鎳基合金薄板激光焊接研究進(jìn)展

岳考捷，賈 晨，王云嵩，牛方勇，馬廣義，吳東江

大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024

1 引 言

隨著航空航天、能源動力、石油化工等領(lǐng)域的發(fā)展，對材料的高溫性能、耐腐蝕性能等提出越來越高的要求。鎳基合金具有強(qiáng)度高、冶金穩(wěn)定性好、加工制造性能優(yōu)良、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點，逐漸在各種復(fù)雜服役環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用[1]。例如，航空發(fā)動機(jī)燃燒室與機(jī)匣、核主泵定/轉(zhuǎn)子屏蔽套[2]、三代核電蒸汽發(fā)生器傳熱管等[3]。在過去的二十年中，隨著鎳基合金的發(fā)展，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的推進(jìn)力提高了60%，而與此同時，燃料消耗量下降了20%[4]。

常用于焊接的鎳基合金薄板分為Ni-Cr 合金和Ni-Cr-Mo 合金，用于航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、核電站等核心裝備部件中[5]。其中，Ni-Cr 合金在核電站傳熱管、航空發(fā)動機(jī)的金屬封嚴(yán)圈、導(dǎo)向葉片冷氣導(dǎo)管等部件[6-8]中被廣泛應(yīng)用，因此Ni-Cr 合金焊接接頭需要具備優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、耐應(yīng)力腐蝕等。常見的用于激光焊接的Ni-Cr 合金有Inconel 600、Inconel 718 以及我國開發(fā)的GH4169、GH3039 等[9]。Ni-Cr-Mo 合金常用在核主泵屏蔽套[2,5]和化工設(shè)備，長期處于高溫、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中，因此其焊接接頭需具有良好的耐腐蝕性。最為典型的Ni-Cr-Mo 合金為Hastelloy C-276[10]，常見的還有Hastelloy X[11-12]。

目前鎳基合金常用的焊接技術(shù)有弧焊、電子束焊接和激光焊接等[13-16]，弧焊工藝熱輸入較大，易造成較大的熱應(yīng)力應(yīng)變，焊接薄板較為困難；電子束焊接是借助電子束的加速度來形成高熱量的焊接技術(shù)，具有功率密度高、穿透能力強(qiáng)、深寬比大的特點，但是其設(shè)備昂貴、真空度要求高；而激光焊接具有適應(yīng)性強(qiáng)、焊接速度快、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小和殘余應(yīng)力小等特點，使得其在鎳基薄板焊接中具有明顯優(yōu)勢。

本文分別總結(jié)了鎳基合金薄板激光自熔焊接和激光填絲焊接兩種焊接技術(shù)下焊縫的微觀組織演變、力學(xué)性能和耐腐蝕性能變化，介紹多種組織和性能優(yōu)化方法，并總結(jié)焊接變形方面的研究進(jìn)展，最后指出未來可能的發(fā)展方向。

2 激光自熔焊接技術(shù)

激光自熔焊接技術(shù)是實現(xiàn)鎳基合金薄板連接的有效手段之一，具有柔性好、精度高、不受材料和磁場影響等優(yōu)點。相比于電弧焊接，激光焊接具有能量密度高、焊縫深寬比大、熱輸入小、焊后變形小等優(yōu)勢，已經(jīng)在航空航天[17]、能源動力等領(lǐng)域的管路結(jié)構(gòu)、屏蔽套、封嚴(yán)圈、蒙皮-骨架結(jié)構(gòu)、支架等薄壁結(jié)構(gòu)的焊接中得到廣泛應(yīng)用[18]。目前，對于焊接過程的微觀組織演變、力學(xué)性能和耐腐蝕性能變化依然是研究熱點。

2.1 微觀組織

鎳基合金薄板母材一般采用經(jīng)過軋制處理得到的、具有固溶強(qiáng)化處理或沉淀強(qiáng)化處理狀態(tài)的板材，其中基體為奧氏體γ 相。Ni-Cr 合金中Cr 元素固溶在γ 基體中，少量Al、Ti、Nb 等元素會形成具有強(qiáng)化作用的沉淀相γ'和γ''，因此在激光焊接后，焊縫容易產(chǎn)生元素偏析和脆性相的析出。Ni-Cr-Mo 合金中Cr、Mo 元素均固溶在基體中，焊后同樣易產(chǎn)生元素偏析現(xiàn)象。目前，微觀組織的研究主要圍繞晶粒形貌與尺寸、析出相的成分和尺寸以及對微觀組織的調(diào)控。

用于激光焊接的Ni-Cr 合金薄板包括Inconel 718(對應(yīng)國產(chǎn)GH4169)、Inconel 617、GH3044 和GH188等。國內(nèi)學(xué)者對Ni-Cr 合金薄板焊縫的微觀組織開展了大量研究。南昌航空大學(xué)孫文君等人[19]焊接GH4169 得到的焊縫微觀組織如圖1(a)所示，焊縫主要由柱狀晶組成，在焊縫中心存在少量等軸晶[20]。激光焊接過程中，熔池的快速凝固可使焊縫晶粒明顯細(xì)化[21-22]。南昌航空大學(xué)王曉光等人[23]和清華大學(xué)程昊等人[24]分別在對GH3044 和Inconel 617 激光焊接的研究中發(fā)現(xiàn)，通過提高焊接速度的方式降低焊接熱輸入，能夠有效細(xì)化焊縫晶粒，減小二次枝晶臂間距(圖1(b))。北京航空制造工程研究所的蘆偉等人[25]在對GH188 的激光焊接研究中，通過降低激光功率同樣使焊縫寬度和晶粒尺寸進(jìn)一步減小(圖1(c))。西班牙學(xué)者Hernando 等人[26]用數(shù)值模型預(yù)測Inconel 718合金焊縫幾何形貌和微觀組織，二次枝晶臂間距預(yù)測誤差在1.5 μm 以下。

