625合金脈沖激光焊接工藝試驗研究

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(1.清華大學(xué) 核研院， 北京 100084； 2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070； 3.上海石油化工換熱設(shè)備工程技術(shù)研究中心， 上海 201518)

625合金是以鉬鈮為主要強化元素的固溶強化型鎳基變形高溫合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能，從低溫到980 ℃均具有良好的拉伸性能和疲勞性能，并且耐鹽霧氣氛下的應(yīng)力腐蝕，可廣泛用于核反應(yīng)堆、航空發(fā)動機、宇航結(jié)構(gòu)部件、海洋工程和化工等領(lǐng)域。

625合金適合采用任何傳統(tǒng)焊接方法，如鎢極惰性氣體保護焊、等離子弧焊、手工氬弧焊及熔化極惰性氣體保護焊進行焊接。但在焊接過程中，如果熱輸入量過高或者熱輸入量不均勻，就會形成晶界的低熔點共晶物，容易出現(xiàn)焊接晶界間熱裂紋[1]等焊接缺陷，因此應(yīng)嚴(yán)格控制在低熱量輸入的條件下進行焊接，層間溫度不超過150 ℃。另外，鎳基合金具有線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱率低的特點，工藝方法選用不當(dāng)就會產(chǎn)生焊接應(yīng)力[2]，也會誘發(fā)熱裂紋。而激光焊焊接時的熱輸入量相對小得多，采用激光焊焊接625合金的主要目的是防止或者減少焊接熱裂紋的出現(xiàn)。

激光焊接是以聚焦的激光束作為能源照射焊件表面，利用產(chǎn)生的熱量進行焊接。其焊接原理在于物質(zhì)受激光輻射之后會產(chǎn)生高單色性、高方向性以及高亮度的激光束，激光束聚焦到光斑直徑小到 0.01 mm的焦點上獲得高的能量密度，打到被焊工件上，使焊件金屬發(fā)生吸收、加熱、熔化、汽化、熔合結(jié)晶及凝固而形成焊縫[3]。與其它焊接方法相比，激光焊接具有功率密度大、熱輸入可控性好、焊接速度快、受環(huán)境影響小以及焊接過程易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，比較適合625合金的焊接[4]。文中采用脈沖激光焊接對625合金的對接焊工藝參數(shù)進行分析研究，總結(jié)了不同工藝參數(shù)對焊縫成型的影響程度，優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)。

1 鎳基合金焊接性分析

鎳基合金在實際應(yīng)用中的突出特性不可替代，但其焊接過程中容易出現(xiàn)一些焊接質(zhì)量問題。近年來，國內(nèi)外較多研究者從鎳基合金的焊接性、合金元素對焊接接頭性能的影響、焊縫熱裂紋產(chǎn)生機理、焊接方法以及焊接工藝等方面進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)采用同樣的焊機和材料，不同焊接工藝參數(shù)下可能產(chǎn)生截然不同的結(jié)果，所以適宜的焊接工藝參數(shù)和操作手法是焊接鎳基合金的關(guān)鍵。

隨著計算機模擬技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，一些學(xué)者還對熔池凝固過程進行了模擬研究，這對高溫耐蝕鎳基合金焊接技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用具有重要意義。應(yīng)用傳統(tǒng)的手弧焊條焊及各類氣體保護焊焊接鎳基合金時，焊接過程中鎳基合金液態(tài)熔池的黏性比較大、流動性很差，表面成型差[5]。鎳基合金線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱率低，工藝方法選擇不當(dāng)就會產(chǎn)生焊接應(yīng)力。此外，焊接過程中，氣體保護措施和施焊環(huán)境也是影響焊接質(zhì)量的重要因素[6]。

采用傳統(tǒng)的焊接方法始終解決不了鎳基合金焊接過程中產(chǎn)生各類熱裂紋的問題，也給產(chǎn)品的焊接質(zhì)量帶來極大的影響。鎳基合金成本較高，因此一次性成功焊接尤為重要。將現(xiàn)代先進焊接技術(shù)用于鎳基合金焊接，不但能夠降低母材成本、減少焊接過程中的損耗和污染，而且還能達(dá)到高品質(zhì)、高效率焊接的目的。

2 脈沖激光焊接試驗過程設(shè)置及分析

2.1 試驗材料

本試驗用625合金焊接試板為固溶熱處理狀態(tài)，晶粒度4級左右，其化學(xué)成分符合ASME SB443要求，見表1。

625合金材料的抗拉強度809 MPa，屈服強度390 MPa，延伸率62.5%，斷面收縮率64%，力學(xué)性能指標(biāo)符合ASME SB443要求。

表1 焊接試板用625合金化學(xué)成分 %

將625合金材料加工成50 mm×20 mm、3.0 mm厚的若干塊試板，試板不開坡口。焊接前用酒精擦拭試板，清除試板接頭表面的油、污、銹等雜物。試驗時將2塊試板對正對接，錯邊量不大于0.1 mm，夾持在自動十字臺面的專用工裝里，不留間隙。

