Invar合金焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望*

（上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201620）

近年來先進(jìn)復(fù)合材料（主要是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料）大量應(yīng)用于大型飛機(jī)制造中，如機(jī)翼、水平尾翼、機(jī)身、整流罩等主要結(jié)構(gòu)件。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料組件在剛性模具中固化成型，通過加熱（177℃）和加壓以形成致密和精準(zhǔn)的零部件。復(fù)合材料尺寸要求嚴(yán)格，因此對成型模具要求尤為苛刻。Invar合金具有與復(fù)合材料相近的低熱膨脹系數(shù)、良好的尺寸穩(wěn)定性，已成為波音等大型飛機(jī)制造公司制造復(fù)合材料模具的首選材料[1]。Invar合金廣泛用于天平、彩電蔭罩、精密測量儀器、海底天然氣運(yùn)輸管道、傳輸電路等領(lǐng)域，目前應(yīng)用最廣泛的是LNG 液化天然氣運(yùn)輸船和復(fù)合材料成型模具制造。

焊接是材料重要加工工藝之一，國外Invar合金焊接技術(shù)研究在20世紀(jì)60年代開始出現(xiàn)，國內(nèi)Invar合金焊接技術(shù)的研究主要在2000年以后，相比于國外仍有一定的差距。隨著Invar合金應(yīng)用越來越廣泛以及服役環(huán)境越來越復(fù)雜，Invar合金焊接質(zhì)量要求越來越高，焊縫不僅需要滿足低膨脹性還需要具備一定硬度、強(qiáng)度、韌性等優(yōu)良的力學(xué)性能。總體來說，目前國內(nèi)外Invar合金焊接方法不夠全面，焊接返工率較高，質(zhì)量需要進(jìn)一步提高。

1 Invar合金特性

1896年法國物理學(xué)家紀(jì)堯姆發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Fe-Ni合金鎳含量為36%時(shí)，常溫（-80～230℃）內(nèi)表現(xiàn)出極小的熱膨脹系數(shù)。這種膨脹量近乎不變的（Invariable）的合金被命名為Invar合金。與普通金屬隨溫度上升而熱膨脹系數(shù)線性增加不同，以Invar合金為代表的Fe-Ni、Fe-Ni–Co合金在一定的溫度范圍內(nèi)，膨脹系數(shù)曲線呈現(xiàn)平坦的低膨脹系數(shù)曲線和較陡的高膨脹系數(shù)曲線兩個部分，折線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為居里溫度點(diǎn)，這現(xiàn)象稱為“Invar 反常”也叫Invar 效應(yīng)。Invar 效應(yīng)機(jī)理目前沒有統(tǒng)一定論，一般認(rèn)為這種效應(yīng)的產(chǎn)生與居里溫度點(diǎn)以下的磁致伸縮效應(yīng)有關(guān)[2]。

Invar合金在居里溫度點(diǎn)以下，呈現(xiàn)鐵磁性，熱膨脹系數(shù)極??；當(dāng)溫度達(dá)到居里溫度點(diǎn)以上時(shí)，合金失去鐵磁性，熱膨脹系數(shù)快速升高。溫度和鎳含量對熱膨脹系數(shù)的影響巨大，不同溫度下，F(xiàn)e-Ni合金的最低熱膨脹系數(shù)成分點(diǎn)和熱膨脹系數(shù)增長率不同[3]。

Invar合金熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)低于其他常見金屬（表1[4]），具有低的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，較高的塑性、韌性、抗損傷性和缺口不敏感性等特點(diǎn)[5]。但普通Invar合金仍存在以下不足：（1）Invar合金室溫組織為單相奧氏體 (Ms<–150℃)，其強(qiáng)度、硬度較低；（2）普通的Invar合金熱膨脹系數(shù)相對較高；（3）普通的Invar合金居里溫度點(diǎn)較低（280℃），溫度應(yīng)用范圍窄。針對普通Invar合金在強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)、居里溫度點(diǎn)等方面的不足，各國相繼加強(qiáng)了對Invar合金的研究。目前，除了大規(guī)模使用的Invar36合金以外，具有代表性的其他幾種Invar合金是Invar32合金、Invar42合金和NILO365合金。