圖1 Ni-Cr 合金焊縫微觀組織。(a) 熔合線附近和焊縫中心微觀組織[19];(b) 焊接速度對焊縫枝晶的影響[24];(c) 激光功率對焊縫微觀組織的影響[25];(d) 微觀組織預(yù)測[26]Fig.1 Microstructure of Ni-Cr alloy welds.(a) Microstructure near the fusion line and in the weld center[19];(b) The effect of welding velocity on weld dendrites[24];(c) The effect of laser power on microstructure of welds[25];(d) Prediction of microstructure[26]

Ni-Cr-Mo 合金焊接則主要針對Hasetlloy C-276和Hastelloy X 兩種材料。國內(nèi)大連理工大學(xué)馬廣義等人[27-28]在Hastelloy C-276 激光焊接研究中，發(fā)現(xiàn)焊縫主要由過渡熔化區(qū)(靠近邊緣處)的柱狀晶和中心的等軸晶組成，焊縫邊緣存在平面晶和胞狀晶(圖2(a))。由于激光焊接中的快速凝固，焊縫晶粒得到了顯著細(xì)化。在晶粒形貌調(diào)控方面，大連理工大學(xué)周思雨等人[31-32]通過施加隨焊超聲振動，使焊縫晶粒及析出相的尺寸減小，焊縫等軸晶尺寸約為未施加超聲焊縫晶粒尺寸的一半。并且，施加超聲后，焊縫晶粒間的取向差降低，晶粒之間結(jié)合度提高(圖2(d))。

伊朗學(xué)者Azimzadegan 等人[29]和法國學(xué)者Graneix 等人[12]對Hastelloy X 的激光焊接研究發(fā)現(xiàn)，焊縫邊緣同樣存在細(xì)長的柱狀晶(圖2(b))。使用相場法模擬Hastelloy X 焊縫中的晶粒形貌(圖2(c))，分析實驗結(jié)果表明，當(dāng)初生枝晶臂間距大于3 μm 時，會有裂紋產(chǎn)生[30]。

圖2 Ni-Cr-Mo 合金焊縫微觀組織。(a) Hastelloy C-276 母材、熱影響區(qū)和焊縫中心處的微觀組織[27?28];(b) Hatelloy X 焊縫邊緣微觀組織[29];(c) 使用相場法模擬焊縫中的柱狀晶[30];(d) 母材及超聲作用前后焊縫的微觀組織EBSD 圖[31]Fig.2 Microstructure of Ni-Cr-Mo alloy welds.(a) Microstructure of Hastelloy C-276 base metal,heat affected zone and weld center[27?28];(b) Microstructure of Hastelloy X weld edge[29];(c) The phase field simulation of columnar grains in weld [30];(d) EBSD microstructure of base metal and the weld with or without ultrasonic vibration[31]

焊縫中的元素偏析和析出相是微觀組織特征的重要組成部分。在Ni-Cr 合金焊接中，印度學(xué)者Janaki Ram 等人[33]使用脈沖激光焊接Inconel 718 合金，在焊縫中和熔合線附近的晶界處觀察到顆粒狀的Laves 相，如圖3(a) 所示。印度學(xué)者Sonar 等人[1]指出，高能量密度的激光焊接工藝可有效減少 Inconel 718 焊縫中的Nb 偏析 (10～12%) 和相應(yīng)的Laves 相發(fā)展 (4～6%)。其他學(xué)者的研究同樣表明，激光焊接過程中熔池的快速凝固，有效抑制了由Nb、Mo 等元素產(chǎn)生的脆性相在晶界處的析出，同時還有利于具有強(qiáng)化效果的γ′相的產(chǎn)生[34-36]。然而，由于快速冷卻(10000 ℃/s)，焊接接頭存在孔隙缺陷和熱影響區(qū)液化開裂傾向[33]。此外，清華大學(xué)程昊等人[24]通過降低熱輸入有效降低了Inconel 617 焊縫元素偏析程度，減小脆性相的析出(圖3(b))。

Ni-Cr-Mo 合金的元素分布和析出相特征同樣是研究重點之一。大連理工大學(xué)馬廣義等人[28]指出，Hastelloy C-276 焊縫中元素的微觀偏析程度降低(與傳統(tǒng)電弧焊接相比)，并且焊縫中的脆性相在快速凝固過程中得到了抑制。大連理工大學(xué)周思雨等人[31]使用超聲振動調(diào)控微觀組織的研究中，焊縫內(nèi)析出相的尺寸減小，其含量相較于未施加超聲由2.15%降低至0.62%，且焊縫金屬的元素分布更加均勻(圖3(c))。伊朗學(xué)者Jelokhani-Niaraki 等人[37]焊接Inconel 625 時，發(fā)現(xiàn)在焊縫中仍有Laves 相產(chǎn)生。伊朗學(xué)者Azari M等人[38]調(diào)整激光能量密度，發(fā)現(xiàn)激光熱導(dǎo)焊接和匙孔焊接兩種模式下，焊縫組織和元素分布基本一致。

