Invar合金激光-MIG復合多層焊接焊縫形貌及顯微組織

陳 潔，占小紅，陳紀城，王宇博，晏冬秀，王玉華，劉紅兵

Invar合金激光-MIG復合多層焊接焊縫形貌及顯微組織

陳 潔1， 2，占小紅1，陳紀城1，王宇博1，晏冬秀2，王玉華2，劉紅兵2

（1. 南京航空航天大學 材料科學與技術(shù)學院，南京 210016；
2. 中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 200436）

借助激光-MIG復合焊技術(shù)，采用Invar M93焊絲對厚度為19.05 mm的Invar合金板材進行多層對接焊實驗。分析了工藝參數(shù)對焊縫熔深、熔寬及深寬比等宏觀形貌參數(shù)的影響，并研究Invar合金復合焊接頭不同區(qū)域的顯微組織特點及形成原因。結(jié)果表明：從打底層到蓋面層焊縫的平均深寬比由2.6減小到0.86，熱影響區(qū)寬度明顯增加，焊縫形貌由釘頭狀轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣_杯狀。焊縫中心區(qū)域形成縱向分布的狹長奧氏體柱狀樹枝晶，兩側(cè)為斜向生長的奧氏體胞狀樹枝晶。從打底層到蓋面層，焊縫中不同區(qū)域的晶粒度均逐漸增大。另外，相鄰焊縫邊界亦存在熱影響區(qū)，出現(xiàn)聯(lián)生結(jié)晶現(xiàn)象。

Invar合金；激光-MIG復合焊；焊縫形貌；顯微組織；結(jié)晶形態(tài)

復合材料具有密度小、強度高、疲勞性能好等系列特點，應用于航空航天產(chǎn)品中能夠帶來多方面綜合效益，如減輕機體結(jié)構(gòu)、延長維護間隔和降低運營成本等［1-3］。這些優(yōu)點使得復合材料日漸成為大型飛機制造的基本材料之一。復合材料的制備技術(shù)也成為國產(chǎn)大型飛機研發(fā)中的關(guān)鍵性技術(shù)之一［4］。

飛機復合材料零件通常是在模具中進行固化成型，脫模后零件的外型面一般不再進行加工［5-6］。因此，復合材料零件的優(yōu)劣在很大程度上取決于模具因素。與傳統(tǒng)的模具制造材料如碳鋼、鋁合金相比，Invar合金的熱膨脹系數(shù)與復合材料的相近，采用其作為復合材料制件的成型模具可解決因模具材料與復合材料熱膨脹系數(shù)差異所導致的型面超差與尺寸精度超差問題，并且具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及真空穩(wěn)定性［7］。另一方面，與石墨、碳纖維等模具材料相比，Invar合金的原材料及其模具結(jié)構(gòu)制造成本要低得多。因此，在航空復合材料模具制造領(lǐng)域開始越來越多地采用Invar合金。

當前，為滿足大尺寸飛機復合材料零件的生產(chǎn)需求，大尺寸、大厚度的 Invar合金模具的加工成形成為一大難題，焊接成為較為通用的一種方法。對于大型復雜的焊接結(jié)構(gòu)，構(gòu)件結(jié)構(gòu)、焊接工藝、施焊條件等對焊后構(gòu)件的變形及殘余應力分布有很大的影響［8-9］；在焊接過程中，焊接參數(shù)控制不當易出現(xiàn)氣孔、縮松、咬邊等缺陷，嚴重影響焊接質(zhì)量。大量研究表明，傳統(tǒng)的針對厚板材料的多層多道電弧焊存在焊縫晶粒粗大、熔深較淺、焊后變形嚴重及生產(chǎn)效率低等問題［10］。在 Invar合金厚板焊接過程中，由于母材較高的Ni元素含量導致熔池液態(tài)金屬流動性差，故極易產(chǎn)生未焊透、根部未熔合等缺陷，焊件殘余應力較大。光纖激光-MIG復合焊作為一種新型高效的焊接工藝，采用激光和 MIG電弧作為雙重熱源同時作用在一個熔池中，通過激光引導并穩(wěn)定電?。?1-13］。同時，電弧又能夠提高焊件對激光的吸收率，增強熔滴過渡橋接能力［14-15］。復合焊技術(shù)既充分發(fā)揮了弧焊和激光焊的優(yōu)勢，又彌補了各自的不足，能較好地滿足 Invar合金模具的生產(chǎn)加工需求，極具應用前景［16］。

