（光学工程专业论文）ni3al金属间化合物材料激光焊接裂纹行为研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：2 型翌：兰：! 翌 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：三日期： 摘要 摘要 金属间化合物n i 3 a 1 基合金具有较好的高温性能，是重要的高温工程材料，但 由于热塑性差等原因，它面临着焊接性能较差的缺点，这限制了它的工程应用。同 时在铸造加工的过程中也容易产生热应力下的凝固裂纹缺陷，如果能利用激光修补 的方法对其进行修复，则能带来很大的经济效益。 n i 3 灿基合金焊接的关键问题是焊缝裂纹倾向较大。焊接工艺和合金成分都对 焊缝裂纹倾向具有重要影响。经过一系列激光工艺实验发现，在激光加工工艺方面 焊速是影响焊缝裂纹敏感性的重要参数，在一定激光功率密度条件下，低焊速能够 实现低裂纹率焊缝，并且获得有工程意义的较深焊缝；当激光能量较大时，由于热 输入量较大，会对焊缝带来不利影响，一方面焊缝凝固裂纹的倾向变大，另一方面 在热影响区也会出现液化裂纹缺陷；预热仅在高功率高焊速时对合金的裂纹敏感性 有一定作用，但不能完全消除裂纹；另外发现，母材的晶粒细化也有利于提高材料 焊接过程中的抗裂性。在激光焊接工艺的基础上，通过显微组织观察以及元素偏析 状态测定，分析了焊缝在不同工艺下的凝固过程，以推测不同工艺对焊缝裂纹倾向 的影响机制。 通过调节合金中a l 和h f 元素的成分，研究了冶金的手段对n i 3 a 1 基合金焊接 性能的影响。研究发现，灿含量的增加虽然使合金成分更接近共晶点，但焊缝凝固 的不平衡性使熔池凝固后期成分偏离伪共晶区，没有起到预期的效果。h f 元素的增 加改善了焊缝凝固后期残余液相的流动性，以及凝固组织中枝间相的形态，使焊缝 裂纹敏感性降低，得到了无裂纹焊缝。 关键字：激光加工；n i 3 砧基合金；金属间化合物；凝固裂纹 北京工业大学工学硕士学位论文 一一 a b s t r a c t a b s t r a c t n i 3 a l - b a s ea l l o yi s a l li m p 删h i 曲t 锄p e r a t l 鹏g i l l e 谢n gm a t 耐a lw i m f a v o r a b l e h i g ht e i i l p e r a t l l r ep r o p e n i 铭h o w e v e r m e t e r r i b l ew e l d a b i l i 锣o f n i 3 a l - b a u s ea l l o yh 鹤1 i 面t c di t sa p p l i c a t i o n b u tf o ri t su n f a v 砸b l et l l 黜o p l 嬲t i c ，m e c a s t i n gp i e c e s o fn i 3 灿_ b a s e a l l o yd i s p l a y e d as 仃0 n gt e n d c yf 1 0 ri 1 1 9 0 t i n t 凹c r y s t a l l i n ec r a c k s i fn 1 鹤ec r a c l 【s c o u l db er 印a i r e db ym em e m o do fl 鹤e r p r o c e s s i n 舀i tw i l lb r i n ge n o 如 1 0 u se c o n 0 i m cb e n e f i t t h ek e yp r o b l e mo fw e l d i n go fn i 3 a 1 - b 嬲ea l l o yi s 廿l e1 1 i 曲c r a c ：虹n gt e n d e n c y b o 廿lm ew e l dp r o c e s s 觚da l l o yc o m p o s i t i o nh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h e c r a c k i n gt e n d c i l c y t h ew e l ds p e e di sa ni i l 啪r t 锄tp a r a m e t e ri nl a s e rb e a mw e l d i n g p r o c e s so fn i 3 a l - b 嬲ea l l o y i i lac 融a i np o w 盯d e l l s i 劬l o ws p e e dc o u l db r i n ga l o w c r a c k i n gw e l ds e 锄w h e i lm