圖3 鎳基合金焊縫析出相。(a) Inconel 718 焊縫中的Laves 相[33];(b) 熱輸入變化對Inconel 617 焊縫析出相的影響[24];(c) 超聲振動對Hastelloy C-276 焊縫析出相的影響[31]Fig.3 The precipitation phase in nickel-based alloy welds.(a) The Laves phase in the Inconel 718 weld[33];(b) The effect of heat input on the precipitation phase of the Inconel 617 weld[24];(c) The effect of ultrasonic vibration on the precipitation phase in Hastelloy C-276 welds[31]

因此，目前對于鎳基合金薄板焊接微觀組織演變已經(jīng)有了比較深入的認(rèn)識，并且能夠通過工藝參數(shù)調(diào)整，如提高焊接速度、降低激光功率等手段和采用輔助工藝方法，如施加隨焊超聲等對晶粒形貌、元素偏析及析出相進(jìn)行調(diào)控(表1)，這對于進(jìn)一步優(yōu)化焊接接頭使用性能，控制焊接質(zhì)量具有重要的作用。但是在微觀組織的數(shù)值模擬預(yù)測方面國內(nèi)的研究相對較少，為了進(jìn)一步推進(jìn)鎳基合金激光焊接技術(shù)的發(fā)展，需要在微觀組織預(yù)測方面展開深入研究。

表1 自熔焊微觀組織研究現(xiàn)狀Table 1 Research status of microstructure of autogenous

2.2 力學(xué)性能

鎳基合金因其具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，成為嚴(yán)酷服役環(huán)境下不可或缺的材料。顯微硬度是表征焊接接頭性能均勻性和接頭軟化行為的有效手段。在鎳基合金薄板激光焊接研究中，焊縫顯微硬度分布均勻，且均優(yōu)于母材，這與焊縫晶粒細(xì)化和硬脆的析出相有關(guān)[37]。通過調(diào)整激光功率和焊接速度，降低焊接熱輸入，能夠提高焊縫的顯微硬度[21,23]，如圖4所示。

圖4 不同焊接熱輸入下接頭的顯微硬度[23]Fig.4 Microhardness of the welded joint with different heat input[23]

室溫拉伸性能是評價焊接接頭強(qiáng)度、塑性和斷裂行為的重要手段，因此對鎳基合金室溫抗拉性能的研究較多。針對Ni-Cr 合金的室溫拉伸性能研究表明，焊接接頭強(qiáng)度均可達(dá)到母材的90%以上，接頭伸長率均明顯低于母材伸長率，焊縫為接頭中最薄弱的區(qū)域[19,25,31,35-36,39-42]。從斷口形貌分析可知，焊接接頭均發(fā)生韌性斷裂(圖5(a))[43]。對拉伸性能進(jìn)行調(diào)控始終是研究的重點內(nèi)容。目前普遍認(rèn)為，細(xì)化晶粒，減少有害脆性相在晶界處的析出是提高抗拉強(qiáng)度的關(guān)鍵方式[23]。因此，在保證焊縫成形質(zhì)量良好時，通過增大焊接速度和減小激光功率，減小焊接熱輸入，能夠有效提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和韌性[23,25-26]，如圖5(c)所示。南昌航空大學(xué)陳玉華等人[44]在稀土元素對GH4169 激光焊接接頭的影響的研究中，通過在焊縫中添加CeO2提高了焊縫的韌性和塑性。此外，焊縫的幾何形貌和晶粒形貌的不均勻使得焊縫在拉伸變形中各區(qū)域變形不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度的降低[23]。

Ni-Cr-Mo 合金薄板激光焊接接頭具有相似的拉伸性能。國外Jelokhani-Niaraki 等人[37]發(fā)現(xiàn)熱輸入過低而無法形成熔透的焊縫時，會有裂紋缺陷的存在，焊縫抗拉強(qiáng)度低。而國內(nèi)大連理工大學(xué)馬廣義等人[45]在Hastelloy C-276 激光焊接接頭的拉伸性能研究中，發(fā)現(xiàn)焊接接頭的常溫抗拉強(qiáng)度為原始母材的88.6%，斷裂發(fā)生在焊縫位置，斷口呈韌性斷裂特征(圖5(b))。焊縫性能的降低與元素偏析導(dǎo)致的析出物和快速凝固引起的非平衡空位缺陷有關(guān)[45]。此外，接頭形貌變化較大的位置產(chǎn)生的應(yīng)力集中，也是導(dǎo)致焊接接頭室溫抗拉強(qiáng)度低于母材的原因之一[33,46]。

圖5 Ni-Cr-Mo 合金焊接接頭拉伸性能。(a) Ni-Cr 合金的母材與焊縫拉伸斷口形貌[46];(b) 通過調(diào)整熱輸入調(diào)控抗拉強(qiáng)度[23];(c) Ni-Cr-Mo 合金的母材與焊縫拉伸斷口形貌[45]Fig.5 Tensile properties of Ni-Cr-Mo alloy welded joints.(a) Fracture surfaces of Ni-Cr alloy base metal and weld[46];(b) Tensile strength with different heat input[23];(c) Fracture surfaces of Ni-Cr-Mo alloy base metal and weld[45]