1.1 Invar32合金

Invar32合金具有比Invar36合金更低的熱膨脹系數(shù)，稱為超Invar合金，常用于光學(xué)或激光系統(tǒng)精確測量的基板和支撐構(gòu)件。它是在Fe-36Ni合金基礎(chǔ)上用部分Co元素代替Ni 元素，降低了合金的室溫?zé)崤蛎浵禂?shù)（圖1）。合金鎳含量不同具有不同的熱膨脹系數(shù)曲線。合適的Co 含量降低膨脹系數(shù)的同時(shí)，又在一定程度上提高了居里溫度點(diǎn)，但Co 含量必須滿足最佳Co 含量原則：Co+Ni的總含量為36.5%時(shí)，合金室溫膨脹系數(shù)最低。

1.2 Invar42合金

Invar42合金是鎳含量為42%左右的Fe-Ni 低膨脹合金，具有比Invar36合金更高的居里溫度點(diǎn)，擴(kuò)大了合金低膨脹系數(shù)的溫度范圍（圖2），適用于更高的溫度區(qū)間。隨著鎳含量的增加，合金的居里溫度點(diǎn)逐漸增加（Invar36：280℃；Invar42：360℃；Fe-50%Ni：≥500℃）。雖然Ni 含量的增加在一定程度上會增加居里溫度點(diǎn)以下的熱膨脹系數(shù)，但提高了居里溫度點(diǎn)，從而降低了合金在一定高溫領(lǐng)域的熱膨脹系數(shù)。

圖1 Invar32合金熱膨脹系數(shù)Fig.1 Thermal expansion coefficient of Invar32 alloy

表1 常用金屬的熱膨脹系數(shù)Table1 Thermal expansion coefficient of common metals

圖2 Invar42合金熱膨脹系數(shù)Fig.2 Thermal expansion coefficient of Invar42 alloy

1.3 NILO365合金

NILO365合金是一種強(qiáng)化型低膨脹合金，具有較高強(qiáng)度，常用于飛機(jī)復(fù)合材料模具制造以及對強(qiáng)度有要求的低膨脹性構(gòu)件制作。NILO365合金是在Fe-43%Ni合金中加入了1.4% Ti和3.3% Nb，在沉淀硬化處理時(shí)形成彌散分布于基體的γ'相，從而達(dá)到強(qiáng)化目的。其硬度達(dá)到HRC39，屈服強(qiáng)度達(dá)到1000MPa，是普通退火Invar36合金的4倍。

由于普通Invar合金呈單一奧氏體組織，熱處理對其強(qiáng)度提高不起作用，因此強(qiáng)化型Invar合金是國際上研究的重點(diǎn)。目前Invar合金的強(qiáng)化類型主要分為4類：固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化主要方式是：置換元素Co和間隙固溶元素C，N，B。沉淀強(qiáng)化的強(qiáng)化方式主要分兩類：一類是加入Ti、Al、Nb 時(shí)效形成γ'相，如國際鎳公司的Incoloy903合金（38Ni，15Co，3Nb，1.4Ti，0.9AI）抗拉強(qiáng)度達(dá)到1300MPa[6]；另一類是加入W，Mo，V，Cr，Ta，Zr 等元素形成碳化物作為第二相質(zhì)點(diǎn)，達(dá)到強(qiáng)化效果，如俄羅斯中央黑色冶金科學(xué)研究院研究的Fe-（23～40）% Ni-（0.1～1.0%-（0.3～2.0）%V合金，在低膨脹系數(shù)條件下達(dá)到了1300MPa 強(qiáng)度[7]。細(xì)晶強(qiáng)化是保持合金低膨脹性同時(shí)大幅度提高材料強(qiáng)度、韌性最有效的方法，其中最突出的是Vinogradov 等[8]的ECPA 細(xì)晶強(qiáng)化法。此外形變強(qiáng)化也是一種有效的強(qiáng)化手段，可通過誘發(fā)馬氏體相變的方法進(jìn)行強(qiáng)化。

2 Invar合金焊接特性

由于Invar合金導(dǎo)熱性差、鎳含量較高等物理和化學(xué)冶金特性，Invar合金焊接具有熔池流動性差、熔深淺，易出現(xiàn)氣孔和裂紋等特點(diǎn)。

