CN113977080A - 一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法 - Google Patents
一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113977080A CN113977080A CN202111359248.3A CN202111359248A CN113977080A CN 113977080 A CN113977080 A CN 113977080A CN 202111359248 A CN202111359248 A CN 202111359248A CN 113977080 A CN113977080 A CN 113977080A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- welding
- scanning
- laser
- nickel
- welding process
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000003466 welding Methods 0.000 title claims abstract description 195
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 102
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 85
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 80
- 229910001068 laves phase Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 56
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 42
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 39
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 title claims abstract description 11
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 12
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 15
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 11
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 7
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 abstract description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000007670 refining Methods 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 15
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 13
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 6
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 6
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229910000816 inconels 718 Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 3
- 238000001887 electron backscatter diffraction Methods 0.000 description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 235000011837 pasties Nutrition 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
- B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F3/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by special physical methods, e.g. treatment with neutrons
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
本发明公开了一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，属于材料加工工程领域。首先进行镍基高温合金扫描激光焊接工艺窗口的优化：激光束可采用：圆形、垂直、无穷、8字形、平行等扫描形式；扫描频率范围：0Hz‑200Hz；扫描幅值范围0mm‑5mm。然后根据以上扫描参数进行镍基高温合金的焊接制造工作，最终达到抑制Laves相析出行为，促使粗大骨架状的Laves相转变成为细小离散分布状态的目的，进而抑制微裂纹的产生，同时起到细化晶粒、扩大等轴晶区的作用。因此本发明通过控制激光的扫描运动，进而调控镍基高温合金焊接过程中Laves相的析出行为，抑制焊缝中微裂纹的产生，改善显微组织，进而增强了镍基高温合金焊接接头的性能。
Description
技术领域
本发明属于材料加工工程领域，具体为一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法。
背景技术
镍基高温合金GH4169(美国牌号Inconel 718)作为一种含Nb的镍基高温合金，由于γ'-Ni3(Al,Ti)和γ”-Ni3Nb相的析出，在高达650℃的使用温度下具有优异的高温强度和抗蠕变性，已广泛应用于航空航天、核电能源等工业领域。由于GH4169合金具有良好的抗应变时效开裂的优势，使其具有优良的焊接性。但是在GH4169焊接冷却过程中，由于Nb元素不断地发生偏析富集在γ相基体间的液膜中，最终发生共晶反应，在γ相枝晶间形成硬脆性Laves相。具有硬脆特性的Laves相在其形成时，会造成应力集中现象，会增加焊缝的裂纹敏感性，在其内部造成微裂纹的萌生和扩展。因此控制焊接接头中Laves相的析出行为，优化Laves相在焊接接头中的分布能够显著提升GH4169焊接接头的性能。
GH4169焊接过程中硬脆性Laves相的抑制一直是国内外学者研究的重点，虽然在焊接过程中Laves相的生成并不能被完全的抑制，但有相关文献已经证明了焊后热处理在一定程度上能够消除焊缝中的Laves相，这与Laves相的尺寸、热处理时间以及热处理温度有关。若Laves相较为粗大，热处理时间或热处理温度不合适，Laves相也并不能够完全消除。同时在热处理溶解硬脆性Laves相的过程中，会发生焊后再结晶、晶粒粗化、硬脆性有害相δ相的形成，因此焊后热处理并不能作为一种绝对的有效的控制Laves相，提升接头性能的技术手段。也有相关的学术研究论文已经证明了控制焊接过程中硬脆性Laves相的几何尺寸、分布状态，能够显著提升接头性能。其中N.Anbarasan等人在Inconel 718的TIG焊接过程中，通过向焊缝中添加含Mo元素的焊丝和以He气作为保护气，S.G.K.Manikandan等人在Inconel 718的TIG焊接完成后，采用液氮增加冷却速率，以及Wang等人通过超声辅助TIG焊接，以超声振动技术手段震荡熔池，这些调控手段都达到了调控Nb元素偏析，控制Laves相的尺寸及分布，降低接头的焊缝的裂纹敏感性，提升Inconel 718焊接接头的性能的目的。但这些研究更多的集中在采用辅助的手段，控制Inconel 718的TIG焊接过程中Laves相的生成，不仅增加了焊接工序，也增加了焊接工艺和焊接装备的复杂性。
K.SIVAPRASAD等人已经证明了，相比于高热输入的TIG焊接，具有低热输入的、高冷却速率的电子束及激光束能够更为有效的抑制Laves相的生成。相比于需要真空焊接环境的电子束焊接，激光束焊接受到了更小的环境限制，焊接工件的形状、尺寸在一定程度上也不受限制。虽然激光焊接技术在GH4169焊接领域中已有一定的研究，但是在GH4169的激光焊接过程中，尺寸较大的Laves相的生成严重的降低了接头的性能。目前并没有关于采用扫描激光调控GH4169焊接接头中Nb偏析，控制Laves相形成的研究。
因此通过激光束的扫描不仅能够改变焊后焊缝中Laves相的形状、尺寸、分布状态，提升接头性能；同时能够避免因热处理造成整个零件晶粒粗化，避免降低零部件的整体性能，也减少了焊接工艺的复杂性，缩短加工步骤。相比于其他的焊接辅助手段，能够减低焊接装备的复杂性，降低焊接过程的复杂程度。是一种更为便捷、有效抑制GH4169激光焊接过程中Laves形成，提升接头性能的焊接技术手段。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法；该方法可以在焊接过程中以一种同步、便捷的方式，实现对焊缝内部连续粗大的Laves相的调控，进而获得细小的弥散分布的Laves相。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，包括以下步骤：
S1：对扫描工艺参数进行优化，初步获得镍基高温合金扫描激光焊接工艺参数窗口，所述焊接工艺参数窗口包括：扫描形式、扫描幅值、扫描频率、激光焊接功率、焊接速度和激光离焦量。
S2：焊接前，将镍基高温合金待焊部位进行预处理，将预处理后的工件固定在焊接工装夹具上；
S3：然后根据所述步骤S1中的扫描激光焊接工艺参数窗口，设置实际的镍基高温合金焊接工艺参数；进行扫描激光焊接工作，焊接过程中，保证待焊区的正面及背面与空气隔离，最终获得最优的焊接参数；其中激光束在做扫描运动的同时相对于焊接工件进行水平运动。
进一步地，步骤S1中：根据实际焊接的工件厚度，以正面焊缝不存在咬边、下榻等缺陷，背面焊缝连续平整、未出现焊瘤缺陷现象为标准，初步获得镍基高温合金扫描激光焊接工艺参数窗口。所述焊接工艺参数包括：扫描形式、扫描幅值、扫描频率、激光焊接功率、焊接速度、离焦量等。