在航空發(fā)動機(jī)、核主泵等裝備中，材料通常會在較高的溫度下服役，因此鎳基合金焊接接頭的高溫力學(xué)性能評價對于焊接工藝的選取具有重要意義。在鎳基合金薄板激光焊接技術(shù)中，高溫力學(xué)性能主要以重慶大學(xué)曲鳳盛等人[47]和大連理工大學(xué)吳東江等人[43]的研究為主，主要在高溫塑性和高溫拉伸強(qiáng)度兩方面。在高溫塑性方面，Inconel 718 (Ni-Cr 合金)焊接接頭在橫向拉力下，950 ℃時最大伸長率達(dá)到458.56%，焊縫未產(chǎn)生變形。在縱向拉伸條件下，965 ℃時最大伸長率為178.96%，焊縫和基體均發(fā)生變形。在高溫拉伸變形下，焊縫晶粒發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，原來的柱狀枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢钪Ш偷容S晶的混合組織。并且高溫變形后，焊縫中部分Laves 相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，但焊縫中仍有一小部分殘余Laves 相(圖6(a))[47]。在高溫強(qiáng)度方面，Hastelloy C-276 (Ni-Cr-Mo 合金)焊縫的高溫抗拉強(qiáng)度與母材基本一致(圖6(b))，焊縫與母材產(chǎn)生均勻的塑性變形，具有相同的加工硬化趨勢，拉伸斷口如圖6(c)所示[43]。

圖6 鎳基合金高溫拉伸性能。(a) Ni-Cr 合金高溫拉伸前后焊縫中的Laves 相[47];(b) Ni-Cr-Mo 合金在不同溫度下的拉伸曲線[43];(c) Ni-Cr-Mo 合金400 ℃拉伸斷口[43]Fig.6 High temperature tensile properties of nickel-based alloy.(a) The Laves phase in the weld of Ni-Cr alloy before and after high temperature tensile test[47];(b) Curves of tensile strength of Ni-Cr-Mo alloy welded joints in different temperatures[43];(c) Fracture surfaces of Ni-Cr-Mo alloy welded joint in 400 °C [43]

鎳基合金焊接接頭在航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、核主泵等服役環(huán)境中往往伴隨有高強(qiáng)度振動，因此疲勞強(qiáng)度對于需要長期服役的焊接接頭至關(guān)重要。目前針對鎳基合金薄板激光自熔焊接接頭疲勞性能的研究集中在Ni-Cr-Mo 合金。在Hastelloy C-276 疲勞試驗研究中[48]，焊接接頭和母材的S-N 曲線斜率基本相同(圖7(a))，焊接接頭疲勞性能和母材的基本相當(dāng)，焊接接頭在母材和焊縫處隨機(jī)斷裂。疲勞失效行為的研究同樣具有重要價值。Hastelloy C-276 焊縫區(qū)斷口的疲勞裂紋起源于側(cè)表面棱角處和焊縫表面，主要沿厚度方向進(jìn)行擴(kuò)展，焊縫表面是主要裂紋源。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理斷裂特征(圖7(b))。

圖7 Ni-Cr-Mo 合金的疲勞性能測試[48]。(a) 母材和焊縫的S-N 曲線;(b) 焊縫區(qū)疲勞斷口(700 MPa 循環(huán))Fig.7 Fatigue proporty of Ni-Cr-Mo alloy welded joint[48].(a) S-N curves for base metal and welded joints;(b) Fatigue fracture furface of the weld (cycling at 700 MPa)

2.3 腐蝕性能

鎳基合金常被用在具有腐蝕性介質(zhì)的場合，如核電站、船舶工業(yè)等，因此可靠的耐腐蝕性是對鎳基合金焊接接頭的嚴(yán)格要求。目前，鎳基合金薄板激光自熔焊接接頭的腐蝕性能研究集中在Ni-Cr-Mo 合金。大連理工大學(xué)馬廣義等人[27]研究發(fā)現(xiàn)，Hastelloy C-276 激光焊接接頭在NaCl 溶液中，母材發(fā)生選擇性腐蝕，而由于元素偏析，焊縫以晶間腐蝕為主，如圖8(a)。在酸性溶液中，焊縫和母材腐蝕趨勢基本相當(dāng)，但焊縫處腐蝕速度明顯較慢。在強(qiáng)堿性溶液條件下，焊縫處腐蝕趨勢較強(qiáng)，腐蝕速度比母材慢。通過隨焊超聲方式可對焊縫耐腐蝕性能進(jìn)行調(diào)控。大連理工大學(xué)周思雨等人[31]研究表明，超聲可抑制焊縫內(nèi)Mo 元素的偏析，減小p 相的含量，從而降低焊縫晶界腐蝕敏感性，提高其耐腐蝕性。因此，Ni-Cr-Mo合金激光焊接接頭同樣具有良好的耐腐蝕性。

