接过程中激光与材料的作用机制，超薄板材激光焊接工艺的优化与接头性能的检测，激光焊接时声、光、电信号的反馈控制，激光焊 [32]接过程中等离子体的产生对焊接质量的影响等等。随着激光器研究的深入和大功率激光器的产品化，激光焊接技术向大厚板、高适应性、高效率和低成本方向发展，同时，随着新材料、新结构的出现，激光焊接技术将逐步替代一些传统的焊接工艺，在航天领域中占据重要地位。总之，综合化、集成化、信息化、智能化、自动化、精细化将是激光焊接技术的发展趋势。 1.3试验内容 采用微型脉冲激光焊接方法对0.2mm厚的GH4169合金薄片进行焊接性研究，主要 11 南昌航空大学学士学位论文 内容为: (1) 研究工艺参数对焊缝表面成形的影响; (2) 研究工艺参数对焊接接头显微组织的影响; (3) 研究工艺参数对焊接接头抗拉强度和硬度的影响。 2 试验条件及方法 2.1 试验材料 此次试验采用的试验材料是0.2mm厚的GH4169高温合金薄片，这种材料在高温条件下具有良好的力学性能，被广泛应用于航空航天领域，属于镍基高温合金，它的主要化学成分如表2-1所示。为了便于焊接，先用线切割机将它们加工成规则的矩形状，以便进行焊接。 表2-1 GH4169的主要化学成分/% C Cr Ni Co Mo Al Ti Fe 17.0,21.0 50.0,55.0 2.80,3.30 0.30,0.70 0.75,1.15 余 ?0.08 ?1.0 2.2 试验设备 2.2.1激光焊接设备 试验设备为意大利Sisma公司生产的SL80型Nd:YAG脉冲激光焊接系统及其附属设备，如图2-1所示，在可控的参数中激光功率百分比P为单位脉冲峰值功率的百分比，可调范围为0-99%;脉冲宽度T量程为0.3ms-9.9ms;脉冲频率f的量程是0-15HZ。焊接速度为0.2mm/s，光斑直径为0.2mm。 2.2.2焊接工装夹具 由于此次试验的薄板只有0.2mm厚，因此在焊接过程中容易产生焊接变形，这对于焊接质量非常不利，必须使用焊接工装夹具来确保焊接的顺利实施。另外焊接过程会产生高温，使熔池很容易与空气发生激烈反应，可能会有裂纹、气孔等焊接缺陷出现，使实验结果出现偏差。为了避免这些缺陷的出现，需对被焊GH4169 合金的高温区进行全面的惰性气体保护，以确保焊接熔池及热影响区与空气相隔绝，本试验选用高纯度氩气进行保护。由于在激光焊接过程中产生的等离子体会吸收部分激光能量，从而使到达工件的有效能量减少，阻碍焊接过程的正常进行，对焊缝上表面采用 12 南昌航空大学学士学位论文 侧吹气的方法可使等离子体驱离出熔池上方或者抑制其产生。如果焊缝背面不加以保护，也容易导致焊缝背面污染，甚至在焊缝根部出现裂纹，从而降低接头性能。由于实验设备限制，在焊缝背面采用平的铜板，使其与焊缝背面紧密接触，尽量在焊接过程中减少焊缝背面和空气的反应，提高焊接质量。由于是平板的对接焊接试验，因此使用的焊接工装夹具如下图2-2所示。 图2-1 激光焊接系统及其附属设备 图2-2 焊接夹具示意图 13 南昌航空大学学士学位论文 2.3 试验方法 2.3.1 焊前准备 在线切割完试片后，切口处会有线切割留下来的油渍，若不进行清理，这些油渍可能在焊接过程中会与熔池反应，生成气体或杂质，在焊缝中产生气孔、裂纹等焊接缺陷。所以，在焊前必须用干砂纸来打磨。并且在打磨过程中，必须保证焊接对接面是一条直线，以便在焊接对接时没有缝隙或使其保持在合理的范围之内。打磨过后必然会有许多杂质和少许残留的油污，若不除去的话，在焊接过程中可能会产生夹杂和气孔等缺陷，进而增加裂纹的倾向。所以，在打磨后还要用丙酮进行清洗，去除杂质和污渍。 2.3.2 试验方法及参数 激光焊接的主要焊接参数包括激光功率百分比、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲能量、焊接速度、气体流量、离焦量等，其中激光功率百分比是指激光峰值功率的百分含量，与脉冲宽度一起决定脉冲能量的大小。此次试验的焊接速度为0.3mm/s，气体流量为5L/min，离焦量为0，其他焊接参数不断变化。在预试验的基础上，设计试验参数如表2-2所示。