CN102189337A

CN102189337A - Ni3Al基合金铸件激光无裂纹熔焊修复方法

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Publication number: CN102189337A
Application number: CN2011100379758A
Authority: CN
Inventors: 张冬云; 鹿堃; 高海芸; 赵志英
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2031-02-14
Also published as: CN102189337B

Abstract

Ni₃Al基合金铸件激光无裂纹熔焊修复方法属于激光材料加工领域。激光熔焊热源为灯泵浦固体激光器或者半导体激光器，Ar气作为保护气体，气体流量为15L/min，保护气体向焊接区的输入方向为与焊接方向相反，即正对激光扫描方向，激光功率400～1200W，离焦量为+1～-5mm之间，扫描速度为0.2～0.5m/min。采用激光器对Ni₃Al基合金铸件的裂纹处进行扫描，铸件在激光的作用下发生熔化，液态金属在激光离开扫描位置后由于温度的降低重新凝固形成熔焊焊缝，所得焊缝无任何缺陷。本方法稳定性高，工艺简单，变形量小，所得焊缝无裂纹，是电力、航空发动机用Ni₃Al基合金铸件铸造裂纹无缺陷修复的重要方法。

Description

Ni3Al基合金铸件激光无裂纹熔焊修复方法

技术领域

本发明涉及一种针对Ni₃Al基高温结构材料合金铸件热裂纹的激光熔焊修复方法，属于激光材料加工领域。

背景技术

Ni₃Al金属间化合物材料是一类新型的金属基高温结构材料，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，在一定温度范围内屈服强度随温度升高而提高；密度低，比刚度高；良好的高温抗氧化性能等，能够满足高温结构材料的使用需要。

但是由于Ni₃Al基合金材料在高温条件下的热塑性较差，这一特点使得合金在制造过程中的凝固性能较差，一方面在焊接过程中，材料的焊缝裂纹倾向较大，使用常规的焊接方法可焊性很差，因此主要通过铸造的方法进行加工；另一方面在铸造加工的过程中也容易产生热应力下的铸造凝固裂纹。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。

对于在铸造过程中出现铸造裂纹的缺陷件，现在通常采取报废的方法，以避免在零件的使用过程中出现可靠性问题所带来的危险。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。所以如果能够采用补焊方法实现对铸造件的修复，则会带来很大的经济效益。使用补焊的方法对铸造裂纹进行修补，目前主要采取钎焊和熔焊两种手段，其中钎焊方法具有焊接应力和变形较小，容易获得无裂纹焊缝的特点，但是由于Ni₃Al基合金零件通常是在高温环境下使用，而钎焊所使用的钎料通常熔点较低，所得焊缝往往不能满足零件工作所需要的高温性能。熔焊修补目前主要采用传统的电弧焊、气焊方法，由于其较大的热输入量、较强的热应力热变形，以及Ni₃Al基合金凝固性能较差的缺点，使得Ni₃Al基合金焊缝裂纹倾向非常大，无法获得无裂纹焊缝，非常不适合Ni₃Al基合金的熔焊加工。

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，焊接加热、冷却速度快、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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于Ni₃Al基合金铸件热裂纹修补的焊缝无裂纹熔焊方法。本方法通过对激光焊接过程中所涉及的参数，包括Ni₃Al材料合金成分、激光功率、激光波长、激光光斑大小、扫描速度、保护气体等进行控制，达到Ni₃Al基合金材料无裂纹熔焊的目的，从而实现Ni₃Al基合金铸件热裂纹的激光熔焊修复。

本发明的技术方案参见图1、图2，Ni₃Al基合金铸件激光无裂纹熔焊修复方法，其特征在于：激光熔焊修复用热源为波长相对较短的灯泵浦固体激光器或者半导体激光器，实验过程中使用Ar气作为保护气体，输送到激光与材料相互作用区的保护气体流量为15L/min，焊接过程中保护气体为侧向输送，输入方向与焊接方向相反，即正对激光扫描方向，激光功率范围400～1200W，离焦量范围+1～-5mm，扫描速度范围0.1～0.5m/min。Ni₃Al基合金铸件在激光的作用下发生熔化，液态金属在激光离开扫描位置后由于温度的降低重新凝固形成熔焊焊缝，所得焊缝无任何缺陷。上述采用激光熔焊方法修复的Ni₃Al基合金铸件中的主要合金成分为Al、Cr、Mo等，在材料的微观组织中强化相γ′的重量百分比达75％以上，另外合金中含有重量百分比小于0.5％的微量元素Hf。熔焊修复所用的激光热源为灯泵浦固体激光器，能量分布为高斯分布；热源也可以为半导体激光器，能量分布一般为平顶分布。