2.2 焊接設(shè)備及參數(shù)

采用Nd-YAG脈沖激光焊機，其設(shè)計參數(shù)為，輸入電壓AC 380 V/50 Hz，電機最大輸出功率24 kW，2根氙燈，要求燈電流400 A時燈阻小于1.5 Ω，面板顯示輸出電流調(diào)節(jié)范圍為20%～97%，輸出脈寬0.1～15 ms，輸出頻率0～400 Hz。

為了保證實用性，焊接過程應(yīng)穩(wěn)定，且焊縫表面狀態(tài)完好、可觀測。焊接設(shè)備的實際使用參數(shù)為，激光能量輸出功率小于1 kW、電流調(diào)節(jié)范圍小于30%、輸出脈寬0.1～4.0 ms、輸出頻率0.1～40 Hz。

2.3 正交試驗設(shè)計及參數(shù)選擇

按照前期基礎(chǔ)試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)積累，考察焊接工藝參數(shù)對焊縫成型的影響因素，主要包括電流百分比(激光焊機顯示的實際工作電流與設(shè)備最大電流的百分比)、脈寬、焊接速度、頻率、離焦量以及側(cè)吹氣量6個參數(shù)，每個參數(shù)均選取3個水平，設(shè)計L18(36)正交試驗表。正交試驗表中的6個因素對應(yīng)6種焊接工藝參數(shù)，每個因素選擇3個水平對應(yīng)的具體焊接工藝參數(shù)，見表2。

表2 正交試驗各因素水平對應(yīng)的焊接工藝參數(shù)

2.4 試驗指標(biāo)測量

焊接后考察的試驗指標(biāo)包含焊縫熔深、焊縫表面寬度和焊接接頭收縮量[7]。采用卡尺對冷卻后的焊接試板進行焊縫表面寬度測量。對于焊接接頭收縮量，需先測量焊接前的對接試板寬度，然后測量焊接后的對接試板寬度，通過計算得到焊接接頭收縮量數(shù)值。焊接完成后，將試板從中間剖開，晶間腐蝕后按照顯示的焊縫界面測量焊縫熔深。

2.5 試板外觀成型情況

采用不同焊接工藝參數(shù)得到的試板焊縫外觀成型差異很大[8]。試驗過程中進行了嚴(yán)格的標(biāo)記，并對焊接過程進行了實時錄影，對焊接試板的外觀進行拍照[9]。試驗得到的18組試板的焊縫外觀成型情況見圖1。

圖1 不同組合焊接工藝參數(shù)下試板焊縫外觀成型

對圖1進行對比分析，發(fā)現(xiàn)焊縫外觀成型質(zhì)量差的是1#、2#、4#、5#、10#、12#、16#這7組試板，這些試板焊縫表面有咬邊、飛濺和成型不規(guī)則等缺陷。一般情況下不建議將這幾組試板對應(yīng)的焊接工藝參數(shù)用于產(chǎn)品的焊接，若必須使用，應(yīng)調(diào)配個別參數(shù)。

從圖1還可以看出，焊縫外觀成型質(zhì)量好的是3#、6#、7#、8#、9#、11#、13#、14#、15#、17#、18#這11組試板。采用這些試板對應(yīng)的焊接工藝參數(shù)配置可以進行相應(yīng)厚度范圍材料的焊接，也可直接作為初始輸入的基本參數(shù)用于今后工藝包的再優(yōu)化。

3 脈沖激光焊接試驗正交試驗結(jié)果及分析

3.1 正交試驗結(jié)果

不同焊接條件下的脈沖激光焊接試驗正交試驗參數(shù)及正交試驗結(jié)果見表3。

3.2 正交試驗結(jié)果極差分析

3.2.1焊縫熔深

焊縫熔深正交試驗極差分析結(jié)果見表4。表4中K1、K2和K3分別為表3中各因素對應(yīng)1、2、3水平的數(shù)據(jù)和，k1、k2、k3為各因素對應(yīng)1、2、3水平數(shù)據(jù)的均值。

從表4可以看出，從各因素對焊縫熔深的影響程度而言，電流百分比的變化影響最明顯，其次為焊接速度和脈寬，離焦量和頻率的影響接近，側(cè)吹氣量的影響最小。在脈沖激光焊接過程中，單次脈沖間隔內(nèi)材料熔化和蒸發(fā)量主要取決于單脈沖的能量密度，在焦斑變化不大的情況下，單脈沖能量密度由激光器單脈沖輸出決定[10]，而電流百分比是影響能量輸出的關(guān)鍵因素，所以電流百分比的影響更顯著。焊接速度和脈寬主要影響焊接過程的熱輸入量，焊接速度越慢、脈寬越大，單位時間內(nèi)的總體熱輸入量越大，焊縫熔深也相應(yīng)增加[11]。離焦量大小影響焦斑的大小，進而影響單脈沖的能量密度。本次試驗中焊機的透鏡焦距為150 mm，焦斑為1.0 mm左右，離焦量的變化對焦斑大小影響不大，所以離焦量對焊縫熔深的影響較小。頻率的大小也影響焊接熱輸入量，但是考慮熱傳導(dǎo)的影響，單次脈沖的熱輸入量對焊縫熔深的影響更為顯著[12]，故頻率的影響稍小。在本試驗所選擇的側(cè)吹氣量變化范圍內(nèi)，焊縫熔深受其影響很小[13]。