熔池流動性差，熔深淺主要基于兩個原因：（1）Invar合金較高的鎳含量提高了液態(tài)Invar合金的表面張力和黏度，使熔池流動性較差；（2）Invar合金表面張力大且表面張力系數(shù)為負(fù)，在焊縫熔池表面形成由熔池中心向熔池四周流動的對流，導(dǎo)致熔池變寬，熔深變淺。熔池流動性較差易導(dǎo)致焊縫合金成分分布不均勻和咬邊等現(xiàn)象的發(fā)生。提高熔池流動性方法主要有：（1）提高焊接熱輸入以改善熔池流動性，但會造成低熔點(diǎn)元素蒸發(fā)和氣化，組織粗大，熱裂紋傾向增大；（2）在保護(hù)氣體中加入O2等活性氣體，以改善熔池表面張力和流動性，但易形成氣泡或與熔池金屬反應(yīng)生成NiO等物質(zhì)形成夾渣。目前改善Invar合金焊接流動性較簡單的方法是擺動焊槍來攪拌熔池，提高其流動性。

Invar合金焊接易出現(xiàn)氣孔，主要原因在于：（1）液態(tài)Invar合金對O2、H2和CO2等氣體溶解度較大；（2）Invar合金熔池流動性差、黏性大且固相液相間距小，凝固過程較快，焊接時(shí)O 極易于Ni 形成NiO，進(jìn)而與H、C 生成CO2和氣態(tài)水大量溶解于液態(tài)金屬中。熔池冷卻過程中，粘度大，凝固快的熔池金屬使得氣體來不及逸出，滯留在焊縫中形成氣孔。此外，還存在焊接坡口、表面存在油污水分，保護(hù)氣氛不足等工藝原因。因此，焊前清理尤為重要。

Invar合金易出現(xiàn)的裂紋主要有凝固裂紋和高溫失塑裂紋兩種。Invar合金為單相奧氏體組織，對合金元素的溶解度較低，S、P 等雜質(zhì)極容易與基體的Ni、Fe作用，生成熔點(diǎn)較低的共晶物，偏析于晶界處，在焊接凝固及應(yīng)力作用下會產(chǎn)生凝固裂紋。此外，Invar合金在溫度達(dá)到熔點(diǎn)0.5～0.8倍時(shí)，存在一個塑性極具下降的區(qū)域（DTR），此區(qū)域容易出現(xiàn)高溫失塑裂紋（DDC）[9]，關(guān)于Invar合金的高溫失塑裂紋機(jī)理部分學(xué)者進(jìn)行了研究，但目前沒有統(tǒng)一的定論。

3 Invar合金焊接工藝研究現(xiàn)狀

3.1 Invar合金TIG、MIG焊接

Invar合金早期的焊接工藝方法主要是TIG和MIG焊接，在前期研究中，主要對填充金屬的化學(xué)成分、焊接裂紋和膨脹系數(shù)不匹配等問題進(jìn)行了研究。

Bellware 等[10–12]在Invar36合金焊接研究過程中發(fā)現(xiàn)，在焊絲中加入Ti、Mn 元素和提高C 含量改變焊絲的化學(xué)成分后，可以有效降低Invar合金對熱裂紋的敏感性。焊接過程中Mn、Ti可以作為焊縫的脫氧劑且能與S 等物質(zhì)形成高熔點(diǎn)析出物，避免了低熔點(diǎn)共晶物的形成，抑制了熱裂紋的產(chǎn)生。但是，Ti、Mn 作為填充金屬時(shí)抑制了焊接熱裂紋產(chǎn)生的同時(shí)卻出現(xiàn)了焊縫熱膨脹系數(shù)與母材不匹配的問題。

對于熱膨脹系數(shù)匹配性和焊接熱裂紋問題，Witherell 等[13]通過調(diào)節(jié)填充金屬成分（36% Ni，3% Mn，1% Ti，0.1% C）同時(shí)減小焊接熱輸入量的方法，平衡了焊縫抗熱裂紋性和熱膨脹系數(shù)，從而達(dá)到使用要求。雖然這種方法改善了焊縫母材熱膨脹系數(shù)，但是犧牲了部分焊縫的抗裂紋性能，且限制了焊接熱輸入。Otte 等[14]利用Nb 代替了Mn、Ti，以成分為36% Ni、1.5% Nb、0.2% C和Fe的焊絲作為填充金屬焊接Invar36合金，在保證抗焊接熱裂紋的基礎(chǔ)上，極大改善了膨脹系數(shù)不匹配問題。

