异种金属物理性质对激光焊接熔池的影响.pdf

第 2 3卷第 4期 2 0 0 9年 1 2月 上海工程技术大学学报 J OURNAI OF S HANGHAI UNI VE R S I T Y OF E NGI NE E RI NG S CI EN CE Vo 1 2 3 NO 4 De c 2 0 0 9 文章编号 1 0 0 9 4 4 4 X 2 0 0 9 0 4 0 3 6 9 0 5 异种金属 物理性质 对激 光焊接熔池 的影 响 向 锋 于治水 陈 洁 刘 雷 王付 鑫 上海工程技术大学 材料工程学 院 上海 2 0 1 6 2 0 摘 要 异种 金属 材料 的物 理性 质会 对 焊接 冶金 化 的 整 个过 程 产 生 很 大 的影 响 在 综 述 几 类异 种 金 属 激光 焊接 的研 究现 状 时 主要 分析 了 Cu和 F e N 和 Ti C u和 Ni F e和 A1 这 几 对异种金 属 间的 熔点 导热 系数和 溶 解度 的差 异 对 激光 焊接 凝 固后 熔池 的 形 状 成 分 变化 和 微 观 组 织特 征 的 影 响 关键 词 异 种金属 激 光焊接 焊接 熔池 中图分 类号 TG 4 5 7 1 文 献标 志码 A I mpa c t o f Phy s i c a l Pr o pe r t i e s o f Di s s i m i l a r M e t a l o n La s e r W e l d i n g Po o l XI ANG F e n g YU Z h i s h u i CHEN J i e I I U L e i W ANG Fu x i n Ab s t r a c t Th e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f d i s s i mi l a r me t a l h a v e gr e a t e f f e c t o n t h e wh o l e p r o c e s s o f we l d i n g me t a l l ur g Y W hi l e s u mma r i z i n g t h e c u r r e n t s i t ua t i o n o f r e s e a r c h o n l a s e r we l d i n g o f s e v e r a l t y p e s o f di s s i mi l a r me t a l s t he d i f f e r e n c e s o f me l t i n g p o i n t t h e r ma l c o n d u c t i v i t y a n d s o l u bi l i t y b e t we e n Cu a n d Fe Ni a n d Ti Cu a n d Ni a n d Fe a n d A1 we r e a n a l y z e d r e s p e c t i v e l y a s we l l a s t h e i r i mp a c t o n t h e s h a p e c o mp o s i t i o n c h a n g e s a n d mi c r o s t r u c t u r e c ha r a c t e r i s t i c s o f l a s e r we l d i ng p o o l a f t e r s o l i di f i c a t i o n Ke y wo r ds d i s s i m i l a r m e t a l l a s e r we l di ng we l d i ng p oo l 随着 经 济 的迅 速 发展 和科学 技术 的不断进 步 新 材料 新工 艺 新 设备 不 断涌 现 对 零部 件 的性 能 提出了更高 的要 求 1 采 用异种材料 的复合零 部 件 在性能与经济上优势互补 具有广 阔的应用前 景 如在 转 炉炼钢 工程 的 氧气 管道 需 要采 用 T 2铜 管和不 锈钢 管焊 接 j 新一 代航 空发 动机 采用 铬 青 铜与 双相 不锈钢 电子束焊 接 l 3 等 但 异种 金属 焊 接 要想 获得 良好 的焊 接接 头 在 当前 还 面临诸 多 的 困 难和 挑战 这是 因 为异种 金属 的熔 点 导热 系数 线 收稿 日期 基 金 项 目 作者简 介 指 导教 师 膨胀 系数和 力学 性能 等 在物 理性 质上 有很 大 的差 异 容 易对 熔池 造 成 许 多不 利 影 响 在 焊 接 接 头 中产 生应力 集 