激光熔焊修复Ni₃Al基合金铸件时通过精确调整激光焊接参数，使焊缝的形状系数h(h＝熔宽/熔深)介于0.8～1.2之间。另外在焊接过程中还需要调整激光焊接参数，控制焊接热输入量，当被焊零件的板厚发生变化时，焊接参数需要相应进行调整。

本发明的基本原理是：

激光熔焊修复Ni₃Al基合金铸件热裂纹时，采用波长相对较短的灯泵浦固体激光器或者半导体激光器为热源，直接对铸件的裂纹处实施激光扫描，过程中使用Ar气作为保护气体，输送到激光与材料相互作用区的保护气体流量为15L/min，熔焊过程中保护气体为侧向输送，输入方向与焊接方向相反，即正对激光扫描方向，在熔焊过程中保护气体流量和送气方向保证了熔焊过程激光的穿透能力和焊缝的表面成形质量。在熔焊过程中，激光参数范围分别为：激光功率范围400～1200W，离焦量范围+1～-5mm，扫描速度范围0.1～0.5m/min。Ni₃Al基合金铸件的裂纹处在激光扫描作用下发生熔化，液态金属在激光离开扫描位置后由于温度的降低重新凝固形成熔焊焊缝，所得焊缝无任何缺陷，铸件的裂纹得以修复。

专利主要针对MX246A型Ni₃Al基合金，合金成分为Al、Cr、Mo等，在材料的微观组织中强化相γ′的重量百分比达75％以上，另外合金中含有重量百分比小于0.5％的微量元素Hf。MX246A型Ni₃Al基合金由于合金含量高，对焊接热裂纹敏感，因而在熔焊修复过程中需要精确调节焊接热输入量，避免热输入量过大产生裂纹，或者发生未焊透现象。合金中的Hf元素具有在微小距离内扩散的作用，微量Hf元素的存在，对产生的微小裂纹具有一定的填充作用，从而改善了合金的焊接性。

考虑材料对激光波长的选择性以及加工的效果，在Ni₃Al基合金铸件的修复过程中采用波长较短的固体激光器或者半导体激光器，波长分别为：1.06μm、0.8μm。当激光波长较短时，材料对激光的吸收率高，能量的利用率高，相对减少了热量在材料上的辅加热作用，因此应当选择波长较短的固体激光器或半导体激光器进行加工。固体激光器的能量分布虽然为高斯型，但是由于为光纤传导，光束横截面的能量分布十分平整和圆滑；而半导体激光的能量分布为平顶的正方形分布，因而两种激光光源的能量分布形式可以减小焊件中的温度梯度，进而减小焊件中的应力梯度，减小焊件发生裂纹的可能性。

考虑激光功率对裂纹倾向的影响，当激光功率过大时，会使焊缝热输入量过大，凝固过程中冷却应力变大，从而增加焊缝的裂纹倾向，同时过大的热输入量还会造成热影响区液化裂纹，但是激光功率过低会造成焊缝深度较小，因此需要选择合适的激光功率的进行焊接修复。

考虑了激光扫描速度对裂纹倾向的影响，扫描速度会对熔池凝固过程中的应力变化、凝固方向、树枝晶形貌、偏析状态造成影响，因此扫描速度是影响焊缝裂纹倾向的重要参数。降低扫描速度有利于降低Ni₃Al基合金的焊缝裂纹倾向。

在上述原则的基础上选择合适的激光功率与扫描速度进行激光焊接，在焊接过程中还需要对上述参数进行精密调节，获得合适的焊缝形状系数，即h＝熔宽/熔深介于0.8～1.2之间，因为这样的焊缝形状系数对应着一个较小范围的焊接所需能量，此时焊缝受到的收缩应力最小，焊缝凝固金属的抗裂能力最强。由于Ni₃Al基材料对热量的敏感性，因而，当焊接零件的厚度发生变化时，焊接参数需要进行适当的调整，以获得无裂纹等缺陷的激光焊缝。

考虑了保护气体对焊接效果的影响，使用Ar气作为保护气体，选择合适的流量，配合单层保护气喷嘴，能够对熔池进行较好的保护，避免熔池氧化。

熔焊过程中，通过对以上因素的控制，可以降低焊缝的裂纹敏感性，得到无裂纹焊缝，而且熔深和熔宽均较大，有实际的工程应用意义，工艺简单稳定，可靠性高。

附图说明

图1Ni₃Al基合金激光熔焊装置示意图

图2Ni₃Al基合金激光熔焊施焊方法示意图

图3采用本发明方法的Ni₃Al基合金焊缝平磨面(灯泵浦固体激光器)

图4采用本发明方法的Ni₃Al基合金焊缝横截面(灯泵浦固体激光器)

图5采用本发明方法的Ni₃Al基合金焊缝平磨面(灯泵浦固体激光器)

