高溫合金焊接研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

柯長福 王旭彬

摘要：高溫鋁合金具有耐磨、耐高溫、耐腐蝕、耐氧化特征，在高精度、高端領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文重點(diǎn)論述了高溫合金發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用場景，針對高溫合金技術(shù)中裂紋類型及原因進(jìn)行分析，對技術(shù)工藝以及相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)做出細(xì)致講解，并對高溫合金焊接常見問題及改良措施做了介紹，推動我國高溫合金技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高溫合金;焊接工藝;技術(shù)改良

引言

我國科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，推動了各領(lǐng)域技術(shù)性能不斷完善，高溫合金在我國高、精、尖領(lǐng)域生產(chǎn)中利用率越來越高，可以在嚴(yán)苛的環(huán)境下承受復(fù)雜的機(jī)械應(yīng)力，滿足人們應(yīng)用需求。隨著人們對航空、航天等領(lǐng)域的發(fā)動機(jī)性能要求的提高，對內(nèi)燃機(jī)和噴氣發(fā)動機(jī)耐用性要求的提高，普通金屬難以完成飛機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)創(chuàng)新要求，高溫合金具有可塑性、抗拉性及耐腐蝕特性，目前在航空領(lǐng)域普遍運(yùn)用。

1高溫合金分類

高溫合金根據(jù)材料形成方法，包括鑄造、變形、新型三種形式。高溫合金主要分為三類，鐵基高溫合金以Fe 為基體，可以融合少許Ni、Cr等材質(zhì)，提高其耐高溫及耐氧化能力。鈷基高溫合金以Co為基體，融合少許Ni、Cr等材質(zhì)，提高耐高溫性能，由于Co成本較高，一般應(yīng)用范圍窄化，僅運(yùn)用于復(fù)雜應(yīng)力零件生產(chǎn)。鎳基高溫合金主要以Ni為基體，較Fe為基體的耐高溫性能更強(qiáng)，其成本價格低于Co為基體，可廣泛運(yùn)用于各領(lǐng)域。我國飛機(jī)、艦船、燃?xì)廨啓C(jī)對變形高溫合金應(yīng)用占比較大，鑄造高溫合金最高耐溫能力可到到1800℃以上，但由于成型較為困難，新型高溫合金可以解決高溫合金成型困難問題，適用領(lǐng)域更加寬泛。

2高溫合金焊接的發(fā)展

2.1焊接裂紋形成機(jī)理

高溫合金由于應(yīng)用場景限制，主要集中在對焊接裂紋、焊接接頭、微觀組織等技術(shù)工藝掌控。

2.1.1凝固裂紋

焊接縫區(qū)容易在凝固溫度區(qū)間造成晶間的液體封閉，導(dǎo)致凝固晶界與亞晶界之間出現(xiàn)閉合不嚴(yán)，這種裂紋稱之為凝固裂紋。主要因素是高溫合金耐溫性能影響其導(dǎo)熱性能，液態(tài)高溫合金缺乏流動性，焊接接頭易發(fā)生熱裂狀況。通過對同類合金的凝聚溫度區(qū)間計算，結(jié)果表明不同含量對合金凝固溫度區(qū)間有一定內(nèi)在聯(lián)系，其中W含量與合金凝固溫度區(qū)間具有正向聯(lián)系。界面活性原子偏析析液相中，形成低熔點(diǎn)共晶相，弱化了晶界的凝聚力，導(dǎo)致焊縫閉合能力差，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋。

2.1.2液化裂紋

晶間液膜在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力因素下產(chǎn)生的裂紋叫做液化裂紋。其中焊縫晶間會生成液膜，導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)。通過對焊接儀器實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Nb、B等物質(zhì)會隨著焊接接頭應(yīng)力的增加，液化裂紋會隨之增大，具有一定敏感性。熱影響區(qū)晶界富Nb物質(zhì)會因焊接動作溫度的升高出現(xiàn)液化。

2.1.3高溫失塑裂紋

這種微小的裂紋一般易在固相線以下低塑性溫度區(qū)出現(xiàn)。雖然學(xué)者對高溫失塑裂紋未能明確形成機(jī)理，但導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因有P、S、Nb、Mn等元素含量，焊后熱處理工藝以及晶界的狀態(tài)以及適應(yīng)性。

2.1.4應(yīng)變時效裂紋

焊接焊后殘余應(yīng)力與實(shí)效應(yīng)力雙重作用下，超過了合金塑性承受能力，晶界會因應(yīng)力驟然聚集而導(dǎo)致沿晶開裂。該裂紋主要發(fā)生在焊后熱處理后者焊縫熱影響區(qū)。技術(shù)人員應(yīng)對合金晶粒尺寸嚴(yán)格審核，在作業(yè)過程中控制熱輸入量，焊前及焊后加強(qiáng)技術(shù)控制，采用預(yù)熱或噴丸等處理手段。

