GH4145激光點焊工藝及接頭性能研究

（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330063）

GH4145高溫合金屬時效強化的鎳基高溫合金， 其在 980 ℃以下具有強抗氧化性和耐腐蝕性能，800 ℃以下具有較高的強度，540 ℃以下具有良好的耐松弛性，與此同時還具有良好的焊接性能和成形性能。現(xiàn)階段該類合金主要用于制造航空發(fā)動機中在800 ℃以下工作且強度要求較高的耐腐蝕結(jié)構(gòu)件、環(huán)形件等，同時也用于高溫增壓裝置、鼓輪和燃燒室的制造。0.23 mm和0.13 mm厚的超薄片狀GH4145是某型航空透平器件所用材料，裝配時需要將兩種厚度的薄片貼合，這涉及不等厚薄片的微連接技術(shù)[1—3]。

對于不等厚GH4145薄片，可選的微連接方法主要有微電阻點焊及微激光焊。微電阻點焊，其焊核易產(chǎn)生偏移，另外，箔片表面涂層通常是非導(dǎo)電的高分子材料，限制了微電阻點焊的應(yīng)用[4—5]。而微激光焊接以高能量密度的激光束作為熱源，激光的光斑直徑可控，無需接觸工件，具有自動化程度高，焊接工件變形小等特點，因此是焊接不等厚超薄片狀GH4145的最佳方法[6—8]。

文中采用精密脈沖激光對不等厚的GH4145薄片進行搭接焊試驗，通過設(shè)置不同焊接參數(shù)，對焊接接頭的物理性能進行研究，找出功率、脈沖寬度和接頭剪切應(yīng)力、硬度及組織間的關(guān)系，并結(jié)合試驗，進行參數(shù)優(yōu)化，找出最佳的一組參數(shù)，使得焊接接頭綜合性能接近母材。

1 試驗

1.1 材料

試驗所選材料為經(jīng)過時效處理后的GH4145高溫合金板材。使用線切割設(shè)備將GH4145加工成尺寸為5 mm×20 mm×0.13 mm的試片。底板加工成5 mm×20 mm×0.23 mm。GH4145化學(xué)成分見表1。

表1 GH4145主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Main chemical constituents of GH4145 (mass fraction) %

1.2 方法

對GH4145合金與底板進行激光點焊。試樣采用搭接形式焊接，焊機選用意大利 SYSMA公司的SL-80型Nd： YAG脈沖激光焊機，平均功率為80 W，模式采用雙脈沖，其中功率P、脈沖頻率f、脈沖寬度T、光斑直徑Ф可調(diào)。焊前使用砂紙對試片表面進行打磨處理，并用酒精清洗，隨后冷風(fēng)吹干，以保證試片表面的整潔性。最后使用自制夾具將試片固定在激光焊接工作臺上，以氬氣作為保護氣進行焊接。

試樣在焊后經(jīng)過鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕，制成金相試樣，用于在MR5000型金相顯微鏡上對焊后區(qū)域顯微組織進行觀察和記錄。

采用化學(xué)腐蝕方法對試樣進行腐蝕，腐蝕液采用自制腐蝕液，具體成分見表2（HCl溶液的質(zhì)量分數(shù)為36%～38%，CH3COOH的質(zhì)量分數(shù)為99%以上），腐蝕時間為50 s至1 min。腐蝕后，對接頭處進行多次拍攝尋找最優(yōu)的金相圖。

表2 自制腐蝕液成分Tab.2 Composition of self-made etching solution

由于試樣尺寸過小，不易制得標準拉伸試樣，因而采用非標拉伸試樣，試樣尺寸為20 mm×5 mm（見圖 1）。拉伸時通過使用墊板將左右兩邊墊成同一高度以保證受力平衡[9]，加載速度為0.4 mm/min，當剪切力曲線上升到最大值時開始下降，此時試樣被拉斷，根據(jù)拉伸機自帶的測力軟件所得的數(shù)據(jù)對焊點連接處可承受的最大拉伸剪切力值進行記錄。

圖1 拉伸試樣Fig.1 Stretching sample

2 結(jié)果與分析

2.1 匙孔組織

輸出功率百分比為29%（即23.2 W，激光焊機總功率為80 W，輸出功率為總功率和輸出功率百分比的乘積），脈沖寬度3.5 ms下的焊縫橫截面見圖2。由圖2可知，激光焊能夠?qū)崿F(xiàn)厚度為0.13 mm厚的超薄片GH4145的連接，焊縫無明顯缺陷。從匙孔界面可以看出，匙孔呈上寬下窄，并呈對稱分布；焊縫與周邊母材基本無變形，匙孔中心和靠近底部的邊緣部分呈現(xiàn)向外生長的樹狀晶，匙孔頂部靠近激光入射方向的一側(cè)呈現(xiàn)均勻分布的等軸晶，熱影響區(qū)組織與母材相比無明顯差別。

圖2 焊縫橫截面Fig.2 Cross-section of weld

平行于激光入射方向的焊點截面熔合線附近及中部區(qū)域的顯微組織見圖3，圖3a, b, c, d分別為焊點界面底部熔合線組織、截面中上方組織、截面右側(cè)組織和截面中心組織。圖3a, c可見清晰的熔合線輪廓，熔合線區(qū)域以外為母材組織，未見明顯的熱影響區(qū)，這與激光點焊功率密度高，焊接速度快，加熱集中等特點有關(guān)。熔合線以內(nèi)存在向母材表面方向生長的柱狀晶，同時存在部分等軸晶。在激光焊接熔池凝固的過程中，熔池內(nèi)的結(jié)晶是從熔合線開始，并向中心區(qū)域生長[10—11]。分析認為GH4145合金由于合金元素成分含量較高，在靠近熔合線的某些區(qū)域已經(jīng)達到了形成等軸晶的非自發(fā)晶核質(zhì)點數(shù)量，因此在熔合線附近存在部分等軸晶，柱狀晶區(qū)的形成與焊點的溫度梯度存在一定關(guān)系，同時由于在激光焊條件下熔池溫度高，液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)，在過熱狀態(tài)下合金元素的燒損嚴重，使得熔池中非自發(fā)晶核的質(zhì)點大為減少，促使焊縫中的柱狀晶得到發(fā)展，由于母材表面至熔合線存在較大的溫度梯度，因此在結(jié)晶時存在非常強的方向性。