表3 脈沖激光焊接試驗正交試驗參數(shù)及正交試驗結(jié)果

注：1)因12#試板焊接熔深較小，焊后試板變形導(dǎo)致收縮量測量值微正。

表4 焊縫熔深正交試驗極差分析結(jié)果

如只考慮焊縫熔深，試驗的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)為電流調(diào)節(jié)范圍30%、脈寬3.5 ms、焊接速度2.0 mm/s、頻率40 Hz、離焦量-0.5 mm、側(cè)吹氣量11 mL/min。

3.2.2焊縫表面寬度

焊縫表面寬度正交試驗極差分析結(jié)果見表5。

表5 焊縫表面寬度正交試驗極差分析結(jié)果

從表5看出，脈寬對焊縫表面寬度的影響最明顯，其次為頻率、電流百分比和焊接速度(這3種因素的影響程度較為接近)，離焦量的影響較小，側(cè)吹氣量基本沒有影響。焊接過程中單脈沖的熱量輸入大小決定著焊縫表面寬度的大小。在其它條件不變的情況下，脈寬越大，單脈沖能量輸出越多，焊縫表面接受的熱量越大，焊縫表面寬度也隨之增大[14]。按照焊縫熔深數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，電流百分比的影響更集中于單脈沖能量，而非焊接過程中的熱輸入量，所以其對焊縫表面寬度的影響不如脈寬的影響大。頻率增加和焊接速度減小，單位時間的總熱輸入量增加，焊縫表面寬度增大[15-18]。同樣，熱傳導(dǎo)導(dǎo)致部分熱量損失，故頻率和焊接速度比脈寬的影響稍小。離焦量和側(cè)吹氣量對能量輸入的影響小，脈寬影響不顯著[19]。

當(dāng)試驗的焊接工藝參數(shù)為電流調(diào)節(jié)范圍28%、脈寬4.0 ms、焊接速度1.0 mm/s、頻率35 Hz、離焦量-0.5 mm、側(cè)吹氣量11 mL/min時，焊縫表面寬度更大。

3.2.3焊接接頭收縮量

焊接接頭收縮量的正交試驗極差分析結(jié)果見表6。

表6 焊接接頭收縮量正交試驗極差分析結(jié)果

從表6看出，焊接速度的變化對焊接接頭收縮量的影響最明顯，其次為電流百分比的影響，脈寬和頻率的影響較為接近，離焦量和側(cè)吹氣量基本沒有影響。焊接速度越慢，單位時間內(nèi)的總熱輸入量越大，金屬熔化量增加，焊接接頭收縮量大。焊接速度的變化幅度較大，與之相比，電流百分比、脈寬和頻率的變化幅度較小，對熱輸入量的影響也相應(yīng)減小。離焦量和側(cè)吹氣量對能量輸入的影響基本可以忽略，對焊接接頭收縮量基本沒有影響。試驗的焊接工藝參數(shù)為電流調(diào)節(jié)范圍26%、脈寬3.5 ms、焊接速度1.0 mm/s、頻率40 Hz、離焦量-0.5～-1.5 mm、側(cè)吹氣量11 mL/min時，焊接接頭的收縮量更大。

4 結(jié)語

采用正交試驗法，對不同工藝參數(shù)下625合金脈沖激光焊接的試驗結(jié)果進行了分析討論，掌握了影響625合金激光焊接試驗指標(biāo)的關(guān)鍵因素，并確定了最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。對于本試驗所采用的焊接工藝參數(shù)水平，對焊縫熔深的影響顯著性排序為電流百分比>焊接速度=脈寬>頻率>離焦量>側(cè)吹氣量，對焊縫表面寬度的影響顯著性排序為脈寬>電流百分比=焊接速度=頻率>離焦量>側(cè)吹氣量，對焊接接頭收縮量的影響顯著性排序為焊接速度>電流百分比=脈寬=頻率>離焦量=側(cè)吹氣量。

在產(chǎn)品焊接過程中，還陸續(xù)出現(xiàn)了起弧弧坑、收弧弧坑及激光能量衰減等問題，需要在起弧、收弧過程對激光能量的柔性變化、脈沖頻率、脈寬及焊接速度等參數(shù)做進一步分析試驗，對激光頭鏡片的使用壽命進行統(tǒng)計分析，以保證產(chǎn)品焊縫質(zhì)量的持續(xù)穩(wěn)定。