目前，僅有少量學者與科研機構(gòu)對 Invar合金的激光-MIG復合焊接技術(shù)開展了相關(guān)研究，且多集中于薄板的單道焊接成形。LI等［8］采用激光焊與激光電弧復合焊技術(shù)對5 mm 厚 Invar 36合金進行平板對接焊，分析并對比了不同焊接方法下焊接接頭的顯微組織、熱膨脹系數(shù)與力學性能。XU等［19-20］采用激光-TIG復合焊方法對6 mm厚的WC-30Co硬質(zhì)合金與Invar 42合金開展異種材料焊接實驗及相關(guān)數(shù)值模擬研究。而針對飛機復材模具制造中所使用的中厚板 Invar合金，采用激光-MIG復合對其進行多層填充焊接的相關(guān)研究工作在國內(nèi)外鮮有報道。

本文作者針對19.05 mm厚Invar合金，采用Invar M93焊絲并借助焊接機器人開展激光-MIG復合多層對接焊實驗，研究不同的焊接參數(shù)下焊接接頭的宏觀形貌，著重分析焊縫顯微組織形態(tài)特點，探討激光-MIG復合焊熱源與工藝參數(shù)對Invar合金焊接熔池凝固的作用機制。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗所采用的 Invar合金板材系法國安普朗合金有限公司生產(chǎn)，上海飛機制造有限公司提供。焊絲為Invar合金焊接專用的Invar M93焊絲，直徑1.2 mm，其化學成分與母材的相近。母材及焊絲的化學成分如表1所列。

1.2 實驗設(shè)備

實驗所用激光-電弧復合焊接設(shè)備包括KR 30HA 型 KUKA機器人、TPS-5000型福尼斯焊機、IPG YLS-6000型光纖激光器及配套夾具，如圖1（a）～（c）所示。焊接實驗結(jié)束后，使用MPD-2W型雙盤臺式金相磨拋機對焊接實驗件進行磨拋處理，采用 Leica DMILM 金相顯微鏡在不同倍率下對焊接接頭進行微觀形貌檢測分析。

1.3 實驗方法

Invar合金板材經(jīng)線切割加工成尺寸為 100 mm×50 mm×19.05 mm的焊接試樣，開30°坡口，鈍邊厚度6 mm。打底焊襯墊采用開弧形溝槽的4 mm厚紫銅板以防止漏焊并改善焊縫成形。激光光軸與水平方向夾角為60°，焊絲與之夾角為30°，光絲間距2 mm。打底焊時激光焦點位于鈍邊與坡口的交界處，即離焦量為負，以獲得較大的熔深；填充焊及蓋面焊時激光離焦量為 0，即焦點位于前一道焊縫的表面中心。焊接方向為激光先導。Invar合金的激光-電弧復合焊接試樣尺寸及光絲位置如圖2所示。

由于 Invar合金在常溫常濕的實驗室環(huán)境下極易生銹，且線切割后表面殘留大量油污，因此焊前需要進行嚴格的清理：使用角磨機對試樣坡口和鈍邊等區(qū)域進行打磨，除去鐵銹等雜質(zhì)，之后用丙酮擦拭除油，待室溫下干燥后進行焊接。通過前期實驗探索設(shè)計如表2所列的Invar合金激光-MIG復合焊接工藝參數(shù)，其中焊接電壓值采用 weld1（焊接不銹鋼材料）模式下焊機根據(jù)焊接電流所匹配的標準值。保護氣體采用80%氬氣+20%二氧化碳（體積分數(shù)）的混合氣體，流量為15 L/min，以提高熔滴過渡穩(wěn)定性，改善熔深及焊縫外觀成形，減少焊接缺陷。焊前不采用預熱措施，填充層及蓋面層的層間溫度控制在100～150 ℃。前一道焊完后，使用角磨機及鋼絲刷清理焊件表面氧化皮。