圖8 Ni-Cr-Mo 合金腐蝕性能[27]。(a) 腐蝕后的母材和焊縫形貌(NaCl 溶液);(b) NaCl 溶液電化學(xué)極化曲線;(c) 酸性溶液電化學(xué)極化曲線;(d) 堿性溶液電化學(xué)極化曲線Fig.8 Corrosion properties of Ni-Cr-Mo alloy[27].(a) Corrosion morphology of the base metal and the weld (in NaCl solution);(b) Polarization curves in NaCl solution;(c) Polarization curves in acid solution;(d) Polarization curves in alkaline solution

綜上所述，激光焊接自熔焊接中，在微觀組織方面，由于熔池的快速凝固，焊縫中的晶粒得到細(xì)化，微觀偏析程度減小，析出相得到一定程度的抑制。通過工藝參數(shù)調(diào)整和輔助調(diào)控手段，是使這些效果進(jìn)一步提升的有效方式。力學(xué)性能方面，鎳基合金焊接接頭室溫抗拉強(qiáng)度均不及母材，而高溫性能則與母材相當(dāng)。Ni-Cr-Mo 合金激光焊接接頭在中性、酸性和堿性溶液中均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。此外，在一些情況下，鎳基合金薄板激光自熔焊接過程中會有缺陷產(chǎn)生，這對焊縫性能具有十分不利的影響[30,49-56]。

3 激光填絲焊接技術(shù)

為了進(jìn)一步提升鎳基合金薄板激光焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，開發(fā)了激光填絲焊接技術(shù)。填絲焊接具有更強(qiáng)的間隙容錯能力，可降低對工件焊前加工和裝夾精度的要求。除此之外由于填充金屬的加入，焊縫微觀組織與性能得到了進(jìn)一步調(diào)控，與自熔焊相比焊接接頭的拉伸強(qiáng)度明顯提高。目前針對鎳基合金薄板的激光填絲焊接研究集中在Ni-Cr-Mo 合金，本節(jié)將從微觀組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能三方面加以介紹。

3.1 微觀組織

Ni-Cr-Mo 合金薄板激光填絲焊接中，對微觀組織的研究包括晶粒形貌、析出相以及微觀組織調(diào)控方法。晶粒形貌方面(圖9(a))，大連理工大學(xué)吳冬冬等人[57]對Hastelloy C-276 激光填絲焊接接頭研究發(fā)現(xiàn)，焊縫上、下余高由邊緣的柱狀晶和中心等軸晶組成(圖9(b))，焊縫中部區(qū)域主要由焊縫中心等軸晶和靠近焊縫邊緣的柱狀晶組成，在熔合線處存在少量平面晶和胞狀晶(圖9(c))。與母材組織相比，焊縫微觀組織得到顯著細(xì)化；與自熔焊接相比，中心等軸晶的尺寸略有增大。通過工藝參數(shù)調(diào)整和輔助工藝，可進(jìn)一步調(diào)控焊縫的晶粒形貌。大連理工大學(xué)柴東升等人[58]研究發(fā)現(xiàn)脈沖寬度和脈沖頻率通過影響脈沖激光占空比而影響微觀組織。占空比減小的同時，熱輸入降低，晶粒尖端生長速率和溫度梯度顯著增大[59]，從而使焊縫晶粒細(xì)化(圖9(d)～(g))，這與激光自熔焊接的研究結(jié)果一致[46]。大連理工大學(xué)程波等人[60]在焊接過程中施加低溫冷卻，提高熔池凝固速度，可使得焊縫晶粒進(jìn)一步細(xì)化。

圖9 Ni-Cr-Mo 合金激光填絲焊接接頭形貌與微觀組織。(a) 焊縫整體形貌[57];(b) 上、下余高邊緣及中心處微觀組織[57];(c) 焊縫中心、熔合線與過渡熔合區(qū)的微觀組織[57];(d) 脈沖寬度為4 ms 時微觀組織[46];(e) 脈沖寬度為8 ms 時微觀組織[46];(f) 脈沖頻率為50 Hz 時微觀組織[46];(g) 脈沖頻率90 Hz 時微觀組織[46]Fig.9 Morphology and microstructure of Ni-Cr-Mo alloy welded joints in laser welding with filler wire.(a) Morphology of the welded joint[57];(b) Microstructure in edge and center of the reinforcement[57];(c) Microstructure of the weld center,fusion line and transition fusion zone[57];(d) Microstructure with the pulse duration of 4 ms[46];(e) Microstructure with the pulse duration of 8 ms[46];(f) Microstructure with the pulse frequency of 50 Hz[46];(g) Microstructure with the pulse frequency of 90 Hz[46]

在微觀偏析與析出相研究方面，Ni-Cr-Mo 合金激光填絲焊接接頭的元素偏析與自熔焊接基本一致，與電弧焊接相比，元素偏析程度明顯降低[57]。Mo 元素的微觀偏析使焊縫晶界處產(chǎn)生富含Mo 元素的p 相和μ 相，這些析出相孤立、隨機(jī)分布在焊縫晶界處。此外，焊縫中存在少量分布于柱狀枝晶晶界的鏈狀析出物[61]，如圖10(a)，這些析出物加劇了焊縫中元素微觀不均勻性，而且會在析出相附近形成貧Mo 區(qū)，對焊縫的腐蝕性能不利。調(diào)整脈沖寬度和脈沖頻率可以實現(xiàn)對焊縫中析出相的調(diào)控[61]。如降低脈沖寬度與頻率的比值或減小占空比，均可減少M(fèi)o 元素的偏析，如圖10(b)～(c)。低溫冷卻的方式對調(diào)控析出相同樣有效[60]，可使析出相含量由1.78%下降為0.60%，降低了近66.0%(圖10(d)～(e))。

圖10 Ni-Cr-Mo 激光填絲焊縫微觀組織。(a) 焊縫中的鏈狀析出物[61];(b) 脈沖寬度對Mo 元素偏析影響[61];(c) 脈沖頻率對Mo 元素偏析影響[61];(d) 未施加低溫冷卻的焊縫微觀組織[60];(e) 施加低溫冷卻后的焊縫微觀組織[60]Fig.10 Microstructure of the Ni-Cr-Mo alloy weld of laser welding with filler wire.(a) Precipitate chain in the weld[61];(b) The effect of pulse duration on the segregation of Mo[61];(c) The effect of pulse frequency on segregation of Mo[61];(d) Microstructure of the weld without low temperature cooling process[60];(e) Microstructure of the weld with low temperature cooling process[60]

由此可知，目前對Ni-Cr-Mo 合金激光填絲焊接微觀組織演變機(jī)制已有較為深入的理解，并且能夠通過調(diào)整工藝參數(shù)如脈沖寬度和頻率等方法和施加低溫冷卻等輔助工藝，實現(xiàn)對焊縫晶粒形貌、元素偏析及析出相進(jìn)行調(diào)控。而對于Ni-Cr 合金填絲焊接的研究則仍舊有所欠缺。

3.2 力學(xué)性能

激光填絲焊接接頭由于余高的存在，其在服役過程中受力情況與失效形式均與自熔焊接不同，因此需要對其力學(xué)性能進(jìn)行研究。目前對激光填絲焊接接頭力學(xué)性能的研究同樣集中在Ni-Cr-Mo 合金。

在顯微硬度方面，大連理工大學(xué)吳冬冬等人[62]研究發(fā)現(xiàn)，Hastelloy C-276 激光填絲焊接接頭中，橫向不同晶粒形態(tài)區(qū)域以及縱向不同區(qū)域的顯微硬度分布均勻一致，且與母材硬度值相當(dāng)，在焊縫邊緣未發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象，如圖11 所示[57]。拉伸性能研究方面，激光焊接對焊縫產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用，填絲后產(chǎn)生的余高也可提高焊縫強(qiáng)度，因此填絲焊接接頭拉伸試驗均斷于母材位置處，焊接接頭抗拉強(qiáng)度高于母材和激光自熔焊接接頭，激光填絲焊接接頭和母材的屈服強(qiáng)度結(jié)果較為相近[63]。因此，在滿足表面形貌要求的前提下，激光填絲焊接是提高Ni-Cr-Mo 合金焊接接頭拉伸性能的有效方式。

圖11 Ni-Cr-Mo 合金激光焊接接頭顯微硬度[57]Fig.11 Microstructure of Ni-Cr-Mo alloy welded joints of laser welding with filler wire[57]

為研究服役環(huán)境中的變化載荷對激光填絲焊接接頭性能產(chǎn)生影響，保證Ni-Cr-Mo 合金長期服役時的可靠性，需要對其疲勞性能進(jìn)行研究。大連理工大學(xué)于京令等人[64]對Hastelloy C-276 激光填絲焊接接頭的高周疲勞性能進(jìn)行研究(圖12(a))，發(fā)現(xiàn)接頭高周疲勞強(qiáng)度為396.6 MPa。Ni-Cr-Mo 合金接頭失效時，裂紋主要在焊縫上表面焊趾附近萌生，并沿板厚方向擴(kuò)展，在沿焊接方向擴(kuò)展過程中會跨越熔合線，在焊縫區(qū)內(nèi)和相鄰母材區(qū)內(nèi)擴(kuò)展(圖12(b))。裂紋源區(qū)斷口表面呈解理特征，在裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)典型的疲勞條紋特征(圖12(a))[64]。因此，盡管填絲焊接對提高接頭靜態(tài)強(qiáng)度有利，但余高與母材過渡位置成為疲勞失效的重點部位。

圖12 Ni-Cr-Mo 合金激光填絲焊接接頭疲勞性能[64]。(a) 焊縫附近斷裂表面;(b) 焊趾處萌生的裂紋沿板厚方向擴(kuò)展Fig.12 Fatigue property of Ni-Cr-Mo alloy welded joints of laser welding with filler wire[64].(a) Fracture surfaces near welds;(b) The crack that initiated from the weld toe propogates in the direction of thickness

3.3 腐蝕性能

激光填絲焊接接頭的腐蝕性能仍舊是研究的重點內(nèi)容，而對腐蝕性能的研究依然以Ni-Cr-Mo 合金為主，尤其以Hastelloy C-276 為代表。大連理工大學(xué)吳冬冬等人[63]對Hastelloy C-276 焊接接頭的腐蝕性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)激光填絲焊接接頭與激光自熔焊接接頭的電化學(xué)腐蝕特性相同，焊縫在中性和酸性溶液中的耐腐蝕性能均不亞于母材。此外，采用低溫冷卻方式能夠進(jìn)一步提高焊接接頭的腐蝕性能[65]。除了電化學(xué)腐蝕，大連理工大學(xué)柴東升等人使用超聲空蝕測試平臺對激光填絲焊接接頭的空蝕性能進(jìn)行了研究[66](圖13)，發(fā)現(xiàn)焊縫金屬組織細(xì)化以及焊縫金屬中含有大量亞晶界，因此焊縫與母材相比有更好的抗空蝕性能。由于晶粒取向差較大，焊縫中空蝕最嚴(yán)重的區(qū)域位于焊縫中心兩側(cè)沿焊接方向生長的樹枝晶與指向焊縫中心的樹枝晶交匯區(qū)域。由此可知，Ni-Cr-Mo 合金激光填絲焊接接頭同樣具有優(yōu)異的耐腐蝕特性。

圖13 Ni-Cr-Mo 焊接接頭空蝕性能[66]。(a) 焊縫空蝕后形貌;(b) 發(fā)生空蝕的焊縫晶界;(c) 發(fā)生空蝕的母材孿晶界Fig.13 Cavitation erosion property of Ni-Cr-Mo alloy welded joint [66].(a) The morphology of the weld after cavitation erosion;(b) Cavitation eroded grain boundary in the weld;(c) Cavitation eroded twin boundary in base metal

綜上所述，目前國內(nèi)外對鎳基合金薄板激光填絲焊接的研究相對較少，并且集中在Ni-Cr-Mo 合金。在激光焊接熔池的快速凝固下，Ni-Cr-Mo 合金激光填絲焊接接頭的微觀組織得到明顯細(xì)化，接頭具有優(yōu)異的室溫力學(xué)性能，但由于焊縫余高的存在，焊趾處成為疲勞斷裂的重要位置。焊接接頭表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能，能夠滿足多種復(fù)雜的服役環(huán)境。針對Ni-Cr 合金填絲焊接的研究仍有較大的欠缺，為了減少偏析和抑制析出相產(chǎn)生、抑制熱影響區(qū)裂紋，提高焊接接頭質(zhì)量，Ni-Cr 合金薄板焊接一般采用低功率激光或脈沖激光，因此激光光斑直徑極小，在精密構(gòu)件的焊接過程中對工件和焊絲的對中性要求大大增加。此外，目前的激光填絲焊接設(shè)備體積較大，靈活性差，在某些狹小空間內(nèi)難以應(yīng)用。因此對Ni-Cr 合金填絲焊接的研究和應(yīng)用仍舊較少。但是，Ni-Cr-Mo 合金薄板激光填絲焊接研究結(jié)果證明，填絲焊接在提高成形質(zhì)量、調(diào)控微觀組織、提升接頭力學(xué)及耐腐蝕性能等方面具有較大的潛力，因此未來仍舊需要開展相關(guān)的研究工作。

4 焊接變形

由于薄板的剛度較差，在鎳基合金薄板激光焊接的研究中，焊接變形是一個不可忽視的問題，焊接變形的存在對于焊接結(jié)構(gòu)件的制造以及使用性能都將產(chǎn)生很大影響。在焊接過程中材料的不均勻受熱、熱梯度、材料的局部塑性應(yīng)變及焊接殘余應(yīng)力的作用是產(chǎn)生各種焊接變形的根本原因[67-68]。由于焊接變形控制的難度較大，目前關(guān)于鎳基合金薄板激光焊接變形問題的研究仍然較少，主要以大連理工大學(xué)吳東江團(tuán)隊和北京工業(yè)大學(xué)肖榮詩團(tuán)隊的研究為主。薄板焊接變形主要分為面內(nèi)變形和面外變形，面內(nèi)變形主要是橫向、縱向收縮變形，而面外變形主要為撓曲變形和角變形[67]。此外，鎳基合金均以Ni 元素為基體，因此薄板的變形問題與材料化學(xué)成分的關(guān)聯(lián)較小。

其中針對焊接產(chǎn)生的面內(nèi)變形，郭玉泉等人[27,69]開展了Hastelloy C-276 薄板激光自熔焊接變形有限元模擬(圖14 所示)，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整夾具拘束距離可以有效地控制焊接橫向收縮變形，夾具拘束距離減小后，橫向收縮變形減小約3.6 倍。北京工業(yè)大學(xué)曹政等人[70]采用隨焊高頻沖擊的方法對GH3128 高溫合金進(jìn)行激光自熔焊接，通過在熔池后方施加高頻沖擊使得焊縫處的焊后殘余應(yīng)力由無沖擊時的390.9 MPa 降低至116.1 MPa，減小了約70%，使焊接構(gòu)件沿焊縫方向的尺寸收縮降低80%，如圖15 所示。

圖14 焊接變形有限元模擬[69]。(a) 模擬結(jié)果;(b) 測量結(jié)果Fig.14 Finite element simulation of welding deformation[69].(a) Simulation results;(b) Measurement results

圖15 隨焊沖擊方式抑制焊接變形[70]。(a),(d) 無沖擊;(b),(e) 焊后沖擊;(c),(f) 隨焊沖擊Fig.15 Suppressed welding deformation with in-site high frequency peening[70].(a),(d) Without peening;(b),(e) Peening after welding;(c),(f) In-site peening in welding