中 导 致 各 种 焊接 裂 纹 的产 生 如 何 解 决 这一 问题 必须 首 先弄 清楚 异种 金属 的物理 性 质 对焊 接熔 池 的影 响特 征 1 异种金属激光焊接 的熔池形状 C u和 F e 用扫描速度为 8 1 6 9 mm s 功率为 2 0 0 9 0 6 1 0 上海市教委第 五期 重点学科建设 资助项 目 J 5 1 4 0 2 向锋 1 9 8 5 一 男 四川 I 达州人 在读 硕士 研究 方向为微束 等离 子弧焊接设备及 工艺 于治水 1 9 6 0 一 男 山东青岛人 教授 博士 研究 方向为新 材料 连接原理及工 艺 上 海 工程 技术 大 学学 报 第 2 3卷 5 5 k W 的 C 激光焊进行焊 接 焊后熔池 形貌 如图 1 a 所示 图 中可 见 F e母 材 熔 化得 更 多 而 C u 母材的熔化量 较 少 整 个 熔池 形状 不对 称 C u侧 最 顶部 的熔化 范 围偏 离接 头线 大 约 5 0 0 m 而 F e 侧 最顶部的熔化范围偏离接头线大约 9 0 m 文献 7 研 究 了 C O 激 光焊焊 接 Ni 和 T i 异种 金属 的熔 池 形 态 和 其 中 相 的转 变 实 验 参 数 为 纯 Ni 和 Ti 块 8 c m 4 c m 2 c m 长 宽 高 C 02 激 光功率 为 5 k w 焊 接速 度 为 1 m rai n 焊 接 后 焊缝 形态 如 图 1 b 所 示 图 中 Ni 和 Ti 的焊 接 熔 池同样也是不对称的 熔池中心在 Ti 侧 即靠近母 材 T i 侧 的熔 池宽 度 明显 大于 靠 近母 材 Ni 侧 的熔 池宽 度 Ti 侧 最 顶 部 的 熔 化 范 围偏 离接 头 线 大 约 3 3 mm 而 Ni 侧 最顶 部 的熔 化范 围偏离 接头 线大 约 2 mm 文献E s 2 中 C u和 Ni 激光焊接的实验参数 激 光 功率 为 3 5 k W 激光束 半 径 为 5 mm 扫 描 速 度 为 0 0 0 8 m s 焊 后熔 池的宏 观形貌 如 图 1 c 所 示 图 中可 见 熔 池形 状 关 于 接 头线 是 不对 称 的 C u母 材熔化 得更 少 而 N i 母 材 熔化 得更 多 Cu 侧 最 顶部 的熔化 范 围偏 离 接 头线 大 约 4 0 0 m 而 Ni 侧最顶部的熔化范围偏离接头线大约 1 5 0 0 m a C u F e b T i Ni c Cu Ni 图 1 异种金属激光焊接焊缝纵断面宏观图 Fi g 1 M a c r o s c o pi c c r o s s s e c t i o n a l v i e w o f we l d f or di s s i m i l a r m e t a l l a s e r we l d i ng 2 异种金属激光焊接熔池的成分变化 异种 金属 激光 焊接后 其熔 池 中某 一元 素 的含 量 原 子 数 分 数 下 同 会 随 位 置 的 改 变 而 不 同 文献 6 8 都对此作了具体的研究 文献 6 中 C u和 F e 激光焊接后 熔池与界面 处 C u成分 变 化情 况 如 图 2所 示 从 图 2 a 可 见 在熔池 与 F e 母 材 的界 面处 C u含 量 大约 1 3 在 靠近熔 池 区域其 含量 下降 到大约 5 而从 图 2 b 可见 在熔 池与 C u母 材 的 界面 处 C u含 量 在 大约 1 O 0 在靠 近熔 池 区域 其 含 量 下 降 到约 2 0 C u 含量 的波 动在熔 池与 C u母 材 的界面处 更大 距离 m 距离 la m a 靠近F e 侧的成分形貌 b 靠近c u 侧 的成分形貌 图 2 F e Cu激 光 焊 接 焊 缝 中 Cu 变 化 图 F i g 2 Co mp o s i t i o n p r o f i l e Cu a l o n g w e l d o f F e Cu l a s e r we l d i n g 文献 7 3 中 Ni 和 T i 激光 焊接 后熔 池 中 Ni 元 素 含量 的变化如 图 3所示 图 中可 见 N i 元 素 含量 在 焊缝 中心 区域 大约 为 4 在 两个 界 面处 Ni 元 素含 量变 化较大 其 中 Ni 元 素含量 在靠 近 Ni 母材 的一 侧波 动更大 其波 动范 围大约 6 O 文 献 8 中 C u和 Ni 激 光 焊 接 后 Ni 的含 量 在 顶部 焊缝 随距 离变化 的关 系如 图 4所 示 图 4沿 着 X轴 从 左 至 右 的数 值 变 化 代 表 从 C u端 至 Ni 端 的 Ni 含 量 的变化 X 轴 的最 左端 是 