研究各工艺参数对接头成形的影响，并获得成形良好的工艺参数范围。 为了获得成形良好的工艺参数范围，必须进行多次试验。由于激光焊接工艺优化的参数较多，若采用单因素轮换的全面试验设计法，试验量过大，而且在试验设计中没有考虑各因素之间的交互效应。因此，可以利用正交法来改变焊接参数。 此次试验主要是研究激光功率百分比、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲能量四个参数对激光焊接质量的影响规律，找出优化的焊接工艺参数。首先应该找到能使焊接式样为焊透的焊接参数(如D式样)和将试样焊穿的工艺参数(如E式样)，然后再在这两个焊接参数之间选择若干组焊接参数，通过金相观察和力学性能试验，确定良好的焊接参数。 在焊接时，特别增加了A1和A2两个试样进行焊接。其中A1是顺着焊接方向吹气，而A2是逆着焊接方向吹气。这主要是研究吹气方向对激光焊接接头质量的影响，通过焊后焊接接头强度、焊缝表面成形以及微观组织的观察来确定哪个吹气方向对焊接更有力，指导以后的焊接试验。 在焊接过程中，焊接线能量是由激光功率百分比和脉冲宽度决定的。因此，在调节工艺参数时，只需要改变脉冲频率、脉冲宽度以及激光功率百分比三个主要参数，其它的焊接参数都是固定值。 14 南昌航空大学学士学位论文 表2-2 焊接工艺参数 试样号 功率百分比 脉冲频率 脉冲宽度 脉冲能量 f/HZ T/ms E/J p/, A1 16 7.0 3.0 3.2 A2 16 7.0 3.0 3.2 B 16 7.0 2.9 3.1 C 19 7.0 3.2 3.9 D 13 5.0 2.4 2.0 E 21 7.0 3.0 3.9 F 15 5.0 2.4 2.4 G 16 5.0 2.7 2.8 H 18 7.0 2.8 3.2 I 18 6.0 3.0 3.5 2.3.3 拉伸性能试验 此次试验材料较薄，比较难机械加工成 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 拉伸试样，因此本试验拉伸试样尺寸定为60mm×3mm，如图2-3。拉伸性能测试在Instron5543拉伸试验机上进行。每组焊接参数重复3次试验，拉伸结果取3个试样的平均值。若试样在拉伸机夹紧处断裂时，那么必须重新再拉过一次，以保证拉伸结果准确。 15 南昌航空大学学士学位论文 图2-3 拉伸式样示意图 2.3.4焊缝表面形貌及金相显微组织观察 试样焊接完后，利用4XB-TV倒置金相显微镜观察焊缝表面成形情况，然后再用400倍显微镜进行拍照，而且要选取有明显特点的地方进行拍照。然后沿接头横向切取试样，如图2-4所示。将切取试样进行镶嵌并在抛光机上抛光，直到没有划痕为止。试样用王水和氯化铁的混合溶液进行腐蚀，使母材和焊缝上的晶粒显现出来，再利用4XB-TV倒置金相显微镜观察横截面宏观形貌，分析接头显微组织。 图2-4 金相截取位置示意图 2.3.5 显微硬度测量 将拉伸后的试样进行硬度测量，利用WT-401MVD型显微硬度计测量焊缝横截面的显微硬度，并且拍摄一些显微硬度的照片，以便进行分析。硬度测量点间距沿横向和纵向均为0.05mm，加载载荷为200g，加载时间为10s。 3 工艺参数对焊缝成形的影响 激光焊接中的焊缝成形过程为在激光束与焊接试样的相互作用下，被焊试样不断 16 南昌航空大学学士学位论文 被熔化，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。随着激光束的移动熔池前端的焊件不断被熔化进入熔池中，熔池后部则不断冷却结晶形成焊缝。采用不同的焊接工艺和参数，可以得到形状和尺寸各不相同的熔池，从而形成不同的焊缝。激光功率百分比、脉冲宽度、脉冲频率以及脉冲能量等工艺参数决定了激光焊接过程中焊接熔池的基本参数，对焊缝成形质量有重大影响，其中激光功率百分比对焊缝成形的影响最大。当焊接功率百分比较大时，激光功率密度较高，焊缝表面大量汽化，被焊试样容易焊穿，焊缝成形质量较差。当焊接功率百分比较小时，被焊试样表面温度低于母材的熔点，焊接试样没有焊透，焊缝成形质量也严重下降。其他的工艺参数对焊缝成形也有很大影响，它们共同决定了最终的焊缝成形情况。因此，研究焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律可以控制焊缝的表面成形质量。同时，通过优化激光焊接的工艺参数，还可以提高焊接接头的综合机械性能，这在实际生产活动中有重大的指导意义。 由于实验材料是只有0.2mm厚的GH4169高温合金薄板，因此对焊接工艺参数的精度要求非常高。并且在焊接薄板时，一般很难保证在焊透的情况下形成一条连续的无烧穿的焊缝。激光焊接的各个焊接参数都对焊缝成形有着重要的影响，它们既各自发挥自己的影响，又相互制约。因此，研究各个焊接参数对焊缝成形的影响规律和各个参数之间的相互影响规律就显得非常重要。本次实验通过不断改变激光焊接参数，分析焊接工艺参数对薄片状GH4169合金脉冲激光焊焊缝成形的影响。 3.1 保护性气体及吹气方向对焊缝成形的影响 图3-1(a)、(b)分别为A1试样激光焊接的焊缝正面与背面成形形貌，从图中可以看出该试样的焊缝表面成形美观，焊缝均匀平滑，无明显凹陷，正面、背面没有出现明显余高，无咬边。焊缝正背面都已焊透，没有焊瘤、焊穿及塌陷等缺陷，焊缝成形较好。A1试样的正面有氩气进行保护，而背面没有进行保护，通过图片我们可以看出焊缝背面的颜色更黑，氧化的更严重。在进行激光焊接时，焊接温度非常高，若没 17 南昌航空大学学士学位论文 有保护性气体进行保护，空气中有害气体和杂质会在熔池中与母材反应，使焊缝成形质量下降。当熔池冷却后有害物质会残留在焊缝里，增大焊缝的裂纹倾向，严重影响焊缝的力学性能以及成形质量。若在焊接过程中加惰性气体氩气进行保护，那么就可以使焊接熔池与空气隔绝开来，从而保证焊缝的成形质量。 此外，在激光焊接过程中，刚开始激光照射在工件表面，一部分热量被工件反射，剩余部分被工件吸收而使工件产生加热、融化和汽化，进而在汽化膨胀压力作用下在工件内部形成一个“匙孔”。当金属蒸汽继续在激光作用下产生电离形成一定浓度的高温等离子体，而高温等离子 [33]体是一种非常不稳定的状态，对激光束有吸收和散射作用，严重影响焊接过程的稳定性和激光效率，从而严重影响焊缝成形质量。在焊接过程中用惰性气体加以保护，既可以避免焊接熔池的氧化，又可以将焊接过程中产生的高温等离子体带走，提高焊缝成形的质量。 但研究表明，驱除等离子体的气流量过大或过小均得不到满意的焊缝。过大时，熔池搅拌激烈，易产生气孔等缺陷，并带走大量的热能。而过小时，不能起到驱除的作用，对工件保护效果较差。因此，选择合适的气体流量对焊缝成形也具有重大的影响，过大或过小都会降低焊接质量。 图3-2(a)、(b)分别为A2试样的焊缝正面与背面成形形貌，从中我们可以看出A2试样的焊缝成形质量要高于A1试样。在靠近热影响区母材部分，A1试样的氧化程度明显要比A2的程度高，鱼鳞纹也没有A2美观。而且，A2的背面成形情况也要比A1更好，颜色更鲜亮，有金属光泽。而且A2试样的背面焊缝宽度均匀，焊缝轮廓清晰。由此可以看出，在激光焊接过程中，逆着焊接方向吹气的焊缝成形质量要比顺着焊接方向吹气的质量更好。 18 南昌航空大学学士学位论文 0.1mm 0.1mm (a) 焊缝正面形貌 (b) 焊缝背面形貌 图3-1 A1试样的焊缝表面成形形貌 飞 0.1mm 0.1mm (a) 焊缝正面形貌 (b) 焊缝背面形貌 图3-2 A2试样的焊缝表面成形形貌 3.2 激光功率百分比对焊缝成形的影响 如下图3-3所示，它们分别是在激光功率百分比为13,、16,、19,下所得到的焊缝表面成形形貌图。从图中我们可以看出，当激光功率百分比为13,，此时焊缝背面明显有一条裂缝，这表明这条焊缝并没有被焊透，焊缝成形质量很差，如图3-3(a)所示。当激光功率百分比增大到16,时，焊缝上的鱼鳞纹排列紧密、细致，焊缝宽度均匀，并且焊缝的正背面都被焊透，焊缝成形质量非常好，如图3-3(b)所示。随着激光功率百分比继续增加，例如增加到19,时，焊缝就会被烧穿，在焊缝上我们可以看到间断被烧穿的小孔如图3-3(c)所示。 19 南昌航空大学学士学位论文 0.1mm 0.1mm (a) 功率百分比P=13, (b) 功率百分比P=16, 0.1mm (c) 功率百分比 P=19, 图3-3 不同功率百分比时焊缝表面形貌 从以上现象我们可以看出，激光功率百分比太大或太小都会严重影响焊缝成形的质量，从而严重降低焊缝的综合力学性能。如果太大，会使焊缝烧穿;但如果太小又会使焊缝难以焊透。所以，在激光焊接过程中，激光功率百分比的选择是非常重要的。只有经过多次试验，才可以最终确定最佳的激光功率百分比。 [34] 分析认为，当激光功率百分比较低时，即激光峰值功率低，焊缝表面的功率密度较小，输入的热量不能使焊缝表面金属加热温度达到沸点，随着激光焊接的继续进行，输入到焊缝表面的能量不断积累。焊缝表面的能量积累到一定程度时，焊缝正面熔化并将热量向背面传导，此时热量仅以热传导的方式进行传热。随着输入的能量和激光照射在工件被反射的能量以及与空气交换的热量达到平衡时，工件不再熔化，于 20 南昌航空大学学士学位论文 是出现了工件没有被焊透的现象。 当激光功率百分比较高时，激光照射在工件表面的功率密度较大，表面温度在极短的时间内升高到沸点，使金属熔化或汽化，当金属蒸汽以一定的速度离开熔池表面时，便产生了一个附加压力反作用于熔化的金属，使其向下凹陷,在激光光斑下形成一个小凹坑，如图3-4(a)所示。随着加热过程的进行，激光可直接射入坑底，形成一个细长的“小孔”，当金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再深入。当激光功率密度很大时,所产生的“小孔”将贯穿整个板厚，形成深穿透焊 [35]-4 (b)所示。当小孔随着光束相对于工件沿焊接方向前进时，金属在小孔前缝如图3 方溶化，然后绕过小孔流向后方凝固形成焊缝。此时，焊接方式表现为深熔焊接，整条焊缝都会被焊透，形成一条高质量的成形焊缝。 (a) 凹坑 (b) 小孔 图3-4 深穿透焊接时的加热现象 当继续增加激光功率百分比，峰值功率密度进一步增大，导致表面升温过程加快，使焊缝金属汽化的可能性提高，当激光功率百分比增加到一定值时，焊缝表面金属气化量太多，熔池的液态金属不足以填充焊缝表面汽化的金属，所以导致焊缝出现烧穿。 过程中，相邻脉冲激光发射后，工件在上一点输入的较高的脉冲并且在脉冲激光焊接 能量还未完全扩散时又受到下一点高脉冲能量的加热，此时工件上的能量存在一个累积过程，当能量累积到一定程度时就会发生烧穿。 21 南昌航空大学学士学位论文 3.3 脉冲频率对焊缝成形的影响 如图3-5所示，它们分别是脉冲频率为5HZ、6HZ、7HZ时焊缝表面成形形貌。从图中我们可以看出，当脉冲频率为5HZ时，试样表面成形质量差，出现焊缝没有被焊透的现象。并且，焊缝的鱼鳞纹参差不齐，可见，降低脉冲频率能够减少焊缝烧 焊接脉冲频率增加时，如增加到6HZ时，这意味着相邻两穿几率，如图(a)所示。当 个熔池的间距减少，彼此之间的熔池重叠率增加，使能量积累曾加，从而能使焊缝焊透，如图(b)所示。当焊接脉冲频率继续增加到7HZ时，焊接能量进一步积累，于是焊缝就被焊穿了，如图(c)所示。 分析认为，在其它参数不变的情况下，降低脉冲频率,增大了两个相邻脉冲熔池间的距离，即相互重叠的区域变小，激光功率密度降低，作用于熔池上的脉冲能量相对比较分散，使单位长度内的焊缝吸收的热量降低，焊缝表面温度还不足以达到金属熔点，于是未出现烧穿。因此说降低脉冲频率可以避免焊缝烧穿，但如果峰值功率较高，会导致焊缝表面气化严重，焊缝成形较差。 在单位脉冲能量不变时，随着脉冲频率的增加，单位长度内焊缝吸收的能量增加，即焊缝热输入量增大，此时焊接方式从低功率密度的热传导焊接转变为高功率密度的深熔焊接，从而使焊缝熔化深度增大，焊缝被焊透，表面成形质量良好。 当激光焊接的脉冲频率增加到一定值后，焊缝表面温度急剧增加，焊缝金属大量汽化，熔化的金属不足以填充汽化金属，严重的话会使焊缝焊穿。 综上所述，当脉冲频率较低时，焊缝重叠率较低，焊缝热输入量少，易出现未焊透现象。而当脉冲频率较高时重叠率高，热输入量增大，激光功率密度增高，焊缝表面汽化几率增加，焊缝飞溅严重，甚至产生焊穿等缺陷。 22 南昌航空大学学士学位论文 0.1mm 0.1mm (a)脉冲频率f=5HZ (b)脉冲频率f=6HZ 0.1mm (c)脉冲频率f=7HZ 图3-5 不同脉冲频率下的焊缝表面形貌 3.4 脉冲宽度对焊缝成形的影响 如图3-6所示，它们分别是脉冲宽度T=2.4ms、T=2.7 ms、T=3.0 ms、T=3.2 ms时试样焊缝表面成形的宏观图片。当脉冲宽度T=2.4ms时，焊缝正面的鱼鳞纹规则有序，焊缝宽度也比较均匀，没有明显的焊接飞溅产生，但是焊缝的背面没有被焊透，焊接成形质量不符合要求，如图3-6(a)所示。当脉冲宽度从2.4ms增加到3.0ms时，焊缝正背面都被焊透，焊缝成形质量良好，如图3-6(b)、(c)所示。当继续增加脉冲宽度到3.2ms时，焊缝的热量大大增加，焊缝表面被烧穿，如图3-6(d)所示。 0.1mm 0.1mm (a)脉冲宽度T=2.4ms (b)脉冲宽度T=2.7ms 23 南昌航空大学学士学位论文 0.1mm 0.1mm (c)脉冲宽度T=3.0ms (d)脉冲宽度T=3.2ms 如图3-6不同脉冲宽度的表面形貌图 如前面所述，激光焊接的焊接线能量是由激光功率百分比和焊接脉冲宽度所决定的。当激光功率百分比一定时，随着脉冲宽度的不断增加，焊接的线能量也随之增加。当线能量增加到一定值时，激光焊接方式也将发生变化，从热导焊变为匙孔深熔焊。当激光脉冲宽度较低时，脉冲作用的时间较短，焊接线能量较小，激光输入的能量部分被工件吸收，另外一部分被工件反射掉了，此时的焊接方式为热导焊。激光传导给工件的能量不足以使之熔化和汽化，也难以使热量向工件内部传递，因此焊接试样没有被焊透。 当脉冲宽度增加到一定程度时，激光焊接方式将发生变化，从热导焊接变为深熔焊。此时的焊接可以通过小孔效应来使焊接能量不断向焊缝深处传递，焊缝金属不断被熔化，从而使焊缝焊透。 但当脉冲宽度增加到3.2ms时，焊缝表面金属蒸汽对液态金属的压力较高，导致焊缝在热量和金属蒸汽压力作用下被焊穿。同时由于焊缝液态金属停留时间长，焊缝表面金属汽化量也增加，并且可能会使焊缝热影响区变大。 3.5 线能量对焊缝成形的影响 线能量是由激光功率百分比、脉冲宽度一起共同决定的。线能量越高，工件表面吸收的能量也就越多，焊缝也就越容易被焊透和焊穿。但是，在相同的线能量的情况下，不同的激光功率百分比和脉冲宽度会产生不同的影响。例如在焊接线能量相同的情况下，激光功率百分比较高时，功率密度高，焊缝表面金属气化严重，易出现烧穿和飞溅;而相对激光功率百分比较低时，焊缝气化程度降低，脉冲宽度与脉冲频率的增加，热量沿焊缝宽度方向扩散，因此不会出现烧穿，这表明激光功率百分比对焊缝 24 南昌航空大学学士学位论文 成形影响显著。 若在相同的线能量的情况下，脉冲宽度越大，那么功率百分比就更小，虽然在单位长度上焊缝吸收的能量相等，但是吸收的能量更倾向于向焊缝两边传递，时焊缝的宽度增加，焊缝的深宽比减少，而且不容易产生飞溅。 因此，焊接线能量也是影响焊缝表面成形的重要焊接参数，只有选择好线能量，才可能得到良好的焊缝，过大或过小都不利于焊接质量。 4焊缝微观组织的特征 GH4169通过激光焊接加热，经历了加热、熔化、结晶、冷却、固态相变等一系列复杂的过程，焊缝的微观组织发生了变化，使材料的性能也发生了明显的变化。在激光焊接过程中，焊缝金属的温度发生急剧改变，刚开始时焊缝温度快速上升到金属 温度分布的非熔点以上，使金属的晶粒尺寸也随之发生改变。在此过程中，由于焊接常不均匀，从而破坏了焊缝的成分均匀性，使焊缝中的化学成分变得不均匀。由于成分决定组织，组织决定性能，性能又决定用途。因此 ，若焊缝微观组织产生变化，必然会造成焊缝成形、接头组织和力学性能上的不均匀性。而焊缝及热影响区的组织、性能显著地影响焊接构件的使用寿命乃至设备的安全，因此研究焊接接头的组织、性能具有重要的意义。 4.1 热影响区的微观组织特征及分析 在激光束扫过焊缝时，焊缝周围处于固态的基材就会发生明显的固态相变过程，这一区域就被称为焊接接头的热影响区。如下图4-1所示，此图为A1试样的焊缝断面微观组织。从图中我们可以看到，焊缝的热影响区非常小，甚至是几乎看不到。距离焊缝越近，晶粒长大的就越严重。分析认为，由于激光焊能量密度大，激光与材料的作用时间极短，而且冷却速度较快，激光的能量传递范围有限，因此加热的区域较小。此外，在进行薄片激光焊接时，激光束的直径也非常小，只有0.2mm，输入的激光线能量较小，因此对接接头只有微小区域受到加热。另外，焊缝的冷却速度较快，减轻了激光能量对近缝区的加热作用影响，从而使接头热影响区很小。而且，冷却速度快使热影响区在相变温度以上停留时间较短，晶粒长大程度减小，但是要比母材晶粒粗大。 25 南昌航空大学学士学位论文 25um 图4-1 热影响区的微观组织 4.2 焊缝区的微观组织特征及分析 由于在激光焊接过程中，激光束的能量在焊缝表面分布很不均匀，导致焊缝中晶粒的尺寸和形态发生变化，形成了不同的微观组织。而且由于焊缝各个部位加热和冷却的不均匀性，使焊缝中的晶粒大小也各不相等。因此，我们可以将焊缝区分为边缘区、中心区、和熔合区。 如图4-2(a)、(b)、(c)所示，它们分别是焊缝中心区、边缘区、熔合区的微观组织照片 25um 25um (a)焊缝中心区 (b)焊缝边缘区 25um (c)熔合区 图4-2 焊缝不同区域的微观组织 通过对上述图形的观察，我们发现焊缝中心区为细小的等轴晶，焊缝边缘为柱状晶组织，而焊接熔合区的晶粒比较复杂，似乎既有等轴晶又有柱状晶组织。 通过对焊缝区进一步观察，发现焊缝区组织沿着热扩散方向生长，具有定向快速凝固特征。由凝固理论可知，温度梯度G与凝固速率R的比值G/R(结晶参数)决定 26 南昌航空大学学士学位论文 着凝固组织的形貌。在激光焊接过程中，由于熔池与冷金属接触，冷却速度很快，凝固开始时，在液相的一侧存在着极大的正温度梯度，不会出现成分过冷现象，因此固/液界面向前推进速度很慢，使得G/R很大。凝固首先以无晶核的方式直接在熔池边缘区域通过晶体外延附生的方式生长出一层细长的柱状晶并且夹有细小等轴晶，如图4-2(c)所示。随着结晶过程的进行，G/R逐渐减小，成分过冷区的存在破坏了熔池的稳定性，这时宏观界面偶然扰动产生的任何凸起都将面临较大的过冷而以更快速度进一步长大，而新晶核的形成比较困难，因此细长的柱状晶长成了粗大的柱状晶，如图4-2(b)所示。当熔池中晶粒长大时,熔池前方排出的溶质就被推到固液界面，G/R进一步减小，成分过冷区变宽,柱状晶就以树枝状方式生长，晶粒就转变成明显的枝状晶。随着枝状晶向前生长，越靠近焊缝中心区，温度梯度越小，成分过冷越来越大，成分过冷区增大，这又促进了焊缝中心区金属的细化，使该区表现为细小的等轴晶，如图4-2(c)所示。 从上图中我们还可以看出，焊缝组织中有明显的分层线。这是由于激光焊接时，焊缝的加热与冷却速度很快，在焊缝中形成了横向枝晶很短主轴很长的树枝状晶，从而在晶粒内形成晶内偏析，形成层状组织，这主要是脉冲激光焊接加热的周期性以及焊接过程中焊缝成分的不均匀性所造成的。 ,激光工艺参数对焊接接头力学性能的影响规律 GH4169作为一种应用广泛的镍基高温合金，焊接接头强度的力学性能的好坏决定了它的使用性能，不同的工艺参数对接头强度的影响规律各不相同因此，研究激光焊接工艺参数对接头强度的影响具有十分重要的意义。 5.1 激光焊接工艺参数对焊接接头抗拉强度的影响 如图5-1所示，下图是A2试样的拉伸曲线图，它也是典型的拉伸曲线示意图。随着不断拉长，所需的拉力也就越大。当伸长到一定程度时，试样就会被拉断，这期间要经历弹性区间、塑性区间、屈服区间、断裂区间等几个阶段。 由于不同试样的焊接参数各不相同，因此它们的抗拉强度强度也会有差异。通过700 抗 测量不同试样的最大抗拉强度和延伸率，分析比较所得的数据，找出其中的规律，从600 拉 而发现工艺参数对接头强度的影响规律，表5-1为各个试样进行拉伸实验所得到的数500 拉 400 据(M表示母材)。 力 300 通过观察拉伸试样断裂位置，我们发现A1、A2、G、B试样在近焊缝区处断裂，/ 200 (N) 100 , , , , , , , , , 10 11 12 13 14 15 16 27 试样拉伸长度 (mm) 图5-1 A2试样拉伸曲线图 南昌航空大学学士学位论文 这说明这些试样的焊接接头强度高于母材的强度。同时H和I试样在焊缝处断裂，如图5-2所示，这说明焊接接头的强度要低于母材的强度。 表5-1 各个焊接试样的抗拉强度和延伸率 试样编号 抗拉强度/MPa 延伸率/, A1 791.0 41.2 A2 767.1 38.0 B 811.8 38.0 G 791.5 38.7 H 794.4 25.0 I 828.9 35.0 M 792.9 42.0 0.1mm 0.1mm (a)H试样 (b)I试样 图5-2 H和I拉伸试样的断裂位置示意图 从表5-1中我们可以看出，激光焊接后各个试样的抗拉强度都发生了变化，有些试样抗拉强度增强，有些却减弱，但是焊后焊接接头的延伸率都低于母材。这表明GH4169合金经过激光焊接后，焊接接头的强度有增高也有减小，但是接头的韧性和塑性下降。 分析认为，焊接接头的焊接过程，实质上是特殊的热处理过程，焊后接头的组织形态和晶粒尺寸大小都发生了变化。随着焊接过程中晶粒的重新形核，焊缝的中心出现了细小的等轴晶，而且近焊缝区出现的柱状晶晶粒尺寸也都要比母材的晶粒尺寸要小，起到了细晶强化的作用。此外，焊缝的组织形态与母材相比也发生了变化。在 28 南昌航空大学学士学位论文 高温焊接情况下，会形成金属碳化物的析出，阻碍位错的移动，起到一种固熔强化的作用，使焊缝的抗拉强度得到提高，并且高于母材。但同时焊缝及热影区的组织都比较硬脆，且韧性和塑性都较差，因此导致焊接接头的塑性下降，延伸率下降。 当激光功率百分比和脉冲宽度增加到一定程度时，焊缝表面金属会产生汽化，焊缝深度和宽度都会都会增加，但是焊缝深宽比降低。同时，由于线能量较大，热影响区范围也随之增加，而且晶粒变粗，这些都使焊接接头的力学性能降低。焊接线能量越大，焊缝晶粒尺寸增大，晶粒内产生偏析现象更加严重，焊缝力学性能也随之下降，使焊缝的抗拉强度要比母材低。 此外，我们可以看出，A1的抗拉强度和延伸率都要高于A2试样，这表明顺着焊接方向吹气要比逆着焊接方向吹气更能提高焊接接头的抗拉强度与塑性。这是由于顺着吹更有利于焊接能量的扩散，熔池中的温度梯度较小，更有利于细小的等轴晶晶粒的形成，从而使焊接接头的力学性能得到提高。 功率百分比对抗拉强度也有重要影响:如果功率百分比值太大，输入的线能量较高，焊缝及热影响区的晶粒尺寸变大，导致焊接接头的抗拉强度降低;如果功率百分比值太低，输入的线能量较较小，有可能有未熔合等缺陷。因此，只有采用合适的功率百分比才能使焊缝的力学性能达到最佳状态。 从表5.1中还可以看出，当激光功率百分比为18,时，脉冲频率F=6HZ的I试样的抗拉强度最高，脉冲频率过大或过小都不利于提高焊接接头的强度。脉冲频率反映的是相邻熔池间的间隔或重叠率，脉冲频率太高时，相邻熔池间重叠率增加，上一个熔池对下一个熔池的加热作用明显，使焊缝在高温停留时间增长，焊缝晶粒变得更加粗大，从而降低了焊缝组织的力学性能，如H试样;脉冲频率过低时，各熔池间间隔加大，重叠率降低，甚至没有重叠，导致焊缝的抗拉截面面积减少，抗拉强度降低。 5.2焊接接头显微硬度分析 图5.3所示为P=18%、T=3.0ms、f=6HZ时接头熔宽方向显微硬度分布曲线。从图中可看出，从母材—焊缝—母材，显微硬度值先由低变高，再由高变成低。其中，焊缝边缘热影区硬度值最低，约为212HV;焊缝中心出现细小的等轴晶，硬度最高，达到了353.2HV，如图5-4(a)。而且焊缝的显微硬度要高于母材和热影响区的硬度，但是焊缝中的不同区域的显微硬度又各不相同。这说明焊缝内的组织成分并不均匀，各部分的组织状态和晶粒尺寸各不相同。由显微组织图5-4(b)可以看到，在焊缝边缘有一柱状晶区，这是由于激光能量很高，焊接时间很短，焊接过程中的热量来不及 29 南昌航空大学学士学位论文 扩散，从而造成局部温度过高，晶粒长大，硬度较低。 图5-3焊接接头显微硬度分布 25um (a)焊缝中心区显微组织图 25um (b)焊缝边缘区显微组织图 图5-4 I试样不同区域显微组织图 30 南昌航空大学学士学位论文 激光焊接各个参数对焊缝的显微硬度影响有着自己独特的规律，但它们又相互影响、相互制约，共同决定了焊缝的显微硬度规律。 如下图5-5所示，试样A2、B、G都是在功率百分比P=16,时进行激光焊接的，它们焊缝中心的最大显微硬度分别是368.3HV、350.6HV、359.7HV。 图5-5 不同试样的显微硬度对比 从图中可以看出，硬度开始随着脉冲宽度的增加而减少，这可能是由于脉冲宽度的提高使焊接过程中焊缝金属在高温停留时间增大，周围金属对激光的吸收率增加，焊缝中心温度梯度下降，导致焊缝中心冷却速度下降，晶粒较大。但随着脉冲宽度的继续增加，焊缝被激光穿透，导致在焊缝表面出现等离子云，降低焊缝金属对激光的吸收率，最终使得焊缝冷却速度增加，焊缝晶粒因此而得到细化。通过对比其它焊接参数的影响我们可以发现，激光功率百分比、脉冲频率和焊缝线能量等在初始阶段增加都会使焊缝显微硬度降低，但随后又将随着它们的增大而减小。此外，在一定范围内，随着激光功率百分比、脉冲频率和脉冲宽度的增加，焊缝线能量增大，热输入增加，使得焊缝中心晶粒得到细化，显微硬度增加，焊缝的综合力学性能增强。 31 南昌航空大学学士学位论文 6结论 GH4169高温合金是一种在航空航天中应用广泛的材料，传统的焊接方法难以满足现实的需要。针对这种情况，此次试验对GH4169薄板进行了激光焊接研究，主要研究焊接工艺参数对焊缝表面成形、焊缝微观组织、焊缝力学性能的影响规律，为以后GH4169激光焊接提供研究。实验结果表明: (1)保护性气体逆着焊接方向吹气比顺着焊接方向吹气更有利于提高焊缝表面成形质量，其它工艺参数也对焊缝成形也具有很大影响，特别是激光功率百分比影响最大。当激光功率百分比达到19,时，焊缝金属表面汽化严重，焊缝被焊穿;当激 ,或更小时，焊缝表面温度没有达到金属的沸点，焊缝背面明显光功率百分比为13 没有被焊透。减小脉冲频率有利于避免焊缝的烧穿，脉冲宽度和脉冲能量对焊缝质量也有很大影响。当脉冲能量超过3.9J时，焊接试样明显被烧穿。激光焊接参数对焊缝成形质量既有各自独特的影响规律，又相互影响。只有找到合适与匹配的焊接参数，才能得到良好的焊缝表面成形。实验表明，当焊接功率百分比为16,且脉冲宽度为3.0ms时，焊接接头的综合力学性能最好。 (2)激光焊接接头微观组织的晶粒形态和尺寸大小在不同的焊接区域各不相同，而且焊接热影响区很小。焊缝的中心组织主要为细小的等轴晶，焊缝边缘区主要为柱状晶，熔合区的晶粒为细小的等轴晶和柱状晶的混合组织。随着激光功率百分比、脉冲宽度和脉冲能量的增大，单位长度焊缝的热输入能量越大，焊件获得的能量就相对较多，焊缝区冷却速度下降，过冷度减小，晶粒尺寸变大，焊缝的综合性能下降。 (3)焊缝区的晶粒尺寸普遍要小于母材晶粒的尺寸，但是由于热影响区晶粒变粗以及融合区微观组织的不均匀性，使部分GH4169的激光焊接接头拉伸强度要高于母材的拉伸强度，但也有部分低于母材强度。这在宏观上表现为拉伸试样部分断在母材，而其它试样却断在焊缝。当焊接功率百分比为18,、脉冲宽度为3.0ms时，焊接接头的抗拉强度最高。但是焊接接头的延伸率却比母材要小，这是由于热影区的晶粒粗大，焊缝中析出比较硬脆的组织，形成组织脆化，导致焊接接头的塑性降低，延伸率下降。此外，焊缝中心区的显微硬度值最高，热影响区和熔合区的显微硬度相对较低，但是都要比母材要高，这与焊缝的微观组织形态和晶粒尺寸相关。当焊接功率百分比为16,、脉冲宽度为3.0ms时，焊接接头的显微硬度最大。 32 南昌航空大学学士学位论文 参考文献 [1] 黄乾尧，李汉康(高温合金[M](北京:冶金工业出社，2000( [2] 钱昌黔(耐热钢焊接[M](北京:水利电力出版社，1988( [3] 张延生，钟祖桂(高温合金氩弧焊时冶金及工艺因素对形成热裂纹的影响[J](焊接学报，1982， 3(2):57( [4] 张延生，柯明，史常瑾(GH99镍基合金焊接热裂纹的动态过程研究[J](焊接学报，1986， 17(4):181( [5] 韩文波，张凯锋，王国峰(Inconel718合金扩散连接接头的组织与性能研究[J](材料科学与 工艺，2005，3(13):308-311( [6] 任家烈，吴爱萍(先进材料的连接[M](北京:机械工业出版社，2000( [7] 朱企业(激光精密加工[M](北京:机械工业出版社，1990( [8] 曹明翠(激光热加工[M](湖北武汉:华中理工大学出，1995( [9] 张永康(激光加工技术[M](北京:化学工业出版社，2004( [10] 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