激光點焊工藝參數(shù)對止推箔片軸承接頭組織與性能的影響*

汪蘆婷，羅欣洋，王善林，陳玉華，黃永德

（1.南昌航空大學江西省航空構件成形與連接重點實驗室，南昌 330000； 2.航空工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心，南京 211106）

微連接方法主要包括微電阻焊、微激光焊、釬焊、固態(tài)擴散焊、粘接、超聲波焊等多種，根據(jù)對止推箔片軸承材料、結(jié)構特征及制造要求的分析，可選的微連接方法主要有兩種：微電阻點焊和微激光點焊。微電阻點焊通過工件內(nèi)部產(chǎn)生的電阻熱在待焊部位形成熔核實現(xiàn)連接，但對于不等厚的材料進行點焊時，其焊核易產(chǎn)生偏移；另外，箔片表面涂層通常是非導電的高分子材料，限制了微電阻點焊的應用；微激光點焊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，具有焊裝夾具自動化程度高、焊接工件的變形小等特點，是箔片止推軸承焊接制造的最佳方法[8–10]。

根據(jù)止推箔片軸承的制造工藝過程需求，只能先在上箔片的外表面涂覆特氟龍，再進行焊接，而該涂層的添加給后續(xù)的制造工藝帶來不確定性。根據(jù)現(xiàn)有的試驗結(jié)果，特氟龍涂層會影響激光的吸收率，而且也會影響接頭的組織性能，但特氟龍涂層的作用機理還需深入分析。本文只進行激光點焊工藝參數(shù)對接頭組織與性能影響的研究，通過對止推箔片軸承中帶有特氟龍涂層的0.13mm厚的GH4145 箔片進行激光點焊試驗，分析點焊接頭表面、橫截面形貌、接頭微觀組織及力學性能的變化規(guī)律，從而為生產(chǎn)制造提供依據(jù)。

試驗及方法

試驗材料選用時效處理后的GH4145 高溫合金，其化學成分如表1 所示。使用線切割設備將試樣加工成尺寸為5mm×20mm×0.13mm的薄片狀。

激光點焊試驗在意大利SISMA公 司 的SL–80 型Nd: YAG 脈 沖激光焊機上進行，其平均功率為80W，采用單脈沖模式，其中功率P，脈沖寬度t，光斑直徑ф 調(diào)整為0.3mm。焊前使用砂紙對試片表面進行打磨處理，去除雜質(zhì)和氧化膜，并用酒精清洗，隨后冷風吹干。使用噴涂機將特氟龍噴涂到尺寸為5mm×20mm×0.13mm 的試樣表面，然后進行噴丸處理，最后使用自制夾具將試樣固定在激光焊接工作臺上，以氬氣作為保護氣進行焊接。

由于試樣尺寸過小，不易制得標準拉伸試樣，因而采用非標準拉伸試樣，試樣尺寸為20mm×5mm，如圖1所示。拉伸時通過使用墊片將左右兩邊墊成同一高度以保證受力平衡，加載速度為0.4mm/min，當剪切力曲線上升到最大值時開始迅速下降，此時試樣被拉斷，根據(jù)拉伸機自帶的軟件測出焊點連接處可承受的抗拉剪力值。

焊后垂直于焊接方向截取金相試樣和拉伸試樣，金相試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕后，用4XB–TV 顯微鏡進行金相分析。采用WT–401MVD 型顯微硬度計測量焊縫橫截面的顯微硬度分布，拉伸試樣在Instron5543 型電子精密拉伸機上進行拉伸測試，自制腐蝕液對焊點截面進行腐蝕。

根據(jù)工業(yè)應用的需求，采用超聲波浸液檢測界面的搭接尺寸，確保每個焊點質(zhì)量。超聲波浸液檢測原理：超聲波在構件內(nèi)部傳播時遇到不同界面將出現(xiàn)不同的反射信號，利用不同反射信號傳遞到探頭的時間差，可以檢測到結(jié)合面的尺寸，超聲波浸液檢測的回波信號的高度、位置等信息如圖2 所示。