进一步地，步骤S3中：然后根据所述步骤S1中的扫描激光焊接工艺参数窗口，设置实际的镍基高温合金焊接工艺参数；进行镍基高温合金的焊接工作，其中激光束在做扫描运动的同时相对于焊接工件进行水平运动。激光束实际的行走路径如图1所示，可采用圆形、垂直、无穷、8字形或平行等焊接形式。焊接过程中通过激光的扫描达到对焊接熔池的搅拌作用，打碎糊状区生长的枝晶，形成更多的形核质点，细化晶粒；同时使枝晶间富集的Nb元素再次均质化，抑制硬脆性Laves相的生成的目的，最终获得最优的焊接工艺参数；同时在焊接过程中，保证待焊区正面及背面与空气隔离，防止焊接过程中熔池发生严重氧化；
进一步地，所述步骤S1中，根据焊接工件厚度为1-4mm，焊接工艺参数窗口的获取及参数间的相互配合和使用，需避免焊接缺陷的产生，初步获得的焊接工艺参数窗口，其中包括：扫描激光头可以实现圆形、垂直、无穷、8字形、或平行的扫描焊接，扫描幅值为0mm-5mm，扫描频率为0-200Hz，激光焊接功率2000-4000W，焊接速度为10-30mm/s，激光离焦量为0mm。
进一步地，所述步骤S1中，所采用的激光为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器所发出的激光。
进一步地，所述步骤S2中，焊接前，可采用机械打磨抛光或化学腐蚀等手段去除镍基高温合金待焊部位表面的氧化膜，并采用酒精或丙酮等清洗溶剂，去除抛光后的表面油污。
进一步地，所述步骤S2中，焊接方式可为对接焊接、角接焊或搭接焊。待焊接样件装夹时需避免错边、间隙量过大等装夹问题。
进一步地，所述步骤S3中，实际镍基高温合金焊接工艺参数的设置，需根据焊缝背面熔宽达到焊接工件厚度为标准，需保证了待焊接工件能够完全焊透，促使扫描激光能够充分搅拌熔池。
进一步地，所述步骤S3中，在焊接过程中，焊缝正面和背面分别采用95％Ar+5％H2的混合气和纯Ar作为保护气，正面气流量大小为20-40L/min，背面为10-25L/min；或正反面均采用纯Ar气作为保护气。其中相比于纯Ar，Ar和H2的混合气体能够促使焊缝以更快的冷却速度冷却，细化晶粒和抑制Laves相形成的效果更为明显。
进一步地，所述步骤S3中，最优的焊接参数的获取，是通过采用图像处理等方法，统计不同焊接工艺参数下，金相件中Laves的面积，进而获得生成最少的Lave相的工艺参数。
进一步地，激光焊接过程中，激光照射到待焊接工件表面时，工件发生熔化，形成熔池。熔池的流动状态和温度分布决定了Laves相的状态(大小、形态等等)，通过摆动激光改善熔池流动和温度的分布，进而抑制Laves相的生成。
所述步骤S3中可采用高速摄像和双色高温计对熔池的流动状态和熔池的温度数据进行采集。其中具体步骤包括：
将高速摄像固定在三角架上，根据实际的激光摆动频率，设置的高速摄像机采样帧率大于等于激光的摆动频率，高速摄像的采集视野大于实际的熔池形貌；并以俯视的角度拍摄熔池表面的流动行为，获得熔池表面流动照片；根据获取熔池照片中特征物的运动时间序列照片，计算熔池的流动速率。
同时将双色高温计固定在扫描激光头上，并根据实际的采样要求设置双色高温计采集温度的参数，保证实时采集温度的稳定性；在焊接过程中，随扫描激光头一起运动，可采集焊接熔池不同位置的温度以及焊后熔池冷却凝固过程中的热循环曲线，进而计算得到凝固区间的冷却速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，其改善Laves相形成的过程与焊接过程完全同步，是一种更为简单、方便改善Laves相形成的方法。一方面激光束的扫描增加了熔池的流动速率，同时也促使熔池向熔池边缘流动，增大了作用在糊状区正在生长枝晶上的弯曲应力，促使更多的枝晶发生断裂，进一步促进晶粒细化，扩大焊缝中的等轴晶区；另一方面促进富集在枝晶间的Nb元素再次均质化，抑制了Laves相的形成，促使粗大的骨架状分布的Laves相转变成为细小的离散分布状态，避免接头中存在较大的应力集中现象，降低接头对裂纹的敏感性，进而提高接头的性能。
附图说明
图1GH4169镍基高温合金扫描激光焊接过程中激光焊接路径示意图；
图2传统激光(0Hz)获得的焊缝区域的电子背散射衍射图；
图3扫描激光获得的焊缝区域的电子背散射衍射图；
图4图2和图3中传统激光和扫描激光焊缝区晶粒尺寸统计图；
图5传统激光和扫描激光获得的焊缝中Laves相扫描电子显微镜形貌图；
图6图5焊缝区域Laves相面积统计结果图；
图7传统激光和扫描激光熔池流动速度对比图。
图8传统激光和扫描激光熔池冷却速度对比图。
具体实施方式
为了使本发明的特征、技术方案及优点更利于被了解，结合附图及具体实施方案，对本发明进行进一步详细说明。此外此处所描述的具体实施方案仅仅用以解释本发明的要点，并不用于限定本发明，根据具体的实际使用情况可以对本发明进行适当地改进。
本发明所有实施例均采用以下步骤，：
S1：根据实际焊接的工件厚度，以正面焊缝不存在咬边、下榻等缺陷，背面焊缝连续平整、未出现焊瘤缺陷为标准，初步获得GH4169扫描激光焊接制造工艺参数窗口。其中焊接工艺参数包括：扫描形式、扫描幅值、扫描频率、激光焊接功率、焊接速度、离焦量等。
S2：焊接前，将GH4169待焊部位进行预处理，将预处理后的工件固定在焊接工装夹具上；
S3：在所述步骤S1中的焊接工艺参数窗口内，对扫描工艺参数进行优化，在保证焊后焊缝背部熔宽能达到待焊接件的厚度的条件下，进行镍基高温合金的焊接工作，其中激光束在做扫描运动的同时，相对于焊接工件进行水平运动，实际的行走路径如图1所示，可采用圆形、垂直、无穷、8字形、平行等焊接形式。焊接过程中，保证待焊区的正面及背面与空气隔离；