焊接接頭金相試樣制備過程包括線切割、打磨、拋光、腐蝕及烘干處理。其中腐蝕液采用王水，即鹽酸與硝酸以3:1的體積比混合，腐蝕時間為2～3 min。在金相顯微鏡下對Invar合金激光-MIG復合焊接接頭微觀形貌進行觀察。

表1 Invar合金與M93焊絲的化學成分［17］Table 1 Chemical composition of row material and welding wire［17］

表2 激光-MIG復合焊多層單道焊接參數(shù)Table 2 Laser-MIG hybrid welding parameters

圖1 激光-電弧復合焊接實驗平臺Fig. 1 Laser-MIG hybrid welding experimental platform: （a）‘KR 30HA’ KUKA robot； （b） ‘TPS5000’ Fronius welding machine； （c） ‘YLS-6000’ fiber laser

2 結(jié)果與討論

2.1 焊縫宏觀形貌分析

Invar合金焊縫外觀及接頭截面宏觀形貌如圖3所示。可見焊縫成形良好，電弧穩(wěn)定段焊縫均勻平直，未見飛濺、咬邊等缺陷，焊后變形量較小。不同焊接參數(shù)下接頭形貌均呈現(xiàn)高腳杯狀，上下層相鄰焊縫熔合良好，未見根部未熔合孔隙，僅在打底焊處出現(xiàn)少量冶金氣孔。氣孔成因在于鎳基合金焊接時，液態(tài)Ni 對H、O元素的溶解度較大，其中Ni與O首先形成NiO，熔池冷卻凝固后，NiO與焊縫中C和H元素進一步作用產(chǎn)生CO、H2O氣體。由于打底層焊接以激光熱源作用為主，相比于填充層及蓋面層，冷卻速度較快，氣體未能及時逸出而形成氣孔。

Invar合金焊縫宏觀形貌特征參數(shù)見圖4（a）～（c），包括打底層、填充層、蓋面層以及全焊縫的熔寬、熔深及深寬比。其中打底層及填充層焊縫熔深的測量，考慮了后一道焊縫對前一道焊縫上部的熔化的影響。如圖4（d）所示，采用游標卡尺分別測量焊縫頂部與后一道焊縫底部熔合線的左右兩個交點與焊縫底部最低點間的兩段距離Pil、Pir（i=1，2），將二者的平均值認為是該道焊縫的近似熔深Pi，即：

隨著打底焊激光功率由5 kW增至6 kW，激光熱源的深熔穿透作用更為顯著，焊縫的熔深、上熔寬及下熔寬均有所增加，改善了焊縫熔透性。但由于該層坡口間隙窄而長，影響了電弧的可達性，故熔深、熔寬的增加不甚明顯；對于填充層焊縫，由于坡口間隙增大，電弧熱作用的影響愈加顯著，在激光-電弧協(xié)同作用下，填充層的熔深及熔寬有明顯增加；對于蓋面層焊縫而言，電弧熱成為影響焊縫成形的主要因素，故激光功率的增大并未帶來熔深的增加，如圖3（a）、（b）所示。圖3（c）所示為試樣不同層焊縫的深寬比，打底焊為2.51～2.66，焊縫較為狹長，呈筆直釘頭狀，更為接近激光深熔焊的焊縫形貌；蓋面焊的深寬比僅為0.8～0.92，外觀呈高腳杯狀，同時由于熔池受電弧磁偏吹等因素的影響，焊縫出現(xiàn)了一定程度的傾斜，為典型的復合焊接焊縫形貌。可見在豎直方向上，越接近焊件表面，電弧對焊縫成形的影響逐漸增強，激光與MIG電弧的協(xié)同作用更為明顯，導致焊縫的深寬比逐層減小。

圖3 Invar合金焊接試樣及接頭宏觀形貌Fig. 3 Macro morphologies of laser-MIG hybrid welded specimens and joints: （a） Specimen 1； （b） Specimen 2； （c） Specimen 3