ep o w e r i so v e rl l i g h ，m el l i g hh e a ti 珥，u tw o u l d b m ga d v e r s ee 虢c t s p r e h e a t i n gd i d n ti m p r 0 v em ew e l d a b i l 毋o f l i sk i n do f “l o y f i n e 对a i ns i z eo fb 嬲em e t _ a li sa l s ob e n e f i c i a lt 0m ew e l d a b i l i 何b 嬲e do nm el 嬲e r p r o c e s s ，m es o l i d i 6 c a t i o np r o c e s so fw e l dp o o l i s a i l a l y z e db y 圮m e t h o do f m i c r o s t m c t i l r eo b s e a t i o n 锄dc l e m e n ts e g 乒e g a t i o nd e t e n l l i n a t i o n m e t a l l u r 西c a lm c 吐l o di sa l s 0u s e dt 0i m p r o v em ew e l d a b i l i t ) ro f n i 3 a l - b 嬲ea l l o y nw 铺f o u i l dt l l a tm ei i l c r e a s e do fa ld 锄e n tc o u l dl e a dm er e s i d u a ll i q u i d c o m p o s i t i o nf 打a w a y6 o mm ep s e u d o e u t e c t i c h fe l e m e i l tc o u l di m p r o v em en u i d i t ) r o ft h er e s i d u a l1 i q u i dw h e ns o l i d i f i c a t i o na i l dt 1 1 em i c r o m o 印h o l o g yo fi n t e r d 既越t i c p h 嬲ea r e rs o l i d i f i c a n o l l ，w i l i c hc a u s e dt l l ec r a c k f 诧ew e l ds e 锄w 鹪o b t a i n e d k e y w o r d s ：l a s e rp r o c e s s ；n i 3 a 1 - b 嬲ea 1 1 0 y ；i m c ；s o l i d i f i c a t i o nc r a c k 一一 北京工业大学工学硕士学位论文 一一 北京工业大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 n 1 3 a l 的基本特性2 1 3 n 1 3 a l 基合金的焊接性能一4 1 4 焊接凝固裂纹的产生及控制6 1 4 1 凝固裂纹的特征及形成条件6 1 4 2 凝固裂纹的影响因素及控制手段8 1 5 本课题主要研究内容9 第2 章实验材料及设备一1 1 2 1 实验材料成分及组织1 1 2 2 焊接实验设备1 2 2 2 1 n d ：y a g 固体激光加工系统1 2 2 2 2 s 1 a bc 0 2 激光加工系统13 2 3 焊接检测方法及设备1 4 2 3 1 金相腐蚀方法1 4 2 3 2 焊缝检测设备一1 6 第3 章n 1 3 a l 基合金激光焊接工艺性能一1 7 3 1 实验方法1 7 3 2 晶粒度对焊接性的影响1 8 3 2 1 晶粒度对焊缝形貌的影响1 8 3 2 2 晶粒度对焊接裂纹的影响2 1 3 3 能量和速度对焊接性的影响2 3 3 3 1 能量和速度对焊缝形状的影响2 3 3 3 2 扫描速度对焊缝微观结构的影响2 4 3 3 3 扫描速度对裂纹的影响2 6 3 3 4 热输入对裂纹的影响一2 8 3 4 n 1 3 a l 基合金焊缝凝固特点一2 9 3 4 1 低扫描速度时凝固特点2 9 3 4 2 高扫描速度时凝固特点3 2 3 4 3 熔池凝固过程一3 4 目录 3 4 4 裂纹处的元素偏析3 7 3 5 焊缝显微硬度4 0 3 6 本章小结一4 l 第4 章改良n 1 3 a l 基合金激光焊接性能4 3 4 1 实验方法4 3 4 2 富a l 合金的焊接性能一4 4 4 2 1 富a l 合金的低速焊接4 4 4 2 2 富a l 合金的高速焊接4 7 4 2 3 预热对焊接裂纹的影响4 8 4 2 4 光源性质对焊接性的影响5 0 4 2 5 富a l 合金的焊缝凝固过程分析5 l 4 3 富h f 合金的焊接性能5 2 4 3 1 富h f 合金焊缝裂纹率5 3 4 3 2 富h f 合金激光焊缝组织。