傳統(tǒng)焊接工藝結(jié)合新技術(shù)及優(yōu)化工藝措施對提高Invar合金焊接質(zhì)量有顯著的效果。Wang 等[15]采用脈沖TIG 對厚度為0.7mm和1mm的Invar36合金進(jìn)行搭接焊接研究，結(jié)果顯示熔合區(qū)完全由柱狀晶組成，柱狀晶粒中觀察到兩種形式的子結(jié)構(gòu)（圖3）；力學(xué)試驗(yàn)表明，HAZ和FZ的顯微硬度分別達(dá)到基體金屬的85%、90%以上。

Chen 等[16]對19.05mm 厚的Invar36合金進(jìn)行60°開坡口多層擺動MIG 焊接并對其熱影響區(qū)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)第1次焊道的熱影響區(qū)相對穩(wěn)定，但熱影響區(qū)較寬（1200μm）；第2～5層焊道熱影響區(qū)相對波動較大，但是整體熱影響區(qū)較窄（≤600μm），而較窄的熱影響區(qū)提高了焊縫質(zhì)量，為后續(xù)Invar合金焊接研究提供了基礎(chǔ)。

3.2 Invar合金激光焊接

激光焊具有熱輸入小和熱影響區(qū)窄的優(yōu)點(diǎn)，適合于熱裂紋傾向較大的Invar合金焊接。黃震宇[17]利用分光法獲得雙束激光對0.7mm 厚的Invar合金進(jìn)行了焊接研究，前一道激光對試板進(jìn)行預(yù)熱，后一道激光進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)激光功率390W、脈寬2.5ms、頻率30Hz、離焦量0和焊接速度200mm/min 時(shí)，焊縫質(zhì)量最好，強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到了母材的94.18%和92.00%，分別為478.84MPa和256.70MPa。

Zhao等[18]利用激光焊接了3mm厚的Invar36合金，結(jié)果顯示熔合區(qū)平均硬度為130Hv，達(dá)到母材的83%；平均抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為基體材料的85%、87%和36%；顯微觀察發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)存在晶粒長大現(xiàn)象，呈較粗的奧氏體柱狀晶，而熔合區(qū)的晶粒長大是導(dǎo)致熔合區(qū)的力學(xué)性能降低的主要原因。

圖3 焊接接頭顯微組織圖Fig.3 Microstructure of welded joint

朱小軍等[19]利用脈沖激光焊接了0.5mm 厚的4J42合金，接頭形式為搭接，成功獲得了密封性良好的焊縫，試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接速度越快，密封率越低。

3.3 Invar合金激光–MIG復(fù)合焊接

激光–MIG復(fù)合焊接是結(jié)合了激光熔深大和MIG焊橋接能力好等優(yōu)點(diǎn)的新型焊接方法，對Invar合金中厚板焊接有一定適用性。

Li 等[20]采用激光和激光–MIG復(fù)合焊的方法焊接了5mm 厚的Invar36合金，結(jié)果表明，復(fù)合焊縫的屈服強(qiáng)度比激光焊縫高16.2%（362.8MPa），這主要是因?yàn)槠渚Я］^細(xì)，激光焊縫的熱膨脹系數(shù)與母材基本相同，而復(fù)合焊縫的熱膨脹系數(shù)比母材高，且其熱膨脹系數(shù)曲線與鐵鎳合金的理論曲線有明顯的偏離，如圖4所示，原因是焊縫鎳含量降低和生成新相。

Zhan 等[21]利用激光–MIG復(fù)合焊對19.05mm 厚的Invar36合金進(jìn)行了多層多道焊，微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫由激光引起的柱狀枝晶區(qū)和遠(yuǎn)離焊縫生長的MIG電弧引起的胞狀樹枝晶區(qū)組成，且焊縫中心區(qū)晶粒較細(xì)硬度較高；從焊縫中心到母材Ni 含量增加，Mo 含量略微降低，而Mn和Cr 含量降低較多。

