（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330063）

GH4145高溫合金屬時(shí)效強(qiáng)化的鎳基高溫合金， 其在 980 ℃以下具有強(qiáng)抗氧化性和耐腐蝕性能，800 ℃以下具有較高的強(qiáng)度，540 ℃以下具有良好的耐松弛性，與此同時(shí)還具有良好的焊接性能和成形性能?，F(xiàn)階段該類(lèi)合金主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)中在800 ℃以下工作且強(qiáng)度要求較高的耐腐蝕結(jié)構(gòu)件、環(huán)形件等，同時(shí)也用于高溫增壓裝置、鼓輪和燃燒室的制造。0.23 mm和0.13 mm厚的超薄片狀GH4145是某型航空透平器件所用材料，裝配時(shí)需要將兩種厚度的薄片貼合，這涉及不等厚薄片的微連接技術(shù)[1—3]。

對(duì)于不等厚GH4145薄片，可選的微連接方法主要有微電阻點(diǎn)焊及微激光焊。微電阻點(diǎn)焊，其焊核易產(chǎn)生偏移，另外，箔片表面涂層通常是非導(dǎo)電的高分子材料，限制了微電阻點(diǎn)焊的應(yīng)用[4—5]。而微激光焊接以高能量密度的激光束作為熱源，激光的光斑直徑可控，無(wú)需接觸工件，具有自動(dòng)化程度高，焊接工件變形小等特點(diǎn)，因此是焊接不等厚超薄片狀GH4145的最佳方法[6—8]。

文中采用精密脈沖激光對(duì)不等厚的GH4145薄片進(jìn)行搭接焊試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)置不同焊接參數(shù)，對(duì)焊接接頭的物理性能進(jìn)行研究，找出功率、脈沖寬度和接頭剪切應(yīng)力、硬度及組織間的關(guān)系，并結(jié)合試驗(yàn)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，找出最佳的一組參數(shù)，使得焊接接頭綜合性能接近母材。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)所選材料為經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后的GH4145高溫合金板材。使用線(xiàn)切割設(shè)備將GH4145加工成尺寸為5 mm×20 mm×0.13 mm的試片。底板加工成5 mm×20 mm×0.23 mm。GH4145化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 GH4145主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Main chemical constituents of GH4145 (mass fraction) %

1.2 方法

對(duì)GH4145合金與底板進(jìn)行激光點(diǎn)焊。試樣采用搭接形式焊接，焊機(jī)選用意大利 SYSMA公司的SL-80型Nd： YAG脈沖激光焊機(jī)，平均功率為80 W，模式采用雙脈沖，其中功率P、脈沖頻率f、脈沖寬度T、光斑直徑Ф可調(diào)。焊前使用砂紙對(duì)試片表面進(jìn)行打磨處理，并用酒精清洗，隨后冷風(fēng)吹干，以保證試片表面的整潔性。最后使用自制夾具將試片固定在激光焊接工作臺(tái)上，以氬氣作為保護(hù)氣進(jìn)行焊接。

試樣在焊后經(jīng)過(guò)鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕，制成金相試樣，用于在MR5000型金相顯微鏡上對(duì)焊后區(qū)域顯微組織進(jìn)行觀察和記錄。

采用化學(xué)腐蝕方法對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕液采用自制腐蝕液，具體成分見(jiàn)表2（HCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%，CH3COOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%以上），腐蝕時(shí)間為50 s至1 min。腐蝕后，對(duì)接頭處進(jìn)行多次拍攝尋找最優(yōu)的金相圖。

表2 自制腐蝕液成分Tab.2 Composition of self-made etching solution

由于試樣尺寸過(guò)小，不易制得標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，因而采用非標(biāo)拉伸試樣，試樣尺寸為20 mm×5 mm（見(jiàn)圖 1）。拉伸時(shí)通過(guò)使用墊板將左右兩邊墊成同一高度以保證受力平衡[9]，加載速度為0.4 mm/min，當(dāng)剪切力曲線(xiàn)上升到最大值時(shí)開(kāi)始下降，此時(shí)試樣被拉斷，根據(jù)拉伸機(jī)自帶的測(cè)力軟件所得的數(shù)據(jù)對(duì)焊點(diǎn)連接處可承受的最大拉伸剪切力值進(jìn)行記錄。

圖1 拉伸試樣Fig.1 Stretching sample

2 結(jié)果與分析

2.1 匙孔組織

輸出功率百分比為29%（即23.2 W，激光焊機(jī)總功率為80 W，輸出功率為總功率和輸出功率百分比的乘積），脈沖寬度3.5 ms下的焊縫橫截面見(jiàn)圖2。由圖2可知，激光焊能夠?qū)崿F(xiàn)厚度為0.13 mm厚的超薄片GH4145的連接，焊縫無(wú)明顯缺陷。從匙孔界面可以看出，匙孔呈上寬下窄，并呈對(duì)稱(chēng)分布；焊縫與周邊母材基本無(wú)變形，匙孔中心和靠近底部的邊緣部分呈現(xiàn)向外生長(zhǎng)的樹(shù)狀晶，匙孔頂部靠近激光入射方向的一側(cè)呈現(xiàn)均勻分布的等軸晶，熱影響區(qū)組織與母材相比無(wú)明顯差別。

圖2 焊縫橫截面Fig.2 Cross-section of weld

平行于激光入射方向的焊點(diǎn)截面熔合線(xiàn)附近及中部區(qū)域的顯微組織見(jiàn)圖3，圖3a, b, c, d分別為焊點(diǎn)界面底部熔合線(xiàn)組織、截面中上方組織、截面右側(cè)組織和截面中心組織。圖3a, c可見(jiàn)清晰的熔合線(xiàn)輪廓，熔合線(xiàn)區(qū)域以外為母材組織，未見(jiàn)明顯的熱影響區(qū)，這與激光點(diǎn)焊功率密度高，焊接速度快，加熱集中等特點(diǎn)有關(guān)。熔合線(xiàn)以?xún)?nèi)存在向母材表面方向生長(zhǎng)的柱狀晶，同時(shí)存在部分等軸晶。在激光焊接熔池凝固的過(guò)程中，熔池內(nèi)的結(jié)晶是從熔合線(xiàn)開(kāi)始，并向中心區(qū)域生長(zhǎng)[10—11]。分析認(rèn)為GH4145合金由于合金元素成分含量較高，在靠近熔合線(xiàn)的某些區(qū)域已經(jīng)達(dá)到了形成等軸晶的非自發(fā)晶核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量，因此在熔合線(xiàn)附近存在部分等軸晶，柱狀晶區(qū)的形成與焊點(diǎn)的溫度梯度存在一定關(guān)系，同時(shí)由于在激光焊條件下熔池溫度高，液態(tài)金屬處于過(guò)熱狀態(tài)，在過(guò)熱狀態(tài)下合金元素的燒損嚴(yán)重，使得熔池中非自發(fā)晶核的質(zhì)點(diǎn)大為減少，促使焊縫中的柱狀晶得到發(fā)展，由于母材表面至熔合線(xiàn)存在較大的溫度梯度，因此在結(jié)晶時(shí)存在非常強(qiáng)的方向性。

焊點(diǎn)中心處偏上方的金相組織見(jiàn)圖3b，可見(jiàn)主要生長(zhǎng)著方向?yàn)樯舷路较虻闹鶢罹ЫM織，同時(shí)柱狀晶組織間夾雜有少部分等軸晶組織。分析認(rèn)為，在焊縫中心溫度梯度相對(duì)于其他位置較小，液相中形成成分過(guò)冷區(qū)，在液相內(nèi)部重新形核，生成新的等軸晶粒。但圖中等軸晶區(qū)晶粒較少，可能與焊接參數(shù)的優(yōu)劣有關(guān)。

輸出功率百分比為20%，脈沖寬度T=3.5 ms（預(yù)熱輸出功率百分比和脈沖寬度為定值，分別為 18%,0.5 ms）時(shí)焊點(diǎn)中心區(qū)域的金相見(jiàn)圖3d。與其他參數(shù)下的金相相比，該參數(shù)下焊點(diǎn)中心區(qū)域內(nèi)均為細(xì)小等軸晶。這些在液相內(nèi)部重新形核生成的等軸晶，由于四周不受阻礙可以自由生長(zhǎng)，它的存在可以減少顯微偏析，提高抗結(jié)晶裂紋擴(kuò)展阻力，降低焊縫結(jié)晶裂紋敏感性，同時(shí)等軸晶的大量存在還起到了細(xì)晶強(qiáng)化的作用，使接頭強(qiáng)度上升[12—13]。

圖3 GH4145激光點(diǎn)焊接頭金相組織Fig.3 Microstructure of GH4145 laser spot welding head

2.2 接頭力學(xué)性能

在不同輸出功率百分比下，對(duì)拉伸試樣進(jìn)行最大拉剪力試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果及測(cè)試結(jié)果的曲線(xiàn)關(guān)系圖分別見(jiàn)表3及圖4?？梢钥闯觯S著輸出功率的逐漸增加，激光點(diǎn)焊的焊接接頭所能承受拉剪力的能力逐漸增大。在輸出功率相對(duì)較小時(shí)，可以看出，焊接接頭可耐受的最大拉剪力持續(xù)快速增大，到后期，增加速率趨于平穩(wěn)。分析認(rèn)為，GH4145激光焊接接頭的抗拉強(qiáng)度主要受焊點(diǎn)表面尺寸和焊縫區(qū)晶粒尺寸的影響。由圖5可知，其他參數(shù)不變，隨著輸出功率的增加焊點(diǎn)表面積增加，當(dāng)輸出功率百分比從20%增大到26%時(shí)，焊點(diǎn)表面積明顯增加，接頭抗拉強(qiáng)度也隨之增大。當(dāng)輸出功率百分比從26%增大到32%時(shí)，焊點(diǎn)表面積變化不大，接頭抗拉強(qiáng)度增幅較小。

表3 功率組拉剪力試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test result of tensile shear force of power group

圖4 輸出功率百分比和最大剪力的關(guān)系Fig.4 Relationship between output power percentage and maximum shear force

圖5 輸出功率百分比和焊點(diǎn)表面積的關(guān)系Fig.5 Relationship between output power percentage and welding spot surface area

2.3 接頭硬度

在進(jìn)行接頭硬度測(cè)試時(shí)選用試樣的脈寬長(zhǎng)度為6.0 ms，輸出功率百分比為20%（16 W）時(shí)，最大拉剪力為178.59 N。測(cè)試曲線(xiàn)見(jiàn)圖6，為焊點(diǎn)中心及其兩側(cè)的硬度值分布范圍。由測(cè)試可知，和母材相比，焊點(diǎn)的硬度更高，靠近焊點(diǎn)中心位置兩邊測(cè)試點(diǎn)硬度分別已達(dá)到HV517和HV506，整個(gè)母材的硬度分布并不均勻，取平均值為HV445。整個(gè)焊點(diǎn)位置硬度比母材硬度高的原因在于，激光焊過(guò)后，焊點(diǎn)受到激光的局部加熱，局部加熱會(huì)導(dǎo)致融合重結(jié)晶，重結(jié)晶后晶粒細(xì)化，所以焊點(diǎn)硬度比母材高[14—15]。焊縫區(qū)的硬度分布也有差異，焊縫區(qū)的整體硬度分布類(lèi)似于英文字母M，從熔合線(xiàn)到焊縫中心顯微硬度先上升后下降，在中心位置處有一個(gè)相對(duì)低值為HV493。這主要是因?yàn)楹附訒r(shí)熔池中心的液體散熱比旁邊的液體緩慢，金屬過(guò)冷度小，所以結(jié)晶時(shí)焊縫中心晶粒尺寸比兩邊稍大，因此在硬度上表現(xiàn)出焊縫最中心區(qū)域的硬度略低于兩邊。

圖6 焊接中心向外硬度分布曲線(xiàn)Fig.6 Outward hardness distribution curve of welding center

3 結(jié)論

1)焊點(diǎn)區(qū)域，由熔合區(qū)邊緣的柱狀晶和焊點(diǎn)中心區(qū)的等軸晶組成，焊點(diǎn)處接近母材一側(cè)的金屬液體過(guò)冷度減小以至于不能獨(dú)立形成形核，所以整個(gè)熔合面上的晶粒為形核表面的連生生長(zhǎng)，且由于熔池和基體之間的溫度差呈梯度變化，所以有柱狀晶區(qū)的形成，而等軸區(qū)形成的原因?yàn)殡S熔池逐漸冷卻，熔池內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)向焊點(diǎn)中心移動(dòng)，成分的過(guò)冷度逐漸變大，柱狀晶的生長(zhǎng)被限制，且開(kāi)始向等軸晶轉(zhuǎn)變。

2)激光器的輸出功率對(duì)焊點(diǎn)的成型有著比較重要的影響，GH4145合金激光搭接點(diǎn)焊焊接接頭拉剪切應(yīng)力隨著功率的增大而增大，硬度在匙孔中心部位有所下降，兩邊偏高，隨著距離匙孔中心位置而遞減。