焊點中心處偏上方的金相組織見圖3b，可見主要生長著方向為上下方向的柱狀晶組織，同時柱狀晶組織間夾雜有少部分等軸晶組織。分析認為，在焊縫中心溫度梯度相對于其他位置較小，液相中形成成分過冷區(qū)，在液相內(nèi)部重新形核，生成新的等軸晶粒。但圖中等軸晶區(qū)晶粒較少，可能與焊接參數(shù)的優(yōu)劣有關(guān)。

輸出功率百分比為20%，脈沖寬度T=3.5 ms（預(yù)熱輸出功率百分比和脈沖寬度為定值，分別為 18%,0.5 ms）時焊點中心區(qū)域的金相見圖3d。與其他參數(shù)下的金相相比，該參數(shù)下焊點中心區(qū)域內(nèi)均為細小等軸晶。這些在液相內(nèi)部重新形核生成的等軸晶，由于四周不受阻礙可以自由生長，它的存在可以減少顯微偏析，提高抗結(jié)晶裂紋擴展阻力，降低焊縫結(jié)晶裂紋敏感性，同時等軸晶的大量存在還起到了細晶強化的作用，使接頭強度上升[12—13]。

圖3 GH4145激光點焊接頭金相組織Fig.3 Microstructure of GH4145 laser spot welding head

2.2 接頭力學(xué)性能

在不同輸出功率百分比下，對拉伸試樣進行最大拉剪力試驗測試的結(jié)果及測試結(jié)果的曲線關(guān)系圖分別見表3及圖4?？梢钥闯?，隨著輸出功率的逐漸增加，激光點焊的焊接接頭所能承受拉剪力的能力逐漸增大。在輸出功率相對較小時，可以看出，焊接接頭可耐受的最大拉剪力持續(xù)快速增大，到后期，增加速率趨于平穩(wěn)。分析認為，GH4145激光焊接接頭的抗拉強度主要受焊點表面尺寸和焊縫區(qū)晶粒尺寸的影響。由圖5可知，其他參數(shù)不變，隨著輸出功率的增加焊點表面積增加，當輸出功率百分比從20%增大到26%時，焊點表面積明顯增加，接頭抗拉強度也隨之增大。當輸出功率百分比從26%增大到32%時，焊點表面積變化不大，接頭抗拉強度增幅較小。

表3 功率組拉剪力試驗結(jié)果Tab.3 Test result of tensile shear force of power group

圖4 輸出功率百分比和最大剪力的關(guān)系Fig.4 Relationship between output power percentage and maximum shear force

圖5 輸出功率百分比和焊點表面積的關(guān)系Fig.5 Relationship between output power percentage and welding spot surface area

2.3 接頭硬度

在進行接頭硬度測試時選用試樣的脈寬長度為6.0 ms，輸出功率百分比為20%（16 W）時，最大拉剪力為178.59 N。測試曲線見圖6，為焊點中心及其兩側(cè)的硬度值分布范圍。由測試可知，和母材相比，焊點的硬度更高，靠近焊點中心位置兩邊測試點硬度分別已達到HV517和HV506，整個母材的硬度分布并不均勻，取平均值為HV445。整個焊點位置硬度比母材硬度高的原因在于，激光焊過后，焊點受到激光的局部加熱，局部加熱會導(dǎo)致融合重結(jié)晶，重結(jié)晶后晶粒細化，所以焊點硬度比母材高[14—15]。焊縫區(qū)的硬度分布也有差異，焊縫區(qū)的整體硬度分布類似于英文字母M，從熔合線到焊縫中心顯微硬度先上升后下降，在中心位置處有一個相對低值為HV493。這主要是因為焊接時熔池中心的液體散熱比旁邊的液體緩慢，金屬過冷度小，所以結(jié)晶時焊縫中心晶粒尺寸比兩邊稍大，因此在硬度上表現(xiàn)出焊縫最中心區(qū)域的硬度略低于兩邊。

圖6 焊接中心向外硬度分布曲線Fig.6 Outward hardness distribution curve of welding center

3 結(jié)論

1)焊點區(qū)域，由熔合區(qū)邊緣的柱狀晶和焊點中心區(qū)的等軸晶組成，焊點處接近母材一側(cè)的金屬液體過冷度減小以至于不能獨立形成形核，所以整個熔合面上的晶粒為形核表面的連生生長，且由于熔池和基體之間的溫度差呈梯度變化，所以有柱狀晶區(qū)的形成，而等軸區(qū)形成的原因為隨熔池逐漸冷卻，熔池內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)向焊點中心移動，成分的過冷度逐漸變大，柱狀晶的生長被限制，且開始向等軸晶轉(zhuǎn)變。

2)激光器的輸出功率對焊點的成型有著比較重要的影響，GH4145合金激光搭接點焊焊接接頭拉剪切應(yīng)力隨著功率的增大而增大，硬度在匙孔中心部位有所下降，兩邊偏高，隨著距離匙孔中心位置而遞減。