3.4 Invar合金攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊作為一種固態(tài)連接工藝，能有效避免熱裂紋和熱膨脹系數(shù)不匹配問題，Jasthi[22]對12.7 mm 厚的Invar36合金進(jìn)行攪拌焊接，分別使用多晶立方氮化硼（PCBN）和W-25%Re 兩種材料制作的高溫?cái)嚢栳?，發(fā)現(xiàn)焊接消除了熔化焊存在的凝固裂紋、氣孔、再熱裂紋等問題，且焊縫的熱膨脹系數(shù)、拉伸強(qiáng)度和顯微硬度與母材基本相同。

圖4 復(fù)合焊、激光焊和母材的熱膨脹曲線Fig.4 Thermal expansion curves of hybrid welding,laser welding,and base metals

Zhao 等[23–24]利用攪拌摩擦焊焊接了3mm的Invar36合金并進(jìn)行分析研究，熱膨脹性測試結(jié)果表明，其焊縫保持了優(yōu)異熱膨脹系數(shù)，焊縫在攪拌區(qū)為均勻的粗奧氏體組織，與基體材料相比，平均晶粒尺寸更大，但是晶粒結(jié)構(gòu)更均勻，如圖5所示；力學(xué)性能測試表明焊縫的硬度和抗拉強(qiáng)度降低了約10%，主要原因是晶粒尺寸的增大。

圖5 母材及不同轉(zhuǎn)速下攪拌區(qū)的顯微組織圖Fig.5 Microstructure image of base metals and stirring zone at different speeds

3.5 Invar合金K–TIG焊接

K–TIG（Keyhole TIG）焊接作為一種加強(qiáng)版的TIG焊接，其原理是在傳統(tǒng)的TIG 基礎(chǔ)上通過大電流（>300A）產(chǎn)生的較大的電弧壓力與液態(tài)熔池的表面張力平衡形成小孔，實(shí)現(xiàn)深熔焊。大電流對鎢極有嚴(yán)重的燒損，K–TIG 通過在焊槍通入冷卻水，加強(qiáng)了對鎢極的冷卻作用，使鎢極可承受更大的電流，如圖6所示。K–TIG 解決了原本TIG 熔深不足的缺點(diǎn)，最大熔深達(dá)12～15mm，極大地提高了焊接效率，同時(shí)減少了多層多道焊接帶來的熱輸入量過大，焊接變形嚴(yán)重的問題。K-TIG 在焊接中厚板時(shí)無需開坡口焊接和解決需要填充材料帶來的膨脹系數(shù)不匹配問題，并且具有良好的間隙容忍度，避險(xiǎn)了激光焊接間隙容忍度低、裝配要求高、焊機(jī)成本高等缺點(diǎn)。

劉紅兵等[25]使用K–TIG 工藝焊接10mm 厚的Invar36合金，焊縫成形良好無裂紋和氣孔出現(xiàn)（圖7），其拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的95%以上，焊縫拉伸斷裂屬于典型韌性斷裂，焊縫拉伸斷口存在大量韌窩（圖8）。綜合而言，K–TIG 對Invar合金焊接具有良好的適應(yīng)性，對Invar合金焊接具有較強(qiáng)的研究價(jià)值。

圖6 K–TIG焊接示意圖Fig.6 Schematic illustration of K–TIG welding

圖7 K–TIG焊Invar36合金焊縫截面 Fig.7 Cross section of Invar36 alloy by K–TIG welding

圖8 K–TIG焊Invar36合金拉伸斷口 Fig.8 Fractography of Invar36 alloy K–TIG welding

4 結(jié)論

目前的焊接工藝方法一定程度上改善了Invar合金熔池流動性差、熔深淺，易出現(xiàn)裂紋和氣孔等問題，但在中厚板焊接時(shí)仍存在不足，如焊接效率低、裝配間隙要求高、設(shè)備成本高等局限性。K–TIG焊由于熔深大、無需填充材料、焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性好，對中厚板Invar合金焊接具有顯著優(yōu)勢，未來應(yīng)加強(qiáng)Invar合金K–TIG焊接研究以及開發(fā)更適合Invar合金中厚板焊接的新工藝、新方法。