在面外變形研究方面，通過調(diào)整工藝參數(shù)控制撓曲變形是簡單可行的方式。大連理工大學(xué)劉俊等人[62]指出，線能量增大會使產(chǎn)生焊接變形的等效載荷增大，使樣件的縱向撓曲變形呈增大趨勢(圖16(a))；增大相對送絲量可以在等效載荷不變的情況下增大樣件彎曲剛度，進(jìn)而減小縱向撓曲變形(圖16(b))。隨焊激冷的方法可對變形進(jìn)一步調(diào)控[71]，通過在焊接熱源后面適當(dāng)位置設(shè)置同步移動的、對焊縫及近縫區(qū)產(chǎn)生急劇冷卻作用的熱沉，在焊縫區(qū)產(chǎn)生局部可控的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)畸變場來控制由殘余應(yīng)力導(dǎo)致的面外變形。當(dāng)冷卻強(qiáng)度為15000 W/(m2?K)時，面外變形可完全消除，如圖16(c)～(e)。隨焊高頻沖擊方法[70]同樣對面外變形有較好的調(diào)控效果，實驗結(jié)果表明，該方法可使構(gòu)件垂直于焊縫方向撓曲變形量降低74.5%。

圖16 Hastelloy C-276 薄板焊接變形。(a) 線能量密度對撓曲變形的影響[62];(b) 相對送絲量對撓曲變形的影響[62];(c) 未施加熱沉的殘余變形[71];(d) 冷卻流量水流量48 mL/min 的殘余變形[71];(e) 冷卻流量水流量68 mL/min 的殘余變形[71]Fig.16 Welding deformation of Hastelloy C-276 sheet.(a) Effect of linear energy density on deflection[62];(b) Effect of the relative wire speed on the deflection[62];(c) Residual deformation without heat sink[71];(d) Residual deformation with the flow rate of 48 mL/min[71];(e) Residual deformation with the flow rate of 68 mL/min[71]

綜上所述，鎳基合金薄板激光焊接變形主要以面內(nèi)橫縱向收縮和面外撓曲變形和角變形為主，與自熔焊接相比，填絲焊接對于焊縫起到了填充金屬的作用，一定程度彌補(bǔ)了由于面內(nèi)變形產(chǎn)生的收縮，因此填絲焊接對于面內(nèi)收縮變形有一定的調(diào)控作用，而面外變形兩者沒有明顯區(qū)別。使用有限元手段可對變形進(jìn)行預(yù)測，通過工藝參數(shù)調(diào)整和工藝調(diào)控手段如改變夾具拘束距離、隨焊激冷、隨焊高頻沖擊，可以實現(xiàn)對焊接變形的控制。但是對于焊接變形的預(yù)測精確性及抑制方法的多樣性還需要不斷探索和深入研究，從而進(jìn)一步促進(jìn)鎳基合金薄板激光焊接技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)論與展望

激光自熔焊接技術(shù)和激光填絲焊接技術(shù)是實現(xiàn)鎳基合金薄板連接的有效方式，在微觀組織演變、力學(xué)性能和耐腐蝕性能變化和焊接變形規(guī)律方面已有較多研究。

1) 微觀組織方面，熔池的快速凝固使得自熔焊接的焊縫晶粒得到顯著細(xì)化，并可在一定程度上抑制微觀偏析現(xiàn)象和析出相的產(chǎn)生。通過工藝參數(shù)控制和施加輔助工藝可實現(xiàn)對微觀組織的調(diào)控。激光填絲焊接的研究目前僅針對Ni-Cr-Mo 合金，具有與自熔焊接相似的特征。

2) 力學(xué)性能方面，自熔焊接接頭的室溫力學(xué)性能低于母材，但高溫力學(xué)性能則與母材相當(dāng)。焊縫余高的形成使得激光填絲焊接接頭的室溫拉伸性能優(yōu)于母材，但余高邊緣的焊趾成為疲勞失效的重要位置。自熔焊接接頭和填絲焊接接頭均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。

3) 焊接變形方面，采用有限元方法可實現(xiàn)變形的預(yù)測，并通過工藝參數(shù)調(diào)整、拘束度控制和輔助工藝能夠有效抑制鎳基合金薄板的變形。但該方面的研究仍舊較少。

盡管目前對鎳基合金薄板的激光焊接技術(shù)已有較為深入的理解，但在多個方面仍舊需要進(jìn)一步的研究。首先，需要開發(fā)Ni-Cr 合金的激光填絲焊接技術(shù)，并對其微觀組織演變機(jī)制、力學(xué)和耐腐蝕性能進(jìn)行研究；其次，針對焊接接頭的微觀組織、力學(xué)和耐腐蝕性能，仍需提出更多用于調(diào)控的工藝方法和用于精準(zhǔn)預(yù)測的模型，并提出微觀組織、力學(xué)和耐腐蝕性能的自適應(yīng)調(diào)控策略，進(jìn)而開發(fā)出新型智能化焊接工藝；針對焊接變形問題，需要提出更多可靠的抑制方法和更加先進(jìn)的精確預(yù)測技術(shù)，如采用實測變形數(shù)據(jù)與有限元模擬變形結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行樣本采集，通過樣本學(xué)習(xí)、測試和誤差訓(xùn)練確定傳遞函數(shù)，得到焊接變形人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等先進(jìn)的焊接變形預(yù)測方法，促進(jìn)鎳基合金薄板激光焊接技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。