所述步骤S1中，根据实际的焊接工件厚度为1mm-4mm,初步获得的焊接工艺参数窗口：扫描幅值为0m-5mm，扫描频率0Hz-200Hz，激光功率2000-4000W，焊接速度为10mm/s-20mm/s，离焦量为0mm。
另外地将高速摄像固定在三角架上，根据实际的激光摆动频率，设置的高速摄像机采样帧率大于等于激光的摆动频率，高速摄像的采集视野大于实际的熔池形貌；以俯视的角度拍摄熔池表面的流动行为，获得熔池表面流动照片，根据获取的熔池照片中特征物运动的时间序列照片，计算熔池的流动速率，并根据实际的采样要求设置高速摄像机的采样参数。
同时将双色高温计固定在扫描激光头上，并根据实际的采样要求设置双色高温计的温度采集参数，保证实时采集温度的稳定性；在焊接过程中，随扫描激光头一起运动，并记录焊接熔池不同位置的温度以及焊后熔池冷却凝固过程中的热循环曲线，进而计算得到凝固区间的冷却速度。
需要指出的是，本发明焊接参数的之间相互配合、相互作用，需根据实际焊接的工件厚度，以正面焊缝不存在咬边、下榻等缺陷，背面焊缝连续平整、未出现焊瘤缺陷为标准避免存在焊接成形缺陷；同时保证焊缝背部达到待焊接件的厚度，达到焊接样板被完全焊透，进而促使激光能够充分地搅拌熔池，整体上使焊接质量达到最优的目的。
实施例1
首先进行厚度为3.5mm的GH4169镍基高温合金对接焊接实验，以焊缝正面不存在咬边、下榻等缺陷，焊缝背面连续平整、未出现焊瘤缺陷现象为标准，初步获得3.5mm厚的GH4169镍基高温合金焊接工艺参数窗口：其中激光束可采用圆形、垂直、无穷、8字形、或平行等焊接扫描形式，扫描幅值为0m-3mm，扫描频率0Hz-200Hz，激光功率3000-3500W焊接速度为10mm/s，离焦量为0mm。
其次采用角磨机进行机械打磨抛光，去除厚度为3.5mm的GH4169镍基高温合金待焊接部位的氧化膜，并采用砂纸去除待焊接样板的毛刺；用丙酮或酒精对打磨部位进行清理；
然后将清理后的GH4169镍基高温合金焊接试样件固定装夹在焊接工作台上，避免产生过大的错边及间隙误差，保证装夹精度。
接着进行厚度为3.5mm的GH4169镍基高温合金扫描激光焊接制造，根据初步获得的焊接工艺参数窗口，在保证焊缝背部熔宽达到3.5mm的条件下，设置实际的焊接参数，其中激光扫描形式为8字扫描，其轨迹参数方程为公式(1)(2)；扫描频率分别为0Hz、150Hz，扫描幅值为3mm，激光功率为3200W，焊接速度为10mm/s，离焦量为0mm，焊缝正面和背面保护气均采用Ar气，正面气流量大小为25L/min，背面为15L/min，防止焊接过程中焊缝的正反面发生严重氧化。
X(t)＝A/2*sin(2*π*2*f*t)+V*t (1)
Y(t)＝-A/2*cos/(2*π*f**t) (2)
其中A为扫描幅值，单位为mm；f为扫描频率，单位为Hz；V为焊接速度，单位为mm/s。
另外将高速摄像固定在三角架上，设置的高速摄像机采样帧率为200HZ，高速摄像的采集视野大于实际的熔池形貌；以俯视的角度，拍摄激光扫描区域形成熔池表面的流动行为，获得熔池表面流动照片，根据获取照片中熔池表面特征物运动的时间序列照片，计算熔池的流动速率。
同时将双色高温计固定在扫描激光头上，设置双色高温计的温度样周期为0.3s；在焊接过程中，随扫描激光头一起运动，并记录焊接熔池不同位置的温度以及焊后熔池冷却凝固过程中的热循环曲线，进而计算得到凝固区间的冷却速度。进一步在焊接过程中，设置高速摄像采集参数，其中高速摄像帧率为2500fps，图像像素为1296X400px。
进一步的，在焊接过程中，设置双色高温计的采样参数，其中双色高温计采样时间为0.4S，采样光斑大小为0.75mm，采样过程中保证采样光斑完全位于熔池内部。
最终获得焊接质量良好的焊接样件，然后制取焊接样件的金相样件。其中图2是传统激光获得的焊缝区域的电子背散射衍射图，其中晶粒尺寸大小分布如图4所示，晶粒尺寸均值为291.03μm；图3是扫描激光获得的焊缝区域的电子背散射衍射图，其中晶粒尺寸大小分布如图4所示，晶粒尺寸均值为171.27μm，相较于GH4169传统激光焊接，扫描激光焊缝区晶粒尺寸减小了41.2％。由此可知扫描激光能够明显细化了GH4169焊缝区的晶粒尺寸。
其中图5中传统激光焊接获得的焊缝区Laves相的扫描电子显微镜照片，其面积统计结果如图6，总面积大小为235.7μm2；图5中扫描激光焊缝获得的焊缝区Laves相的扫描电子显微镜照片，其面积统计结果如图6，总面积大小为139.56μm2；由图5可知扫描激光促使连续骨架状分布的Laves相转变成了弥散分布的细小的块状，并且由图6的统计结果可知Laves相的面积减小了40.8％。
其中图7是熔池的流动速度统计图，可以得到扫描激光的熔池流动速度相比于传统激光熔池流动速度增加了375.5％。
其中图8是熔池热循环曲线，可以得到扫描激光的熔池冷却速度相比于传统激光熔池冷却速度增加了77.2％。
实施例2
首先激光束进行厚度为2.5mm的GH4169镍基高温合金对接焊接实验，以焊缝正面不存在咬边、下榻等缺陷，焊缝背面连续平整、未出现焊瘤缺陷现象为标准，初步获得2.5mm厚的GH4169镍基高温合金焊接工艺参数窗口：其中激光束可采用圆形、垂直、无穷、8字形、或平行等焊接扫描形式，扫描幅值为0m-4mm，扫描频率0Hz-200Hz，激光功率2000-3000W焊接速度为15mm/s，离焦量为0mm。