C u端 最 右 端 是 Ni 端 图 中可 见 Ni 的 含量 在 焊 缝 中 心 区域 第 3期 向锋 等 异种金属物理性 质对 激光焊接熔池的影响 大约 为 8 0 在 两 端 有 明显 的波 动 而 在 靠 近 C u 母 材 端 的波动 范 围大 约 为 8 5 远 远 大 于 Ni 母 材 端 的 1 0 图 3 X Ni 随 图 1 b 水 平线 距 离 的 变 化 F i g 3 Co mp o s i t i o n X Ni v a r i a t i o n a l o n g t h e h o r i z o n t a l l i n e s h o wn i n Fi g 1 l b 图 4 X Ni 沿 着 焊 缝顶 部直 线 距 离 的 变 化 F i g 4 C o mp o s i t i o n X N i a l o n g a l i n e a c r o s s t h e we l d a nd ne a r i t s t o p 除 了 以 上 几 对 金 属 之 外 在 Ti Al l 1 J F e A1 E 等异种金属焊接时 也 出现了类 似的熔池形 状 不对 称和 成分变 化 不 一 致 的 现象 文献 8 通 过 对 C u和 Ni 激 光 焊 接 数 值 模 拟 和 实 验 结 果 的 比 较 找 到 了导 致 这 种 现 象 的 主 要 原 因 Gr a n d h a m 等 考 虑异种 金 属 的一 些 物 理特 性 如熔 点 比热 容 密度 线膨胀系数和导热系数等 并结合一定的 算法 同时 作一些合理的假设 建立了一个焊接熔 池变化的三维数值模型 利用这个模型对 C u和 Ni 的具 体焊 接过 程进 行模 拟 并 进行 了实验验 证 通 过模 拟结果 和 实验结 果 的对 比和研 究 得到 了以下结论 这个在激光焊接中的传递现象的计算 模型虽有待完善 但它抓住 了异种金属激光焊接中 的几个 关键 特征 如 两 种 金 属 不 同 的受 热 熔 池 的 不平衡发展 熔化金属的混合和凝固后的最终成分 等 因为 Ni 的热扩散系数 比 C u低 Ni 侧 比 C u侧 的受热 更敏感 所 以 Ni 首先 熔 化 最后 凝 固 导致 了 Ni 的熔 化 量大 于 C u的熔 化量 因为对 于 C u的 热传递 主要是靠 Ma r a n g o n i 对流 而不是直接加 热 所 以 当激光 移走 后 由 于 C u的高热 扩 散 系数 熔 化 的 C u首先 凝 固 造 成 了液 态 Ni 停 留 时 间 比 液态 的 C u更长 由此 使熔池形状不对称 由对流 而 引起 的液 体金 属 的 混合 也 不 对 称 靠 近 Ni 母 材 元 素 能够很 好 地 混 合 而 靠 近 C u母 材 由于 C u的 凝 固速 度更 快 金 属 不 能够 充 分 混 合 从 而 造 成 了 很 高 的成分 梯度 以 上这 些 结 论 可充 分 解 释 文 献 E 6 3 和文献E 7 提出的现象 3 异种金属激光焊接熔池 的微观组织 C u与 F e 在 液态 时 可无 限互溶 在 固态 下 为有 限固溶 但并不形成脆性金属问化合物 Gr a n d h a m 等 L 6 对 C u与 F e焊 接 时 焊 缝 的 微 观 结 构 作 了 分 析 如 图 5 图 6所 示 从 熔 池 的显 微 图可 见 整 个 熔池呈细胞群状 进一步分析得知 如细胞体 的部 分为 F e 胞 间部分为 C u 通过其 电子衍射 图发现 胞 间 的 Cu与 F e 满 足 K s关 系 在熔 池 中没 有 发 现其他物质存在 即没有金属间化合物的形成 5 图 5 熔池 的微 观结构 带 Fi g 5 M i c r os t r u c t u r a l ba n di n g i n po o l a 齿状F e I j 视场 图 b 胞间c u 明视场图 图 6 F e C u焊缝中心局部微观结构 图 Fi g 6 Lo c a l mi c r os t r uc t ur e o f Fe Cu we l d Ni Ti 液 相 和 固相都 不 互溶 且熔 点 相差 悬殊 它们两者焊接熔池成分结构和铜与铁焊接所得熔 上海 工 程技 术 大学 学报 第 2 3卷 池成分 结构截 然不 同 文献 7 中 N i Ti 焊 接熔 池 微观形 貌如 图 7 图 8昕示 图 7焊 缝 中心 区 的 微 观 结 构 B S E 图 S E M Fi g 7 Ty pi c a l we l d m i c r o s t r u c t u r e B S E i ma g e S EM 参 照 图 3 可以看 出 Ni 元 素 含量 在 4 上 下 波动 在 两个 界面处 Ni 元素 的含量 变化较 大 参 照 这个百 分 比 从 Ni Ti 二 元相 图 可 见 白线 区域 应 是 Ti Ni N T i 的两 相混合 区 通 过对熔 池 中心 区 S E M 图的观察 和 分 析 知 此 区域 主要 是 由呈 树 枝 状 的 Ni T i 晶体和 枝 间状 的 T N i 晶体组 成 的 Ni T i 晶体 中 Ni 的含量 在 4 5 5 7 变化 而 T i Ni 晶体 中Ni 的 含 量 却 保 持 不 变 T i 晶 体 的TE M 图和 电子 衍射 图如 图 8所 示 图 8中 中 间 明亮 部 分为 Ti Ni 左上角为 T Ni 中间颗粒的电子衍射 图 它是 Ti Ni 品体 的 1 区域 圈 8明视 场 图 T EM F i g 8 B F i ma g e T EM 由此 可知 在 Ni T i 激 光 焊 接 的熔 池 中 主要 成分是 Ni T i 金属问化合物 没有 Ni T i 的固溶体 存在 铝合 金 与钢 的热导 率 线膨 胀 系数相 差很大 此外 铁 在 铝 中 的 固 溶 度 几乎 为 零 2 2 5 6 时 固 溶 极 限 为 0 o l 0 2 2 E 1 2 S i e r r a 等 对 低 合金 钢 和 6 0 0 0系 列 铝 的 激 光 小孔 焊接 进行 了研 究 其 焊接 后 的显微 图如 图 9所示 a AI S t e e l 焊接接头的 圪学矬微罔 b 界面处背散 电子显微照片 图 9 AI S t e e l 激 光焊 接 焊 缝 的微 观 结 构 图 Fi g 9 M i c r o s t r u c t u r e o f we l d f o r AI S t e e l l a s e r we l d i n g 选取 在 Al 母 材 中 的 熔 深 分 别 为 4 m 和 5 5 0 m 焊缝 的横断 面 对靠近 A1 母材 焊缝 局部作 显微分析 其显微图片见 图9 a 9 b 图 9 a 白 色箭 头所指 部位 为 白色 的溶 解带 它是 钢 的 固溶 体 宽度为 5 2 0肚 m 其电镜照片 见 9 b 中的 2 其 中 F e含 量 为 6 5 8 J A1含量 为 I 1 3 5 图 中还 可 见 在 A1 与焊 缝 的 界 面 处 有 中 间 相 的生成 它们 是 Al 和 钢反 应 生 成 的金 属 间 化 合 物 形态 见 图 9 b 中的 t 通 过 S E M E D S检测后 知 其 中 的 F e含 量 为 2 1 3 7 Al 含 量 为 6 3 7 9 根 据 这 个 比例 参 照 F e A l 平 衡 相 图 推 测化 合 物 中涉 及 的 物 质 有 F e A1 F e A1 或 者 F e A1 3 4改进接 头性能 的措施 综 上分 析 可 知 异 种 金 属 由于 物 理 性 质 的 差 异 会 导致激 光 焊接 熔 池 的 形貌 成 分 和 微 观结 构 的不 均匀性 这些 不均 匀性 导致 了异种金 属激 光焊 接接 头 的残余 应 力和力 学性 能 的不均匀 性 可 以通 第 3期 向 锋 等 异种金属物理性质对 激光焊接熔池的影响 3 7 3 过 以下方 法减 少这些 不 良影 响 1 在 焊接 前 对被 焊金 属进 行预 热1 2 外 加 磁 场进 行 焊 接 可通 过 影 响熔 池 的 传 热 传 质 晶粒 和 缺 陷 的形 成 而发 挥 作 用 进 而 改 变焊 接组织 内部质 量 和外观 形貌 本文 主要 对异种 金 属 的熔 点 导热 系数 和溶 解 度 这 3个 主要 的物 理性 质对 异种 金属 的激 光焊 接 凝 固后熔池 的影 响特 征进 行 了综述 但 异种 金属 更 多 的物理 特征 对异 种 金 属 激 光 焊接 过 程 中及 凝 固 后熔 池 的影响 特征还 需 进一 步研 究 通过 对 Cu和 Fe Ni和 Ti Cu和 Ni Fe和 Al 这 几 对异 种 金 属 间 激 光 焊 接 的研 究 情 况 的分 析 可得 到 以下结 论 1 由于两 种 材 料 的熔 点 和 导 热 系 数 的差 异 对 热 的敏感度 不 一致 焊接 熔池 的形 状会 不对 称发 展 导 热系数 大 的母 材 金 属 熔 化 量 小 导 热 系 数小 的母材 金属 熔化 量大 2 在母 材 与熔 池 的界 面 处 元 素 含 量 的 波 动 也 是不 一致 的 在靠 近熔化 量小 的母 材金 属 一侧 的 元素 波动较 大 3 由于 选 用 金属 组 合 的溶 解 度 的 差 异 焊 接 后不 同金 属组 合 的熔 池 成分结 构也 不一 致 对于 在 固态和液 体 下都 不互 溶 的一对 金属 其 焊接 熔池 的微 观组 织为 金属 间化 合物 对于在液体下可无限互溶 在 固态下有 限互溶 的一 对金 属 其 焊 接熔池 的微 观组 织 是金属 的固溶 体 形态 为两金 属 成细胞 状 交替分 布 对 于在 液体 下可无 限 互溶 而 固态下 很 少互溶 的一对 金属 其 焊接 熔 池 中的 微 观组 织 既 有金 属 间化合 物 也 有 金属 的 固溶 体 4 可 通过 预热 或外 加磁 场 的方 法 来提 高 异 种 金属激 光 焊接接 头性 能 但异 种金 属 的物理 性质 对 激光 焊接熔 池 的影 响还需 进 一步研 究 参 考文献 r 1 DA VI E S J R Ha r d f a c i n g we l d c l a d d i n g a n d d i s s i mi l a r me t a l o i n i n g C A S M Ha n d b o o k 6 We l d i n g B r a z i n g a n d S o l d e r i n g Oh i o ASM I n t e r n a t i o n a l 1 9 9 3 r 2 谭玉 春 陈一新 T2铜管 和 1 C r l 8 N i 9 T i 不锈 钢管 的焊接E J 3 株洲工学院学报 2 0 0 3 1 7 2 7 4 7 5 r 3 张秉 刚 冯吉才 吴 林 铬青铜与双 相不锈钢 电子束 熔钎焊接 头形 成机 制 J 焊 接 学 报 2 0 0 5 2 6 2 1 7 2 4 4 李亚江 王 娟 刘 鹏 异种 难 焊材料 的焊接 及应 用 M 北京 化学工业 出版社 2 0 4 1 7 6 5 MAI T A S P O WAG E A c c h a r a c t e r i s a t i o n o f d i s s i mi l a r j o i n t s i n l a s e r we l d i n g o f s t e e l k o v a r c o p p e r s t e e l a n d c o p p e r a l u mi n i u m J Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d Eng i ne e r i ng 2 00 4 A3 74 2 24 23 3 6 G R ANDHAM P s A MB AN DAM M P RA D I P D Cha r a c t e r i z a t i 0n o f a c o nt i n uo us CO2 l a s e r we l d e d F e C u d i s s i mi l a r c o u p l e J Me t a l l u r g i c a l a n d Ma t e r i a l s Tr a n s a c t i O ns A 20 05 3 6A 2i 37 21 47 7 C H r I E R J E E S A B I N A ND A NA N T A C HA T TOPADHYAY K P h a s e f o r ma t i o n i n Ti Ni d i s s i mi l a r w e l d s J Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g 2 0 8 A49 0 7 1 5 r 8 GRANDHAM P PRADI P D KAM ANI O C Co rn put a t i on al mo de l i n g of l a s e r we l di ng of Cu Ni di s s i mi l a r c o u p l e J Me t a l l u r g i c a l a n d Ma t e r i a l s T r a n s ac t i on s B 2 0 04 35 2 3 39 35 0 9 L I U I M WANG H Y T h e e f f e c t o f t h e a d h e s i v e on t h e mi c r oc r a c ks i n t he 1 a s e r we l d e d bo ndi n g M g t o A 1 j o i n t J Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g 20 09 A5 07 2 2 2 8 1 WE I P S KUO Y K KU J S F u s