2.2 焊接接頭顯微組織分析

圖5所示為Invar合金焊接接頭沿熔深方向各層焊縫的母材、焊縫及熱影響區(qū)顯微組織形貌。其中母材區(qū)為細小的奧氏體相，熱影響區(qū)晶粒粗大，有明顯的熔合線，焊縫區(qū)為不同Ni含量的γ（Fe，Ni）相組織，沿散熱最快方向相間分布。受復合焊激光、電弧對焊縫的作用位置不同的影響，相比于蓋面焊，打底焊的熱影響區(qū)很窄，幾乎觀察不到熔合線外側(cè)的熱影響區(qū)。反映出激光作用下打底焊熔池凝固速率很快，熱影響區(qū)受熱時間短，晶粒來不及長大，因而組織形貌接近母材，如圖5（a）所示。填充層可以觀察到寬120 μm左右的熱影響區(qū)，奧氏體組織有明顯長大，為MIG電弧的作用下熔池冷卻速率降低的結(jié)果。蓋面焊的熱影響區(qū)最寬，達200 μm，電弧的熱作用最為明顯。焊縫區(qū)的形貌差異主要體現(xiàn)在不同Ni含量γ（Fe，Ni）相的寬度及交錯分布的均勻性，由打底層至蓋面層寬度逐漸增大，均勻度降低，反映出焊接過程中不同的熔池攪拌劇烈程度及熔池凝固速率。

圖4 不同激光功率下Invar合金焊接接頭宏觀形貌參數(shù)Fig. 4 Macro topography parameters of Invar alloy weld with different laser powers: （a） Weld penetration； （b） Weld witch； （c） Weld depth-to-witch ratio； （d） Test positions of weld

圖5 不同焊縫層母材、熱影響區(qū)及焊縫微觀形貌Fig. 5 Microscopic structure of base metal， HAZ and weld beam at different weld layers: （a） Back weld； （b） Filling weld； （c）Filling weld； （d） Cover weld

圖6 各層焊縫中心及兩側(cè)區(qū)域顯微組織Fig. 6 Microscopic structure at weld seam center （region 1） and both sides of the center （region 2） of each weld layer : （a） Back weld； （b） Top of back weld； （c） Cover weld； （d） Filling weld； （e） Local region of filling weld； （f） Columnar dendrite of filling weld；（g） Cellular dendrite of filling weld； （h） Columnar dendrite of cover weld； （i） Cellular dendrite of cover weld

圖6所示為Invar合金激光-電弧復合焊2號焊接接頭試樣各層焊縫的微觀形貌?？梢钥吹酱虻讓?、填充層及蓋面層均可按晶粒形態(tài)不同劃分為兩個區(qū)域，即狹長的焊縫中心1區(qū)和偏離焊縫中心2區(qū)。1區(qū)主要為沿豎直方向分布的柱狀樹枝晶，2區(qū)則多以胞狀樹枝晶為主，方向基本垂直于坡口壁面，與焊縫最快散熱方向相一致。如圖 6（a）～（d）所示，不同焊縫層的焊縫中心區(qū)寬度差異明顯：打底層的焊縫1區(qū)幾乎不可見，只能觀察到明顯的焊縫中心線，而在打底層焊縫的頂部開始出現(xiàn)1區(qū)晶粒特征；相比之下，填充層與蓋面層1區(qū)較為明顯。

焊縫不同區(qū)域的結(jié)晶形態(tài)差異主要由液相成分過冷程度不同所決定，可液相成分過冷穩(wěn)定性判據(jù)公式［21-22］進行判斷：

式中：G為液固界面前沿液相中的溫度梯度；R為晶粒生長速度或結(jié)晶速度；mL為合金相圖中液相線的斜率；C0為溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)；k為溶質(zhì)分配系數(shù)；DL為溶質(zhì)在液相中的分配系數(shù)。其中G、R、C0為決定熔池結(jié)晶形態(tài)的主要因素［18］，如圖7所示。

液固界面的溫度梯度G與焊接熱輸入E及散熱狀況密切相關(guān)，其中散熱狀況主要取決于各層焊縫的熔池形貌，復合焊的熱輸入由式（3）給出：

式中：P、I、U、v分別為激光功率、焊接電流、電壓及焊接速度；ηl、ηa分別為激光及電弧各自的焊接熱效率。這里忽略了激光和電弧的相互作用對各自熱效率的影響，取ηl=0.9，ηa=0.8。則打底層、填充層及蓋面層的焊接熱輸入如表3所列。

圖7 焊接熔池結(jié)晶形態(tài)與溫度梯度G、結(jié)晶速度R及溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)C0的關(guān)系Fig. 7 Relationship of crystal forms of weld pool to temperature gradient G， solidification rate R and solute concentration C0

結(jié)晶速度R與焊接速度v成正比，且和晶粒生長方向與焊接方向的夾角β有關(guān)，如式（4）所示。由于在圖6中為R1/2項，因此對熔池結(jié)晶形態(tài)的影響相對較小。

表3 2號試樣各層焊縫熱輸入Table 3 Weld heat input of each weld layer of sample 2

由表3可知，相較于填充和蓋面焊，打底焊主要為激光作用區(qū)，焊接速度最快，熱輸入最小。由于該層焊縫呈狹長型，最寬處僅為4 mm，深寬比達到2.6，散熱條件良好。故打底層焊縫熔池在冷卻凝固過程中溫度梯度G較大，液相的成分過冷度較小，奧氏體晶粒在熔池邊界形核并向焊縫中心快速生長，形成胞狀樹枝晶。而對于打底層頂部、填充層與蓋面層而言，焊縫寬度明顯增加，電弧作用增強，熱輸入增大，使得焊縫中心區(qū)域溫度梯度G減小，同時填絲導致了溶質(zhì)含量C0增大，形成一定程度的成分過冷，主導了該區(qū)域奧氏體柱狀樹枝晶的形核與長大，如圖 6（e）、（f）所示。而在偏離焊縫中心區(qū)域，仍然為溫度梯度主導的結(jié)晶過程，形成斜向生長的胞狀樹枝晶，如圖6（g）、（i）所示。

除了結(jié)晶形態(tài)的差異，Invar合金激光-電弧復合焊各層焊縫的晶粒度也存在較為明顯的差別。在 50倍下，從打底層、填充層至蓋面層焊縫的晶粒均出現(xiàn)逐層粗化的現(xiàn)象。對比圖6（e）與圖6（h）、（i）可觀察到，與填充層相比，蓋面層焊縫的1區(qū)柱狀枝晶與2區(qū)胞狀枝晶晶粒粗化現(xiàn)象明顯。其原因為打底層以激光熱源作用為主，焊接熱輸入較低，晶粒長大受到限制。越往上焊縫受激光與電弧的協(xié)同熱作用，焊接速度降低，顯著提高了焊縫熱輸入。加之熔池體積增大，凝固速度降低，晶粒得到了更充分的生長。

圖8（a）和（b）反映出兩層焊縫之間亦存在焊縫區(qū)、熱影響區(qū)過渡現(xiàn)象，緊靠熔合線外側(cè)晶粒經(jīng)二次熱循環(huán)發(fā)生過熱長大，晶粒相對于內(nèi)側(cè)有明顯粗化；遠離熔合線的外側(cè)區(qū)域由于經(jīng)歷了二次正火，晶粒相對細化。

圖8 相鄰焊縫層邊界顯微組織Fig. 8 Microstructures at boundary of neighbouring weld layers: （a） Boundary between back weld and Filling weld； （b）Local area near fusion line