5 3 4 3 3 富h f 合金焊缝偏析状态5 6 4 4 本章小结5 7 结论一5 9 参考文献6 l 攻读硕士学位期间发表的学术论文和申请的专利6 5 致谢6 7 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 高温结构材料是目前军用和发用航空发动机以及燃气轮机高温零部件不可 替代的关键材料，特别是涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室更是如此。高温 合金的研究始于2 0 世纪4 0 年代，随着研究的不断深入，大量性能优良的高温结 构材料不断被研制出来，目前铸造镍基高温合金的使用温度已经超过了1 1 0 0 。 但是随着军用和民用工业的进步，迫切需求更高熔点、更高比强度和良好高温耐 腐蚀性能的新型结构材料，而镍基合金的温度已经接近其熔点极刚l 】【2 】。 有序金属间化合物( i n t e n i l e t a l l i c sc o m p o u i l d s ) 高温材料是一类新型的金属基 结构材料，由于其晶体的有序结构以及金属键和共价键共存，因而具有一系列优 异的性能，如高温强度高，许多金属间化合物的屈服强度随温度升高而提高，密 度低，比刚度高；铝化物、硅化物还具有良好的抗氧化性能等，能够满足高温结 构材料的需要。 在1 9 5 7 年w r e s t b r o o k 发现n i 3 a l 的硬度随温度升高而提高的反常现纠3 1 ，引 起了材料研究人员的很大兴趣。但因其难以克服的室温脆性，金属间化合物n i 3 a l 开始只作为镍基高温合金中的强化相( 丫) 而使用。直到1 9 7 9 年，日本学者a o k i 和通过加入0 0 2 o 0 5 叭b ，大大改善了多晶n i 3 a l 的室温塑性，使室温 拉伸延伸率由o 提高至4 0 乡扣5 0 【4 】，正式掀起了一股研究金属间化合物高温材 料的热潮。美国、俄罗斯、中国等国家都已经成功地开发出一系列n i 3 舢基合金。 但是由于n i 3 a l 基合金焊接性能较差，一般在制造过程中主要通过铸造的方 法制成相应的零部件。随着制造工业的快速发展，将n i 3 a l 工程材料连接成的结 构部件已成为迫切的需要。 此外，由于n i 3 灿在高温条件下的热塑性较差，这一特点使得在铸造加工的 过程中容易产生热应力下的铸造凝固裂纹( 图1 1 ) ，而此类产品多用在航空、电 力等行业的重要场合，对可靠性要求非常高，必须严格要求铸件无裂纹，这使得 其铸造件的成品率极低，很多大型铸件经常因为很小的裂纹而报废。所以如果能 够采用焊接方法实现对铸造件的修复，则会带来很大的经济效益。 北京工业大学_ 学硕十学位论文 图1 - 1n i a l 合金铸件凝固裂纹 f i g 1 1c a s ts 0 1 i d i f i c a t i c m c ko f n i 3 a la 1 1 0 y s 无论是对n i 3 砧基合金材料自身的焊接，还是对其铸造零件的焊接修复，都 需要对材料的可焊性进行细致地了解，才能找到合适的焊接工艺。因此，n i 3 砧 基合金材料焊接性能的研究，在工业应用中具有很大的意义。 1 2 n i 3 a 1 的基本特性 可作为结构材料的金属间化合物，可分为铝化物和硅化物两大体系【5 】。硅化 物具有较高的熔点和较低的密度，但材料的脆性较为严重。从应用的角度来看， 目前以铝化物为主。如图1 2 所示，在n i a l 系中，存在着五种稳定的化合物： n i a l 、n i 3 砧、n i 5 a 1 3 、n 2 a 1 3 和n i 砧3 ，其中n i 3 a l 、n i 2 a 1 3 、n i a l 3 是通过包晶反 应形成的，n i 5 砧3 是通过包析反应形成的，单相区只存在一个较窄的范围，n i 灿 是通过匀晶转变形成的，范围较宽，除n i 灿、n i 3 灿之外的几种合金很少研究， 因为它们的熔点很低，无法与传统的n i 基高温合金竞争。 p 鸾 了 董 e 声 图l - 2n i 舢系合金相图 f i g 1 - 2n i 越p h 勰ed i a g r a m n i 3 触晶体点阵常数为o 3 5 6 7 n m ，在其熔点1 3 9 5 以下保持有序结构。n i 3 a l - 2 第l 章绪论 晶体的结构为c u 3 a u 型l 1 2 面心立方有序结构，如图1 3 所示，在其有序晶体结 构的每一个晶胞中包含4 个原子。其中3 个n i 原子处于面心位置，一个舢原子 占据8 个角的位置，这一晶体结构也可以看成是由三个密排面按a b c a b c 顺 序堆垛而成，如图1 3 ( b ) 所示。 o n i 原子 a i 原子 图l 3n i 3 a l 的面心立方结构 f i g 1 3 f a c ec 锄t e r e dc i | k co f n i 3 a l 室温下，n i 3 a l 的弹性模量和n i 的相当，弹性模量随温度升高而下降，其下 降速率约为n i 的2 倍。n i 3 灿单晶可塑，多晶在室温下易发生沿晶脆断引。 n i 3 a l 金属间化合物具有很多诱人的力学和物理性能，其中一个非常引人注 目的特点就是其反常的强度温度关系，如图1 4 所示，随着温度的升高，n i 3 灿 金属问化合物的强度不是下降而是反常的增加，直到一个峰值温度以后才开始下 降【7 1 。这使得n i 3 a l 金属间化合物成为了一类很有前景的高温合金材料。 室温下多晶n i 3 砧常发生沿晶脆断，断裂延伸率仅为2 【5 】。因此可以看出， 这类多晶体的室温脆性归因于晶界弱化，小角度晶界、富n i 或是贫灿晶界的晶 界强度高；b 、z r 、m g 和稀土元素也分别对n i 3 a l 的室温、中高温脆性有不同程 度的改善作用。 山 薹 r 翅 制 爝 7 0 0 6 0 0 1 0 0 0 o2 0 04 0 06 0 08 0 0l 0 0 01 2 0 0 温度 图l - 4 不同屈服应变下n i 3 的流变应力- 温度关系 f i g 1 _ 4e 髓c tn o ws 眈鼹o nt 髓1 p 啪t u f e 蚰d 盯d i 彘彻l t 如e l ds 蛔i no f n i 3 灿 北京工业大学工学硕十学位论文 1 3 n i 3 a 1 基合金的焊接性能 在金属间化合物n i 3 a l 基系列合金问世的2 0 多年间，其焊接性一直为人们所 关注。相关研究采用了气焊、电弧焊、电子束焊、激光焊诸多焊接方法。研究人 员从焊接工艺和冶金措施等诸多方面对焊接热裂纹的影响因素进行了广泛而深 入的研究。 关于n i 3 基合金焊接高温液化裂纹的研究已经有了初步的成果。对热影响 区液化裂纹的控制主要是从调整母材成分和优化焊接工艺来实现的。 从母材成分上来讲，b 元素在n i 3 舢基合金中能起到提高室温塑性的作用， 但是在焊接的过程中是液化裂纹的主要液化源【8 ，9 ，1 0 ，l l 】。在液化裂纹方面，厅 元素也会对焊接过程产生不利影响【1 2 埘，所以，控制母材中b 和z r 的含量，可 以降低此类裂纹倾向。f e 元素具有抗裂纹能力，一些研究发现含1 晰f e 的 n i 3 础基合金比含b 合金具有更好的抗裂纹能力【1 3 】。h f 元素对裂纹倾向的降低 作用十分明显【l4 ，”j ，这是由于其独特的趋肤效应造成的，在下文中会详细解释。 合金中添加l o f e 和5 h f 可大大改善焊接性能【6 一。 从焊接工艺上来讲，提高合金的高温塑性对减小液化裂纹倾向也有一定的效 果，可以通过提高合金导热性【1 3 】、细化组织结构【1 6 ，1 7 】等手段来实现。另外，恰 当的焊接速度【1 8 1 2 】，以及焊前状态和其它焊接参数【1 9 】也对控制热影响区高温液 化裂纹有重要意义。 综上所述，选择合适的焊接母材，恰当的焊接工艺，再结合激光焊接能量密 度高、熔化凝固速度快、热输入量小、热影响区窄、焊接应力小及组织细化的特 点，n i 3 舢基合金的热影响区液化裂纹是可以控制的。 对焊缝凝固裂纹的控制较为复杂，也是本课题的主要研究内容。从焊接热源 类型上来讲，传统的电弧焊、气焊方法由于较大的热输入、较强的热应力热变形， 非常不适合n i 3 砧基合金的焊接，人们也曾用真空电子束焊接对其进行实验取得 一定效果【2 0 】，但由于其设备条件的限制，不易于添加焊接材料，难以从合金化的 角度减少焊接裂纹，也不是n i 3 灿基合金焊接的理想热源。而激光焊接是现代先 进的材料连接方法，与传统的焊接方法相比，激光焊接具有许多优点：如激光能 量密度高、热输入量小；其焊接接头的热影响区窄，焊接应力与焊接变形小；焊 缝的组织细化；有利于获得良好的焊接接头性能；易于实现过程控制，稳定性和 可靠性程度高，加工适应性强；且不需要如电子束焊接的真空条件；在焊接精度、 效率、自动化等方面具有明显的优势。 之前研究人员对n i 3 越基合金焊接的工艺方面进行了研究的探讨，电子束的 高速焊接虽然不可避免微观裂纹，但可以消除宏观裂鲥2 0 】，但也有人认为焊接裂 纹随着焊接速度的增加而增加f 1 2 ，2 。尽管如此，焊接速度作为一种非常重要的 第l 章绪论 焊接参数，它与焊接裂纹之间的内在联系还是必然的。提高能量密度，比如提高 电子束焊接的加速电压和采用表面焦点焊接【2 0 】，也有利于减少焊缝裂纹。母材的 各向异性也对焊接裂纹的产生有一定联系，垂直子铸造合金的铸造方向f 2 引、平行 于变形合金的锻造纤维【2 0 】都有利于减少焊接裂纹。此外，材料的焊前状态对于焊 接效果也很重要，细化的焊前组纠1 6 】【1 7 1 ，焊前热处理类型2 1 1 ，焊前表面清理状 态【2 3 】都对焊接热裂纹出现产生重要影响。 优化合金焊接工艺对n i 3 a l 基合金焊接裂纹的预防有重要的意义，但这只是 增强材料焊接性的一种常规做法。对于n i 3 灿基合金来说，通过合金化的手段来 预防热裂纹是一种更有效，更具针对性的手段。 对k 5 h 高温合金的研究发现，焊缝中的h f 元素具有对焊接热裂纹的愈合 能力【1 5 】。在焊缝凝固后期，枝晶间液体处于连通状态，而富h f 熔体是一种复合 共晶液，具有良好的流动性和润湿性，使沿枝晶间毛细管道外渗，对焊接凝固裂 纹起到了“自钎焊”作用，使已经形成的裂纹得到焊合。其独特的趋肤效应，对 h a z 裂纹也有一定效果【1 4 】。因此在n i 3 a l 基合金的焊接研究中，h f 可考虑作为 焊缝冶金的主要合金化元素。 z r 元素可以通过强化晶界来阻止裂纹的扩展【2 4 。b 可以显著的改善n i 3 砧基 合金的室温塑性。但对6 0 0 以上的合金塑性无作用。z r 的原子半径大于砧原 子，替代a l 原子时产生点阵畸变强化合金。同时晶界贫砧可改善晶界电荷环境， 提高晶界强度【6 】。h l i 等对铸造态的含z r 的n i 3 a l 基合金进行钨极氩弧焊后发 现【1 9 】：z r 的加入使高温低塑性裂纹转为有液化迹象的裂纹，而与高温低塑性裂 纹相比，有液化迹象的裂纹可能通过调整材料焊前状态、焊接工艺参数等措施予 以控制直至消除。 还有一些元素是通过提高合金热塑性的途径来降低n i 3 趟基合金凝固裂纹倾 向的。骆合力等人在焊条中采用m o 和w 元素代替舢、t i 元素进行固溶强化【2 引， 防止析出第二相，保证了基体为良好的韧塑性能的单相组织，有利于提高焊缝的 热塑性，减小焊接应力。此外，c r l 2 2 1 、m n 【6 】等元素也能提高焊缝的高温塑性， 有利于焊接裂纹的抑制。 还有一些其它物质能够通过提高焊缝的抗氧化能力来提高焊接性能。例如 w c 的含量增加时，由于其具有较强的还原性，不仅保护了熔池中的灿不被氧 化，降低了裂纹倾向，而且在冷却后的焊缝形成碳化物金属间化合物的复合材 料，改善了焊缝的力学性锹2 引。 北京t 业大学工学硕上学位论文 1 4 焊接凝固裂纹的产生及控制 1 4 1 凝固裂纹的特征及形成条件 凝固裂纹发生的位置一般在焊缝，也可以近缝区，大部分都是沿焊缝树枝状 结晶的交界处发生和发展的，常见沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时焊 缝内部两个树枝状晶体之间。对于低碳钢、奥氏体不锈钢、铝合金、凝固裂纹主 要发生在焊缝上某些高强钢，含杂质较多的钢种，除发生在焊缝之处，还出现在 近缝区上。 焊缝熔池的凝固过程大致可分为四个阶段掖相阶段、液固阶段( 液相占 主要部分) 、固液阶段( 固相占主要部分) 、固相阶段，如 图1 5 所示。 图l 一5 熔池结晶的阶段和脆性温度区 f i g 1 - 5p 舐o do f p o o lc r y s t a l l i 嘲i 锄dm t t l et 锄p 锄t l 鹏z e 其中：卜塑性( 固相) 流动性( 液相) ；瑚度；t r 脆性温度区间： t l _ 液相线温度；t f 一固相线温度 在液固阶段时，焊缝金属一般是依赖液相的自由流动而发生形变，少量的固 相晶体只是移动一些位置，本身的形状基本不变。在固液阶段时，塑性形变的基 本特点是晶体间的相互移动，晶体本身此时也可能发生一些变形。由于在固液阶 段时晶体可以交织长合( 咬合) 成枝晶骨架，晶体本身的形变则有强烈的发展， 晶体间残存的液相却不易自由流动【2 6 1 。而此时常会有低熔点共晶物被排挤在晶 界，形成一种所谓的“液态薄膜”，在焊接拉应力作用下，就可能在这薄弱地带开 裂，产生凝固裂纹。 图1 6 中横坐标表示在拉伸应力作用下所产生的应变，与 图1 5 相同，p 表示在脆性温度区t b 内焊缝金属的塑性，它随温度变化 第1 章绪论 ( p = 伊仞) ，可以用一条通过n 点的线来表示。当出现液态薄膜时，存在一个最 小的塑性值( p m 曲。 r n 塑性倒 应变( ，p ，j 图l - 6 凝固裂纹产生条件示意图 f i g 1 6p r o d u c t i o nc o n d i t i o no f 1 i d i f i c a t i o nc r a c k i n g 其中：t r 液相线温度；t s - 固相线温度 ( 1 ：s o ；2 ：s = o ；3 ：s 0 ) 如果拉伸应变随温度按曲线l 变化时，在t s 附近( 即在脆性温度区内焊缝的 塑性最小时) ，只产生了的拉伸应变量，由图可知此时焊缝具有的塑性储备量 s 为： 么确l 加刁s( 1 1 ) 由于s 0 ，故在这种情况下不会产生热裂纹。按曲线2 变 化时，由拉伸应力所产生的应变，恰好等于焊缝的最低塑性值p m i l l ，故s = 0 ， 即处于临界状态。按曲线3 变化时，此时由拉伸应力所产生的应变已超过焊缝金 属在脆性温度区间内所具有的最低塑性( p m i n ) ，即s 0 ，此时晶问的液态薄膜就 会被拉开裂，若没有足够量的液态金属补充，当焊缝完全凝固以后此裂纹就会被 保留下来，形成热裂纠2 刀。 也就是说，焊缝凝固裂纹的裂纹倾向主要与下列三个参数有关： 1 脆性温度区间大小，t b 大，拉应力作用时间长，产生裂纹可能性大，决 定于焊缝化学成分，杂质性质与分布，晶粒大小。 2 脆性温度区( t b ) 内金属的塑性，t b 内金属的塑性越小，越易产生结晶 裂纹。 3 t b 内随温度降低变形的增长率( 拉伸应力的增长率) ，临应变率c s t 越 大，则表示材料的热裂纹敏感性越小，越不易产生裂纹。 其中，焊缝金属t b 区间的大小以及在t b 区间金属的塑性主要决定于冶金因 素，如金属的化学成分、结晶条件、偏析程度、晶粒大小和结晶方向等；而t b 区内的焊缝金属的应变增长率主要决定于力学因素，如金属的热胀系数、焊接方 北京工业大学工学硕七学位论文 法及工艺条件对焊缝金属造成的拘束度等【2 8 】【2 9 1 。 1 4 2 凝固裂纹的影响因素及控制手段 凝固裂纹的影响因素主要存在两个方面：冶金因素和工艺因素，而凝固裂纹 的控制手段也应该从这两个方面来进行。 1 4 2 1 冶金因素 合金状态图脆性温度区的大小随着该合金的整个结晶温度区间的增加而增 加。如图1 7 中所示，s 点结晶区间最大、裂纹倾向最大，而共晶点、裂纹倾 向最小。在实际凝固过程中，经常按照虚线所示的不平衡结晶来进行。 l j 瞄 摹 厘 肇 碟 图1 7 结晶温度区间与裂纹倾向的关系 f i g 1 - 7r e l 撕0 n s h i pb e t 、) l ，e c d ，s t a lt e i n p 啪t 1 1 r e 瑚g e 锄d 溅gt 饥d c y 通过调节母材成分，降低能引起结晶温度区间、或者产生低熔点共晶物的元 素的含量有助于降低焊缝裂纹倾向。通过添加某些合金元素，能够提高合金的高 温塑性，或者降低焊缝凝固过程中的元素偏析，也有助于控制焊缝热裂纹。 一次结晶组织形态及组织对结晶裂纹的敏感性也有很大影响。主要包括：晶 粒大小、初生相、线膨胀系统、相变应力等方面。 通过对钢的焊接研究发现，当一次结晶组织晶粒粗大时，裂纹的倾向也较大： 初生相为丫相时裂纹倾向比6 相大；降低相变应力也能降低裂纹的敏感性。 第l 章绪论 1 4 2 2 工艺因素 随着焊接热输入量e 增大，冷却速度减慢，结晶过程由无扩散结晶转为扩散 结晶，晶内偏析程度增加，使结晶裂纹敏感性增大。另外，由于冷却速度变慢， 产生了方向性很强的粗大柱状晶组织，降低了材料的晶间强度和塑性，也就增大 了材料的结晶裂纹敏感性。【3 u j 熔合比表示局部熔化的母材在焊缝金属中所占的比例。熔合比增大，母材将 向焊缝过渡较多的杂质元素，焊缝的裂纹倾向增大。 成形系数9 为焊缝宽度与焊缝实际厚度之比，即9 _ b h ，它对焊缝热裂纹影 响很大。平值较小时，一方面母材稀释率高，降低了焊缝金属的精炼程度，增加 了污染；另一方面，最后凝固的枝晶会合面因晶粒对向生长而成为杂质严重析集 的部位，易形成结晶裂纹；平值增大，热裂倾向减小；但9 过大，由于焊缝截面 过薄，抗裂性下降。 1 5 本课题主要研究内容 本课题主要针对n i 3 砧基合金焊接过程中的裂纹倾向大的问题进行研究，首 先进行合金的激光焊接基础实验，分析激光能量、扫描速度、材料晶粒度对焊缝 组织与性能、裂纹倾向的影响规律。然后通过焊前预热、改善焊缝成型系数、减 小焊缝凝固温度区间、调节材料元素成分等手段，改善合金的焊接性能，并通过 材料表征手段，了解n i 3 灿基合金激光焊接凝固裂纹产生的微观机制，以及焊缝 中合金元素显微偏析与凝固温度区间液化的关系。 通过以上实验及分析，有助于了解和改善n i 3 灿基合金的焊接性能，从而为 n i 3 a l 基合金的焊接和补焊等工艺在制造业中的工程应用打下基础。 北京工业大学工学硕七学位论文 1 0 第2 章实验材料及设备 第2 章实验材料及设备 2 1 实验材料成分及组织 所采用的试验材料是n i 3 a l 基铸造合金，由于a l 含量较高，其丫相含 量达到8 5 以上。同时合金中还含有c r 、t i 、m o 、h f 等元素，通过合金 元素的固溶强化作用使其具有良好的高温力学性能和抗氧化性能。试验材 料组织为铸态，如图2 1 所示。 图2 - 1试验材料的铸态组织 f i g 2 一la s - c a s t i n gm i c r o s t m c t l l r eo ft h ea l l o y 从显微组织中可以看出，其具有明显的过共晶合金组织特点，主要由 枝晶干和枝晶间两部分组成，其中枝晶干基体为丫，上面均匀弥散分布有 网状丫相，枝晶间为( 丫竹) 共晶。此外，晶界上还存在少量的碳化物和硼化 物，碳化物颗粒尺寸较小，约1 1 5 斗m 【3 1 1 ，硼化物含量极少，图2 1 中不 可见。 为了研究晶粒度对合金焊接性能的影响，选用了不同晶粒度的合金材 料。不同晶粒度合金材料的显微组织与相组成基本相同，但晶粒粗细有一 定区别。如图2 2 所示 北京工业大学工学硕十学位论文 图2 - 2 不同晶粒度合金显微组织( a 粗晶，b 细晶) f i g 2 - 2 mi c r o s t m c t u r eo fd i f i f e r e n tg r a i ns i z ea 1 1 0 y ( a ：c o a r s eg r a i n e d ，b ：f i n eg r a i n ) 为了研究凝固温度区间对焊接性能的影响，又增加了合金中a l 元素的 含量进行了对比实验，其显微结构与相组成基本未变，但枝晶干与枝晶间 所占比例不同，如图2 3 所示，富a l 合金中枝间相的比例明显较大，这是 由于对n i a l 元素比例的调节，使其成分更靠近共晶点，枝晶间丫竹共晶 增多所致。 图2 32 号合金的铸态组织 f i g 2 - 3a s - c a s t i n gm i c r o s t n l c t i l r eo f n o 2a l l o y 2 2 焊接实验设备 为了研究合金的焊接性能，将分别使用n d ：y a g 固体激光器、s l a bc 0 2 激光器对合金进行平板扫描焊。 2 2 1 n d ：y a g 固体激光加工系统 n d ：y a g 固体激光实验是在德国r o f i n s i n a r 公司的2 5 0 0 w 灯泵浦固体 1 2 第2 荦买验材料及设备 激光器下完成的，如。固体激光波长为1 0 6 岬，最大功率为2 5 0 0 w ( 连续) ， 光纤长度1 0 m ，光纤芯径6 0 0 岬。选用的聚焦透镜焦距为1 2 0 m m 。运动系统 为首钢m o t o m a n 五轴联动光纤导光激光加工机器人，机械手工作直径3 m ， 加工精度可达o 1 m m 。 图2 4r o f i n 2 5 0 0 瓦n d ：y a g 固体激光加工系统 ( a ：r o f i n 2 5 0 0 瓦n d ：y a g 固体激光器，b ：m o t o 瑚锄五轴联动机器人) f i g 2 - 4 r o f i m 一2 5 0 0 wn d ：y a gs o l i dl a s e rm a n u f a c t l l r i n gs y s t e m ( a ：r o f i n 一2 5 0 0 wn d ：y a gs o l i dl a s e r b ：m o t o m a n5 觚i s b o t ) 2 2 2 s l a bc 0 2 激光加工系统 试验用的s l a bc 0 2 激光加工系统由激光器、激光传输系统和五轴联动 数控机床组成。激光器为德国r o f i n s i n a r 公司生产的d c 0 3 5 型s l a bc 0 2 激光器，如图2 5 所示。该激光器采用r f 激励，输出的c 0 2 激光光束经 过整形变为圆对称的光束，由导光系统传输到加工位置，经无氧铜抛物面 反射镜聚焦。稳定输出功率为3 5 0 3 5 0 0 w ，激光波长为1 0 6 p m ，光束模 式为近t e m o o 模，采用3 0 0 m m 焦距的旋转抛物面反射聚集镜聚焦。运动 系统为a m o l d 公司的五轴联动数控机床，如图2 6 所示。 北京t 业大学工学硕士学位论文 图2 5d c 0 3 5 型s l a bc 0 2 激光器 f i g 2 - 5d c 0 3 5 - s l a bc 0 2l a s e r 图2 6a m 0 1 d 公司的五轴联动数控机床 f i 9 2 - 6a m o l df i v e - a x i sc n cm a c h i n e s 2 3 焊接检测方法及设备 2 3 1 金相腐蚀方法 根据组织显示的要求不同，试样有不同的腐蚀方法，经过对不同腐蚀 剂进行化学和电解腐蚀后进行比较，确定了以下腐蚀方法： l 、对材料晶粒度的显示： 由于实验中考虑到合金材料晶粒度对焊接性能的影响，需要对试验材 料的晶粒度进行显示，实验中采用盐酸与过氧化氢腐蚀剂对材料进行腐蚀， 1 4 第2 章实验材料及设备 可以观察到不同晶相的晶粒组织，腐蚀效果如图2 7 所示。 图2 7 材料晶粒度腐蚀效果 f i g 2 - 7g r a i ns i z ec o r r o s i o ne f f e c t 2 、材料显微组织丫相显示： 使用化学腐蚀的方法对抛光后的试样进行组织显示，将焊缝中丫相腐 蚀，显微镜下可以观察到焊缝中的树枝晶，腐蚀效果如图2 8 所示，本文 中所有金相显微镜照片均为使用化学腐蚀方法显示组织。 图2 8 焊缝树枝晶腐蚀效果图2 9 碳化物腐蚀效果 f i 9 2 - 8 d e n d r i t ec o 仃0 s i o ne 虢c t f i g 2 9c a r b i d ec o 肿s i o ne 仃e c t 3 、材料显微组织丫相显示： 为了研究显微组织中的丫相形貌及成分，对试采用电解腐蚀法，使合 金中丫相被腐蚀，以显示丫相形貌，本文中扫描电镜照片均采用电解腐蚀 方法显示组织。 4 、材料显微组织碳化物和硼化物的显示： 将抛光后的试样用碱性赤血盐水溶液腐蚀，其成分为氢氧化钠铁氰化 钾水比例为1 ：l ：1 0 ，可以观察到材料显微组织中的碳化物和硼化物， 碳化物的形态如图2 9 所示。 北京工业大学工学硕十学位论文 2 3 2 焊缝检测设备 对焊缝显微组织首先用体视显微镜( o l y m p u s s z 6 1 ， 图2 - l o ) 进行观察和测量焊缝形状，然后用o l y i l l p u s p m g 3 金相显微 镜( 图2 1 1 ) 观察焊缝显微组织； 图2 1 0 体视显微镜图2 1 l金相显微镜 ( o 【y m p u s s z 61 )( o l ，y m p u s - p m g 3 ) f i g 2 一l0s t e r e o m i c r o s c o p ef i g 2 一l lm e t a l l o m i c r o s c o p e 用j s m 6 4 8 0 l v 扫描电子显微镜( 图2 1 2 ) 对焊缝微观组织进行观察， 并采用扫描电子显微镜和能谱分析仪，对焊缝树枝晶不同区域进行成分分 析。 图2 - 1 2j s m 一6 4 8 0 l v 扫描电子显微镜 图2 1 3 标乐m i c r o m e t 5 1 0 3 显微硬度仪 f i g 2 一l2s c 咖i n ge l e c t r m i c r o s c o p ef i g 2 l3m i c r o h d n e s st e s t 盯 用标乐m i c r 0 m e t 5 1 0 3 显微硬度仪( 图2 1 3 ) 对焊缝区域进行显微硬度 测试。试验时所用载荷为l o o g ，加载时间为1 5 s 。 第3 章n i 3 舢基合金激光焊接工艺性能 第3 章n i 3 a l 基合金激光焊接工艺性能 焊缝裂纹是材料焊接过程中的常见缺陷，也是以n i 3 a l 为基体的金属化合 物基高温合金在焊接过程中遇到的最主要问题。由于此类高温合金经常用于航 空、电力等对可靠性要求较高的重要场合【3 2 1 ，所以当使用焊接方式进行零件制 造时，必须要求焊缝无裂纹。在铸造零件的修复或者再制造过程中，也有同样 的要求。 为了研究工艺条件对n i 3 a l 基合金的可焊接性的影响，提高其抗裂性，选 取了n i 3 a l 含量较高的某合金材料进行实验，使用高能束激光作为焊接热源， 进行了n i 3 a l 基合金可焊性的研究。本章主要针对激光焊工艺参数对焊缝裂纹 的影响问题展开研究。 在实验中所涉及的激光工艺参数主要包括：激光能量、扫描速度、材料晶 粒度等，通过对比较来了解各参数对n i 3 a l 基高温合金焊缝裂纹的影响规律。 3 1 实验方法 分别采用不同激光能量、扫描速度对样材进行平板自熔焊实验。实验过程 中主要参数如下： 激光波长：1 0 6 岬； 焦点：激光焦点位于工件的表面； 板材厚度：2 m m ： 材料晶粒度：在样材不同晶粒度的位置进行激光扫描，对结果进行比较； 焊接后用体视显微镜观察焊缝表面成形状态；试样切割并抛光，用高温合 金腐蚀液腐蚀后观察焊缝形状，并在金相显微镜下观察所剖切面微观裂纹。 图3 1 是n d ：y a g 激光焊接实验装置的示意图： 北京工业大学工学硕，i ：学位论文 图3 1实验设备示意图 f i g 3 - 1e x p e r i m e n t a le q u i p m e n td i a g r a m 3 2 晶粒度对焊接性的影响 3 2 1 晶粒度对焊缝形貌的影响 图3 - 2 不同晶粒度的实验材料 f i g 3 2s p e c i m e no fd i f 五e r e n tg r a i ns i z e 实验时对各项参数都在粗晶两种晶粒度材料上焊接，如图3 2 所示，根据 g b t6 3 9 4 2 0 0 2 标准测得