結(jié)果與討論

1 接頭表面形貌及尺寸

接頭的表面形貌，特別是焊點的表面直徑是焊點質(zhì)量最直觀的反映，也是最直接的檢測手段。焊點表面的直徑尺寸與激光熱輸入量有關，當激光脈沖寬度固定時，通過改變脈沖功率百分比的大小，觀察研究焊點表面直徑尺寸的變化情況。

本文分析了草原滅鼠毒餌噴撒機三點懸掛架在背負提升和作業(yè)時上拉桿角度、拉桿垂直力和水平力、右拉桿垂直力和水平力、左拉桿垂直力和水平力之間的關系。

脈沖寬度t=5.0ms，脈沖功率百分比P 分別為18%、22%、26%時的焊點表面形貌如圖3 所示?？芍?，焊點表面形貌差別不大，都呈不規(guī)則云圖狀，焊點中心下凹，靠近最外圈部分有起皺的現(xiàn)象，這與焊點熔池的流動有關，脈沖功率的大小影響了焊點的直徑。

表1 GH4145合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)） Table 1 Chemical composition of GH4145 %

圖1 拉伸試樣示意圖（mm）Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen

圖2 超聲波檢測回波信號Fig.2 Signal of reflective ultrasonic wave

焊點表面直徑測量值與功率百分比之間的關系如圖4 所示?？芍?，隨著熱輸入量的增加，接頭表面尺寸隨即增大，當脈沖功率百分比為26%時，焊點表面直徑達到最大值0.625mm。

2 工藝參數(shù)對焊點力學性能的影響

焊點的力學性能是構件關注的重點，其力學性能影響到構件的使用性能，同時依據(jù)力學性能對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

在脈沖寬度為5.0ms 時，脈沖百分比和抗拉剪力的關系如圖5 所示，改變脈沖功率百分比，其抗拉剪力隨著功率百分比的增加先增大后減小，當脈沖功率百分比為22%時，抗拉剪力達到最大值63.0N。

依據(jù)力學性能，得出激光點焊制造的優(yōu)化工藝參數(shù)為脈沖功率百分比22%、脈沖寬度5.0ms，抗拉剪力達最大值63.0N。

圖3 焊點表面形貌Fig.3 Surface morphology of joints

3 最優(yōu)工藝條件下的微觀組織

焊點截面整體形貌如圖6 所示，整個焊點熔合區(qū)呈碗型，熱影響區(qū)不明顯，主要分為靠近表面區(qū)、焊點中心區(qū)、熔合邊界和母材區(qū)4 個部分。

圖4 焊點表面尺寸與脈沖功率之間的關系Fig.4 Relationship between diameter of joint surface and pulse power

圖5 脈沖功率和抗拉剪力的關系Fig.5 Relationship between pulse power and tensile shear force

圖6 焊點截面圖Fig.6 Cross-section of joint

通過放大圖6 各部分區(qū)域得到圖7所示的焊點局部放大圖，圖7（a）為靠近表面處，出現(xiàn)大量細小的組織，這是由于激光焊接速度非常快、能量密度大、熱輸入量小，從而使得母材快速冷卻所致。隨著位置遠離母材，如圖7（b）所示，溫度梯度減小到有利于柱狀晶的生成，當?shù)竭_焊縫中心時，由于焊縫中心的溫度分布均勻，溫度梯度相對熔合區(qū)來說進一步減小，液相中形成很寬的成分過冷區(qū)，此時不僅在結(jié)晶前沿形成樹枝狀結(jié)晶，同時也能在液相的內(nèi)部生核，產(chǎn)生新的晶粒，這些晶粒的四周不受阻礙，可以自由成長，形成等軸晶。圖7（c）為熔合區(qū)和母材交界處，由個別氣孔生成。

圖7 圖6中各部分區(qū)域局部放大圖Fig.7 Microstructure in high magnification of joint cross-section in Fig.6

4 接頭力學性能的分析

結(jié)合面處焊點直徑一定程度上代表了焊點的力學性能。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了保證止推箔片的焊接質(zhì)量，需要對每個焊點進行質(zhì)量評估，超聲波浸液檢測的方法是一種有效的無損檢測方法，通過該檢測結(jié)果判別焊點的性能。利用超聲檢測點焊接頭的結(jié)合面尺寸與人工測量進行對比，不同熱輸入條件下的結(jié)合面的檢測如圖8 所示。

圖9 為在脈沖寬度為5.0ms 時，不同脈沖功率條件下的結(jié)合面直徑的超聲測量值及實測值。結(jié)果表明，超聲檢測結(jié)果和金相試驗中測量結(jié)果基本一致。

對比圖5 與圖9 可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱輸入的增加，結(jié)合面上的焊點直徑隨之增加，但接頭的力學性能卻是先上升后下降。因此，單純由結(jié)合面上的焊點直徑來判別接點的強度是不全面的。為此，對接頭力學性能下降的原因進行分析。圖10（a）為脈沖寬度t=5.0ms、脈沖功率百分比16%時，底部結(jié)合面處斷口整體形貌和局部放大圖；圖10（b）為t=5.0ms、脈沖功率百分比22%時，底部結(jié)合面處斷口整體形貌和局部放大圖。由圖10（a）可知，在熱輸入量較小時，斷裂發(fā)生在結(jié)合面表面處，出現(xiàn)許多小的解理臺階。當熱輸入量增大，出現(xiàn)明顯的河流花樣，且解理臺階尺寸更小，密度更大。

通過斷口分析可以看出，接點的斷裂有兩種模式，分別為結(jié)合面斷裂和紐扣狀斷裂，如圖11 所示。

圖8 焊點結(jié)合面超聲檢測圖Fig.8 Diagram of interface in ultrasonic testing

圖9 人工測量和超聲檢測結(jié)合面尺寸對比Fig.9 Comparison of combined surface dimensions for manual measurement and ultrasonic testing

圖10 不同脈沖功率下斷口形貌Fig.10 Fracture morphology under different pulse

圖11 兩種斷裂模式Fig.11 Two fracture patterns

在熱輸入量較低時，由于上下箔片結(jié)合面較小，熔合程度較淺，故斷裂發(fā)生在結(jié)合面表面；當熱輸入量較高時，熔深變大，結(jié)合面上的焊點直徑也隨之增大，在拉剪力的作用下，呈現(xiàn)紐扣狀斷裂，該情況下接點的強度主要取決于較薄母材的抗拉剪力。當然，過大的能量輸入也會導致焊點區(qū)域出現(xiàn)氣孔、焊點凹陷[11]，這些也會導致焊點的抗拉剪力下降。

結(jié)論

在止推箔片軸承制造過程中，采用脈沖激光焊接工藝對表面帶特氟龍涂層的0.13mm 厚的 GH4145高溫合金進行搭接焊接，研究結(jié)果表明：

（1）隨著脈沖功率的增加，焊點表面直徑增大，中間略微凹陷，最大直徑為0.625mm。

（2）在焊接工藝參數(shù)t=5.0ms、P=22%時，點焊接頭的抗拉剪力達最大值63.0N，此時斷口區(qū)出現(xiàn)凸臺，模式為紐扣狀斷裂，熔合區(qū)有明顯河流花樣，解理臺階密度大。

（3）焊點截面靠近上表面處為細小等軸晶，中部出現(xiàn)樹枝狀結(jié)晶。

（4）超聲波浸液檢測能夠精確測定界面的尺寸，可以用于止推箔片制造質(zhì)量的對比分析。但是，界面尺寸和抗拉剪力不完全成正比關系，主要與斷裂模式有關。