其次采用角磨机进行机械打磨抛光，去除厚度为2.5mm的GH4169镍基高温合金待焊接部位的氧化膜，并用砂纸去除毛刺；再用丙酮或酒精对打磨部位进行清理。
然后将清理后的GH4169镍基高温合金焊接试样件固定装夹在焊接工作台上，避免错边及间隙过大，保证装夹精度。
接着进行GH4169镍基高温合金扫描激光焊接工作，然后根据初步获得的焊接工艺参数窗口，在保证焊缝背部熔宽达到2.5mm的条件下，设置实际的焊接参数，其中激光扫描形式采用圆形字扫描，扫描频率为100Hz，扫描幅值为0mm、、2mm、4mm，激光功率为3000W，焊接速度为15mm/s，离焦量为0mm，焊缝正面采用95％Ar+5％H2气，气流量大小为20L/min，背面采用纯Ar保护气，气流量为20L/min，防止焊接过程中焊缝发生严重氧化。
X(t)＝A/2*sin(2*π*f*t)+V*t (3)
Y(t)＝A/2*cos(2*π*f*t) (4)
其中A为扫描幅值，单位为mm；f为扫描频率，单位为Hz；V为焊接速度，单位为mm/s。
上述实施例2能达到本发明所述的技术效果，且效果与实施例1相近似。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对扫描工艺参数进行优化，初步获得镍基高温合金扫描激光焊接工艺参数窗口，所述焊接工艺参数包括：扫描形式、扫描幅值、扫描频率、激光焊接功率、焊接速度和激光离焦量；
S2：焊接前，将镍基高温合金待焊部位进行预处理，将预处理后的工件固定在焊接工装夹具上；
S3：然后根据所述步骤S1中的扫描激光焊接工艺参数窗口，设置实际的镍基高温合金焊接工艺参数；进行扫描激光焊接工作，焊接过程中，保证待焊区的正面及背面与空气隔离，最终获得最优的焊接参数；其中激光束在做扫描运动的同时相对于焊接工件进行水平运动。
2.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，其特征在于，所述步骤S1中，焊接工艺参数窗口的获取及参数间的相互配合和使用，根据实际焊接的工件厚度，以正面焊缝不存在咬边和下榻缺陷，背面焊缝连续平整、未出现焊瘤缺陷为标准。
3.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述激光为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器所发出的激光。
4.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，其特征在于，所述步骤S1中，激光扫描的路径可采用圆形、垂直、无穷、8字形或平行焊接形式。
5.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，其特征在于，所述步骤S1中，实际焊接工件厚度为0-4mm，其中工艺参数窗口为扫描幅值为0mm-5mm，扫描频率为0Hz-200Hz，激光焊接功率2000W-4000W，焊接速度为10mm/s-30mm/s，激光离焦量为0mm。
6.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，其特征在于，所述步骤S2中的预处理包括：采用机械打磨抛光或化学腐蚀手段去除镍基高温合金待焊部位表面的氧化膜，并采用酒精或丙酮清洗溶剂，去除抛光后的表面油污。
7.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，其特征在于，所述步骤S3中，实际镍基高温合金焊接工艺参数的设置，需根据焊后焊缝背面熔宽达到焊接工件厚度为标准。
8.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，其特征在于，所述步骤S3中，在焊接过程中，焊缝正面采用95％Ar+5％H2的混合气作为保护气，焊缝背面采用纯Ar作为保护气；或焊缝正面和焊缝背面均采用纯Ar气作为保护气；焊缝正面气流量大小为20-40L/min，焊缝背面气流量大小为10-25L/min。
9.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法，其特征在于，所述步骤S3中，最优的焊接参数的获取，是通过采用图像处理方法，统计不同焊接工艺参数下，金相件中Laves的面积，进而获得生成最少的Lave相的工艺参数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111359248.3A CN113977080B (zh) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111359248.3A CN113977080B (zh) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113977080A true CN113977080A (zh) | 2022-01-28 |
| CN113977080B CN113977080B (zh) | 2024-02-09 |
Family
ID=79748941