2.2高溫合金的焊接工藝研究

2.2.1鎢極氬弧焊

該焊接工藝具有飛濺微弱、電弧穩(wěn)定、焊接對象廣泛、焊接質(zhì)量優(yōu)良的特點(diǎn)，因焊接操作便捷，可以實(shí)現(xiàn)自動焊接。高溫合金鎢極氬弧焊一般對焊接接頭控制能力較強(qiáng)，主要改善或應(yīng)用特定焊接工藝為主。不同焊接參數(shù)下，晶粒相、焊接峰值電流區(qū)間、脈沖頻率等有所不同，其中脈沖TIG焊可以嚴(yán)格控制技術(shù)參數(shù)，焊縫峰值電流、脈沖頻率、占空比增加，焊縫強(qiáng)度也會隨之提高，可以細(xì)化晶粒效果。對高溫合金開裂部分預(yù)熱處理后，會弱化液化裂紋的生成。如果焊接速度放緩，易出現(xiàn)氣孔或者咬邊等技術(shù)不良現(xiàn)象，在熱影響作用下，易出現(xiàn)液化裂紋，難以滿足高精度構(gòu)件焊接要求。

2.2.2激光焊接

該焊接工藝較為精密，熱源采取高能量密度的激光束，焊件熱影響區(qū)范圍控制較小，可以高度集中熱輸入，實(shí)現(xiàn)自動化控制，可以滿足高精度的航空領(lǐng)域焊接技術(shù)應(yīng)用。高溫合金如果熱輸入過大會生成液化裂紋，激光焊可以降低熔池流動性，適用于多種焊接參數(shù)區(qū)間，對提高焊縫強(qiáng)度，控制裂紋具有良好作用。在相同熱輸入條件下，不同材質(zhì)激光焊接接頭，焊縫均不會產(chǎn)生氣孔和裂紋等嚴(yán)重不良缺陷，焊縫因焊接母材差異，強(qiáng)度也會產(chǎn)生一定變化。鎳基高溫合金焊接易發(fā)生裂紋，因此，采用激光焊接，經(jīng)過對比實(shí)驗(yàn)，焊前固溶熱處理可以使鎳基高溫合金內(nèi)部物質(zhì)溶解，隨著合金強(qiáng)度的加大，融化裂紋長度也會隨之增加。

2.2.3電子束焊

該焊接技術(shù)工藝是在真空環(huán)境或大氣環(huán)境下，對加工部件采取加速和聚焦的電子束完成焊接工藝。電子束焊能量密度高，變形小、深寬比大，熱影響小、高純凈性等特點(diǎn)，可用于高精度、高端制造領(lǐng)域。電子束焊接為了控制裂紋，應(yīng)在作業(yè)前做熱處理。對電子束焊做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明電子束流與深寬比及熔深呈正向關(guān)聯(lián)，如果加入掃描波形會出現(xiàn)接頭橫截面彎曲，背面未焊接完全等不對等性。焊接接頭強(qiáng)度應(yīng)大于焊接母材，但焊縫區(qū)硬度未能高于焊接母材。熱處理可以提高焊接接頭強(qiáng)度，還具備一定延展性和抗拉性。電子束焊接受到作業(yè)環(huán)境限制，工件過大難以操作，大批量構(gòu)建不適用該技術(shù)工藝。

2.2.4釬焊

該焊接工藝采用熔點(diǎn)較低的焊件與釬料共同加熱，利用液態(tài)釬料對工件縫隙做出連接。實(shí)驗(yàn)表明，釬焊在1250℃，保持10min，抗壓強(qiáng)度為645MPa，此技術(shù)參數(shù)接頭抗剪強(qiáng)度最高。

2.2.5摩擦焊

該焊接技術(shù)是對工件接觸面摩擦生成熱源，在摩擦產(chǎn)生熱能的作用下使焊面變形，熱影響集中，不容易生成裂紋。目前，業(yè)內(nèi)學(xué)者重點(diǎn)優(yōu)化焊接參數(shù)，對運(yùn)行機(jī)理研究不夠深入。通過實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速800r/min時，飛邊光滑，隨著轉(zhuǎn)速的提高，飛邊逐步呈現(xiàn)弧紋和開裂。對合金線性摩擦焊試驗(yàn)表明，該焊接工藝較熔焊工藝不同的是，焊縫區(qū)布滿了重結(jié)晶晶粒。焊接過程中產(chǎn)生的壓應(yīng)力控制了液化裂紋產(chǎn)生。

3高溫合金焊接技術(shù)未來發(fā)展趨勢

高溫合金根據(jù)不同應(yīng)用場景及作業(yè)環(huán)境可采取不同焊接技術(shù)，滿足各領(lǐng)域工業(yè)、制造業(yè)發(fā)展需求。高溫合金焊接技術(shù)推動了我國航空、國防、機(jī)械加工等領(lǐng)域制造，尤其高精度、高端部件的制造，可以提高焊接的精度和質(zhì)量。高溫合金焊接加工技術(shù)還應(yīng)根據(jù)人們生產(chǎn)、生活需求，在技術(shù)工藝上不斷創(chuàng)新科學(xué)研究、更新迭代，在綜合性能不斷提高的前提下拓展應(yīng)用范圍。

4結(jié)束語

綜上所述，高溫合金采用不同焊接技術(shù)，焊接工藝技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)也有所不同。我國航空發(fā)動機(jī)、渦輪葉片發(fā)動機(jī)等廣泛采用高溫合金焊接技術(shù)，該材質(zhì)具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕、耐氧化等特點(diǎn)，針對不同工藝優(yōu)缺點(diǎn)及突破性改良案例介紹，為高溫合金未來發(fā)展指明了方向，對拓展高溫合金應(yīng)用范圍夯實(shí)基礎(chǔ)。

面

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