图6采用本发明方法的Ni₃Al基合金焊缝横截面(灯泵浦固体激光器)

图7采用本发明方法的Ni₃Al基合金焊缝平磨面(半导体激光器)

图8采用本发明方法的Ni₃Al基合金焊缝横截面(半导体激光器)

图中：1、激光器，2、传输光纤，3、示教编程机械手，4、聚焦透镜，5、激光束，6、Ni₃Al基合金铸件，7、保护气体喷嘴，8、保护气体，9、焊缝，10、激光工作头，11、激光扫描方向，12、光束光斑。

具体实施方式

以下为本发明的实施例与效果。

实施例1：

实验所选用的材料为MX246A合金，焊件厚度为1.6mm。选用的激光加工设备为Nd:YAG固体激光器(最大输出功率为2.5KW)，激光波长为1.06μm，选用的聚焦透镜焦距为120mm，焦斑半径为0.29mm，被加工零件表面位于激光的焦平面。激光焊接时的功率为800W，保护气体为Ar气，流量为15L/min，激光扫描速度为0.2m/min。

加工装置如图1、图2所示，加工激光由激光器1产生，然后通过传输光纤2传输至激光工作头10。激光工作头10固定在示教编程机械手3上，激光工作头10上安装有聚焦透镜4和保护气体喷嘴7，激光工作头10的运动轨迹可以由示教编程机械手3控制。加工激光传输至激光工作头10后，通过安装在激光工作头10底部的聚焦透镜4后光束发生会聚并会聚于焦点位置，焦点位置位于待加工的Ni₃Al基合金铸件6表面。聚焦透镜的法线方向为竖直方向，与待加工的Ni₃Al基合金铸件6表面垂直，保护气体喷嘴7与聚焦透镜的法线方向成45°角，且保护气体的作用点应当与加工激光的焦点位置重合。激光扫描方向11应当为水平方向并与保护气体喷出方向相反。

图3、图4分别是利用Nd:YAG固体激光器加工MX246A合金，激光参数为以上条件时得到的熔焊焊缝平磨面与焊缝横截面。该焊缝经x-射线无损探伤检测证实无裂纹。可见，采用本发明所得到的焊缝能够使材料熔透，熔宽大，变形小，焊缝无裂纹，可用于MX246A合金铸造裂纹的补焊工艺。

实施例2：

实验所选用的材料为MX246A合金，厚度为0.8mm。选用的激光加工设备为Nd:YAG固体激光器(最大输出功率为2.5KW)，激光波长为1.06μm，选用的聚焦透镜焦距为120mm，焦斑半径为0.18mm。激光焊接时的功率为600W，保护气体为Ar气，离焦量为-1mm，气体流量为15L/min，激光扫描速度为0.2m/min。

图5、图6分别是利用Nd:YAG固体激光器加工MX246A合金，激光参数为以上条件时得到的熔焊焊缝平磨面与焊缝横截面。该焊缝经x-射线无损探伤检测证实无裂纹。可见，采用本发明所得到的焊缝能够使材料熔透，熔宽大，变形小，焊缝无裂纹，可用于MX246A合金铸造裂纹的补焊工艺。

实施例3：

实验所选用的材料为MX246A合金，表面晶粒度为-4级，厚度为1mm。选用的激光加工设备为半导体激光器(最大输出功率为1030W)，激光波长为800-1000nm，选用的聚焦透镜焦距为100mm，焦斑形状为正方形，焦斑面积为0.4x0.4mm²。激光焊接时的功率为400W，保护气体为Ar气，流量为15L/min，激光扫描速度为0.15m/min。

图7、图8分别是利用半导体激光器加工的MX246A合金，激光参数为以上条件时得到的熔焊焊缝平磨面与焊缝横截面。该焊缝经x-射线无损探伤检测证实无裂纹。可见，采用本发明所得到的焊缝能够使材料熔透，熔宽大，变形小，焊缝无裂纹，可用于MX246A合金铸造裂纹的补焊工艺。

Claims

1.Ni₃Al基合金铸件激光无裂纹熔焊修复方法，其特征在于：激光熔焊修复用热源为灯泵浦固体激光器或者半导体激光器，使用Ar气作为保护气体，输送到激光与材料相互作用区的保护气体流量为15L/min，焊接过程中保护气体为侧向输送，输入方向与焊接方向相反，即正对激光扫描方向，激光功率范围400～1200W，离焦量范围+1～-5mm，扫描速度范围0.1～0.5m/min。

2.根据权利要求1所述的Ni₃Al基合金铸件激光无裂纹熔焊修复方法，其特征在于：所用激光热源为能量分布为高斯分布的灯泵浦固体激光器或者能量分布为平顶分布的半导体激光器。