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111359248.3A Active CN113977080B (zh) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113977080B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103406666A (zh) * | 2013-06-16 | 2013-11-27 | 北京工业大学 | 激光控制枝晶生长方向的ic10合金连接和修复方法 |
| DE102014224738A1 (de) * | 2014-12-03 | 2016-06-09 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Verfahren zur Verbesserung der Schweißnahtqualität beim Remote-Laserschweißen |
| CN106077647A (zh) * | 2016-07-27 | 2016-11-09 | 湖南大学 | 一种激光增材制造镍基高温合金过程中控制脆性Laves相的方法 |
| CN108436083A (zh) * | 2018-04-19 | 2018-08-24 | 南昌航空大学 | 一种激光增材制造镍基高温合金脆性相的控制方法及装置 |
| JP2018183799A (ja) * | 2017-04-26 | 2018-11-22 | セイコーエプソン株式会社 | レーザー溶接ロボットの制御装置、レーザー溶接ロボット、レーザー溶接ロボットシステム、及びレーザー溶接方法 |
| CN111299834A (zh) * | 2020-03-13 | 2020-06-19 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种316ln和gh4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法 |
| CN113263258A (zh) * | 2021-04-09 | 2021-08-17 | 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 | 镍基合金管材的焊接方法及焊接装置 |
-
2021
- 2021-11-17 CN CN202111359248.3A patent/CN113977080B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103406666A (zh) * | 2013-06-16 | 2013-11-27 | 北京工业大学 | 激光控制枝晶生长方向的ic10合金连接和修复方法 |
| DE102014224738A1 (de) * | 2014-12-03 | 2016-06-09 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Verfahren zur Verbesserung der Schweißnahtqualität beim Remote-Laserschweißen |
| CN106077647A (zh) * | 2016-07-27 | 2016-11-09 | 湖南大学 | 一种激光增材制造镍基高温合金过程中控制脆性Laves相的方法 |
| JP2018183799A (ja) * | 2017-04-26 | 2018-11-22 | セイコーエプソン株式会社 | レーザー溶接ロボットの制御装置、レーザー溶接ロボット、レーザー溶接ロボットシステム、及びレーザー溶接方法 |
| CN108436083A (zh) * | 2018-04-19 | 2018-08-24 | 南昌航空大学 | 一种激光增材制造镍基高温合金脆性相的控制方法及装置 |
| CN111299834A (zh) * | 2020-03-13 | 2020-06-19 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种316ln和gh4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法 |
| CN113263258A (zh) * | 2021-04-09 | 2021-08-17 | 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 | 镍基合金管材的焊接方法及焊接装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| PALANIVEL, R 等, EFFECT OF ND:YAG LASER WELDING ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF INCOLOY ALLOY 800 * |
| 张冬梅;崔海超;杨尚磊;庹文海;: "Inconel 718激光焊接接头组织与热影响区裂纹研究", 材料导报, no. 08 * |
| 李亚敏;范福杰;韩锦玮;: "工艺参数对激光熔覆718合金涂层的影响", 兰州理工大学学报, no. 05 * |