在熔合線兩側(cè)，焊縫區(qū)的組織成分（初步根據(jù)金相照片的灰度值進行區(qū)分）與形態(tài)與熱影響區(qū)的組織形態(tài)十分接近，出現(xiàn)了聯(lián)生結(jié)晶現(xiàn)象。其本質(zhì)一方面在于熔池邊緣部分熔化的母材晶粒參與了熔池邊界的結(jié)晶，即焊縫結(jié)晶首先在熔池壁處形核，且該區(qū)域的液相成分主要來源于前一道焊縫的被融化的表面，因而晶粒的化學成分（主要是Ni含量）大致相同；另一方面，熔合線處的Fe-Ni液相受熔池對流攪拌作用的影響甚微，加之熔池壁冷卻速度較快，因而晶粒的化學成分未受到影響。另外，熔合線兩側(cè)晶粒組織形態(tài)的相似是由于相同晶格類型特別適宜作為焊縫金屬結(jié)晶的現(xiàn)成表面，對結(jié)晶最有利。在較小過冷條件下，液態(tài)金屬遠達不到形核條件時，靠近熔池壁液態(tài)金屬就在熔池壁上接連長大，故焊縫金屬晶粒能夠與熔合線附近前一道焊縫表面晶粒保持同一晶軸。

3 結(jié)論

1） 19.05 mm厚板Invar合金采用激光-MIG電弧復合熱源進行多層填充焊接成形良好、效率高。焊縫內(nèi)部裂紋、夾渣等焊接缺陷極少，僅打底層焊縫存在少量冶金氣孔。

2） 沿焊縫熔深方向，從打底層到填充層再到蓋面層的 Invar合金焊縫受電弧的影響逐漸增強，焊縫深寬比由2.51～2.66逐漸減小至0.8～0.92，形貌特征由釘頭狀變?yōu)楦吣_杯狀。試樣1焊縫的HAZ寬度從幾乎為0增加到200 μm左右。打底層焊縫宏觀形貌特征接近激光深熔焊。

3） 受液相前沿溫度梯度、結(jié)晶速度及溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的影響，各層焊縫的中心區(qū)為豎直方向分布的柱狀樹枝晶；兩側(cè)為大致沿最快散熱方向，橫向/斜向生長的胞狀樹枝晶。打底層焊縫晶粒度較小，中心柱狀枝晶區(qū)不明顯；自填充層開始，焊縫中心區(qū)域逐層擴大，晶粒明顯粗化。

4） 焊接熱循環(huán)次數(shù)導致相鄰層焊縫的熔合線外側(cè)晶粒粗大，內(nèi)側(cè)晶粒較為細小。熔合線兩側(cè)晶粒的化學成分與結(jié)晶形態(tài)較為一致，出現(xiàn)了聯(lián)生結(jié)晶現(xiàn)象。

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（編輯 王 超）

Weld appearance and microstructure of Invar alloys hybrid multi-layer welded joints using laser-MIG

CHEN Jie1， 2， ZHAN Xiao-hong1， CHEN Ji-cheng1， WANG Yu-bo1，YAN Dong-xiu2， WANG Yu-hua2， LIU Hong-bing2
（1. College of Material Science and Technology， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China；
2. Shanghai Aircraft Manufacturing Co.， Ltd.， Shanghai 200436， China）

Invar alloy plates with thickness of 19.05 mm were welded with Invar M93 filler wire by laser-MIG hybrid welding. The effects of welding parameters on weld appearance including beam penetration， weld witch and depth-to-witch ratio were analyzed. The features and the forming mechanism of the microstructure on different regions of the weld were investigated. The results show that the weld depth-to-witch ratio gradually decreases from 2.6 to 0.86 in average and the witch of HAZ obviously increases from back weld to cover weld， leading to the weld appearance changing from nail-head shape to goblet shape. Narrow Austentic columnar dendrite crystals in longitudinal direction and oblique diagonal cellular dendrite crystal are formed in weld center and off-centered area， respectively. The grain size in different regions of the weld increases layer-by-layer. In addition， HAZ is also found at the boundary of adjacent weld layers， where appears epitaxial solidification.

Invar alloy； laser-MIG hybrid welding； weld appearance； microstructure； crystal form

Project （15XI-1-15） supported by Shanghai Municipal Economic Commission， China

date： 2015-07-09； Accepted date： 2015-12-20

ZHAN Xiao-hong； Tel: +86-15195856181； E-mail: xhzhan@nuaa.edu.cn

1004-0609（2016）-05-1010-09

TG456.9

A

上海市經(jīng)委課題（15XI-1-15）

2015-07-09；

2015-12-20

占小紅，副教授，博士；電話：15195856181； E-mail：xhzhan@nuaa.edu.cn