| 熊建钢，胡席远，陈祖涛，胡伦骥: "激光焊接铸造镍基高温合金工艺研究", 中国激光, no. 12 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113977080B (zh) | 2024-02-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | Research on the “∞”-shaped laser scanning welding process for aluminum alloy | |
| CN110153557A (zh) | 一种均匀化Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法 | |
| Gobbi et al. | High powder CO2 and Nd YAG laser welding of wrought Inconel 718 | |
| CN112518109B (zh) | 应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法 | |
| CN106513892A (zh) | 一种适用于中厚板铝/钢异种合金连接的双光束激光深熔钎焊方法 | |
| Kuryntsev et al. | The effect of laser beam wobbling mode in welding process for structural steels | |
| CN109158760A (zh) | 一种窄间隙扫描振镜激光-热丝复合焊接方法及装置 | |
| CN108436083A (zh) | 一种激光增材制造镍基高温合金脆性相的控制方法及装置 | |
| CN105364326B (zh) | 一种镁合金激光‑超声双面焊接的方法 | |
| CN105149764A (zh) | 一种靶材与背板的焊接方法 | |
| Cheng et al. | Processing modes in laser beam oscillating welding of Al6Cu alloy | |
| Gu et al. | Investigation of welding parameters on microstructure and mechanical properties of laser beam-welded joint of 2060 Al–Cu–Li alloy | |
| Ma et al. | Characteristic of keyhole, molten pool and microstructure of oscillating laser TIG hybrid welding | |
| CN110653477A (zh) | 改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺 | |
| Li et al. | Microstructure and mechanical properties of laser welded Ti-6Al-4V (TC4) titanium alloy joints | |
| CN113977080B (zh) | 一种镍基高温合金扫描激光焊接过程中抑制硬脆性Laves相形成的方法 | |
| CN112355458A (zh) | 一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法 | |
| Gong et al. | Study on stability and microstructure properties of oscillating laser welded 5A06 alloy with narrow gap | |
| CN109483053A (zh) | 一种高强镁合金厚板的激光复合焊接工艺方法 | |
| CN113828924A (zh) | 一种k438高温合金焊接方法 | |
| Tian et al. | The porosity formation mechanism in the laser-welded butt joint of 8 mm thickness Ti-6Al-4V alloy: effect of welding speed on the metallurgical pore formation | |
| 崔凌越 et al. | Microstructure and mechanical properties of laser welding-brazed aluminum alloy to steel with CuSi3 filler metal | |
| CN115958296B (zh) | 一种激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接成形方法 | |
| Peng et al. | Comparisons of microstructure and mechanical properties of MAG joints welded under 2G and 3G conditions | |
| TWI726797B (zh) | 提升鎳基超合金銲接強度之方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |