CN114505576B - 镍基合金/铝合金或铝异种材料激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开镍基合金/铝合金或铝异种材料激光焊接方法，属于激光焊接技术领域。通过双金属三层复合结构设计、激光束光斑位置调整以及激光功率和焊接速度优化等措施，合理分配激光能量，控制镍基合金/铝合金异种材料的稀释率，减少薄板铝合金元素向镍基合金熔池扩散，改善多组元不对称非平衡熔体界面层生长行为和化学冶金反应的不均匀性，抑制复合结构反应界面中间过渡层有害Ni‑Al脆硬金属间化合物形核和长大，增加面心立方结构镍基固溶体的数量，缓解凝固过程中界面内应力，解决两种材料焊缝脆性断裂问题。较好实现了既要增加熔深，同时还要避免过多铝熔化的矛盾，兼顾结构多层次轻量化和接头组织性能稳定，为航空航天和船舶建造工艺提供技术指导。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及镍基合金/铝合金或铝异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，可用于航空航天和船舶等工业应用领域。
背景技术
为了兼顾成本、质量和安全，充分发挥材料性能优势，镍基合金和铝合金异种材料焊接是航空、航天、汽车、微电子和石油化工制造业中工程材料结构轻量化重要发展趋势，可实现节能环保。目前镍基合金和铝合金的同种材料焊接技术主要包括电弧焊、电子束焊、激光焊和激光-电弧复合焊等熔焊方法，以及钎焊、扩散焊和搅拌摩擦焊等非熔化焊接方法。由于材料物理化学性能、冶金性能、电化学性能和力学性能差异，对接熔焊过程中，两种材料熔化量不同，由于密度差异，液态铝浮在镍液熔池上部，焊缝凝固后组织成分不均匀。固液界面易形成一系列结构复杂、分布不均匀和不稳定的富铝脆性金属间化合物和复相反应层，例如NiAl3、Ni2Al3和NiAl等，出现气孔和裂纹冶金缺陷，有效焊缝连接部位尺寸减小，严重影响焊缝成型和接头性能，成为薄弱部位。此外，镍基合金为硬金属，铝合金为软金属。焊缝冷却收缩过程中会有很大的残余应力和变形，各种因素综合作用，金属间化合物层开裂，容易产生贯穿裂缝，导致接头质量下降，不能满足工程应用要求。这是目前镍基合金与铝合金异种材料不能直接熔焊的最主要原因，二者焊接性差，仅通过改变热输入抑制多元硬脆金属间化合物反应层厚度和控制微观动态冶金反应过程，本身具有局限性，未能实现焊缝组织致密结合，采用传统的焊接方法难以解决，问题日益突出。镍/铝异种材料熔焊的过程是一个非平衡不均匀的过程，接合界面冶金反应的不均匀性，导致界面上金属间化合物层的厚度分布更加不均匀，对连接方法要求比较苛刻。高焊接热输入有利于增加焊缝熔深，有利组织均匀性和改善焊缝成型，但严重恶化合金元素蒸发烧损和Ni-A1脆硬金属间化合物的生长，焊缝产生断裂。这两者是矛盾的，所以要选择合适的焊接工艺，保证焊接接头的力学性能。激光焊能量密度高，热输入量小，束斑直径、作用位置和加热范围精确，焊接速度快，效率高，适用于异种材料的可靠连接。如果镍基合金和铝合金异种材料焊接采用激光熔钎焊，激光加热温度高有利于液态铝的流动性以及与镍的界面反应。熔化熔点低的铝合金，促进铝合金熔体与镍基合金熔体混合的扩散反应、接触面润湿铺展和毛细作用，但也遇到同样的问题。先进高温结构材料Inconel 718镍基合金(相当于国产GH4169)具有高温组织稳定性，抗氧化腐蚀，优异的焊接性和力学性能，价格昂贵。5083H116防锈铝镁合金质量轻，比强度高，焊接性和耐腐蚀性能好，价格低廉。二者主要用于航空航天、船舶和电力能源等领域。由于应用的广泛性和交叉性，将这两种材料焊接形成复合结构十分必要，亟待解决。避免异种材料焊接冶金不相容限制和瓶颈，降低制约冷却系统镍基合金和铝合金异种材料复合结构过渡接头焊接工艺技术的难点是迫切需要解决的问题。随着使用环境日益复杂，对冷却系统换热及抗腐蚀零部件的要求越来越高，要求不断改进和完善焊接结构，无论在深冷还是高温条件下都广泛使用。迄今为止，国内外关于镍基高温合金/防锈铝合金激光焊接工艺尚未见报道。本发明对突破Inconel 718/5083H116异种材料焊接的瓶颈，提高焊缝整体性能有重大意义。镍基合金/铝合金异种材料复合结构能够同时满足轻量化和结构性能要求，逐步取代单一镍基合金结构件，具有广泛的实际应用价值。从改善焊缝宏观形貌的角度出发，采取新工艺措施、采用新结构和选择合适的焊接方法，减少焊缝中铝的熔化量，通过界面反应热力学和扩散动力学，控制激光小孔深熔焊界面反应层的元素分布、微观组织结构特征、形貌和缺陷，改善焊接接头力学性能。为镍基合金/铝合金优质高效的焊接开辟新途径，扩展激光焊接的应用范围，对可持续发展具有重要意义。
发明内容
针对镍基合金/铝合金异种材料直接对接焊结合界面上脆性金属间化合物分布不均匀、焊后立即产生贯穿裂纹和导致焊缝直接脆性断裂的问题，采用镍基合金中间叠夹铝合金异种材料对接复合结构为改善靠近铝侧接触界面区形貌、过渡层组织、熔液的相容性和焊接结构尺寸稳定性提供了可能性。抑制富铝多元金属间化合物，缓解界面内应力，增加焊缝有效连接面积，避免应力集中，提高接头的力学性能。采用简单对接结构形式，正确制定焊接工艺减小焊接热输入，虽能够一定程度改善焊缝组织性能，但由于Ni-Al复杂脆性金属间化合物的存在和反应后放出的热量，使组织性能的提高受到一定限制。从相变反应热力学和原子扩散动力学的角度，合理的界面反应层生长行为、可控的熔池界面温度分布、界面间的稀释率和合金化是确保焊接质量的关键。复合中间层焊接结构设计、合理的激光束作用位置和焊接热输入控制三个途径是焊缝表面成形改善的关键因素，脆性金属间化合物的减少，促进了焊缝综合性能和焊接性的进一步提高，有效解决了异种材料对接焊缝开裂问题，使其具备独特的优势。同时，也减少了内部裂纹和气孔等焊接缺陷。
1)复合中间层焊接结构设计，上层与下层为镍基合金，薄铝板作为中间夹层，母材之间结合紧密。激光作用在镍基合金上，由于镍基合金和铝合金熔点相差大，且层与层之间存在间隙，当镍基合金熔透焊时，由于镍层和铝层相互结合充分，自上而下熔池瞬态热传导熔化铝层，铝层中部对接面仅有靠近镍侧的部分熔化进入熔池，减少熔化量，焊缝主要由镍基合金组成，弱化了富铝金属间化合物对接头性能的影响。由于铝的热导率大，通过对流与热传导很多热量散失，调整接触面热分配，避免了复杂的界面结构。异种材料复合板材中间夹层结构是能量耗散结构，增加了裂纹扩展阻力的能耗，减少了塑性变形和微观组织转变，延缓裂纹的萌生和扩展，降低了接头整体应力水平，具有较高抗裂性。此外，也减少铝镁合金中低熔点和沸点镁元素在高温熔池剧烈的蒸发、烧损和飞溅，避免熔池严重过热。同时也提高了材料对激光的吸收率，避免了铝合金表面对激光的高反射率。
2)合理的激光束作用位置，将激光束偏向镍基合金一侧，激光能量主要集中在镍侧，镍基合金熔化多。控制界面结构和铝合金的熔化量，减弱中间铝层熔池成分分布不均匀性，显著改善镍液和铝液之间浓度梯度，通过固液界面成分控制界面冶金反应过程。采用激光束偏束方法，两侧金属传热和熔化不均匀，热量传递到铝中间层较少。控制铝与镍的熔合比，减少熔池中铝的含量和过渡区尺寸，避免镍液和铝液大量混合。增加焊缝中镍基固溶体的数量，减少异种材料性能差异对焊缝的影响，对焊接冶金过程控制提出更高的要求。调整激光束在熔池两侧的能量分配和两种金属熔化量，进而控制接头薄弱区域金属间化合物的数量，提高焊缝致密度、组织稳定性和相结构稳定性等潜在因素。焊缝金属与铝合金母材过渡平缓，具有裂纹扩展抗力，单面焊双面成型，获得未开裂的焊缝。
3)焊接热输入控制，激光焊能量密度高，焊缝深宽比大，能量精确可调，易于控制熔池尺寸和异种材料熔合比，减小焊接结构变形，有利于实现激光小孔熔透焊缝成形。通过优化激光束能量大小和分布，减弱了Ni-Al相互反应扩散驱动力。利用动力学上的迟滞扩散效应，有效减少铝在镍熔池中的扩散，减少了镍与铝接触面积。通过激光焊低热输入高效焊接工艺参数，优化熔池温度分布和界面反应时间等相变驱动力，例如低的激光功率、快的焊接速度和小的离焦量，抑制熔池流动和熔池不稳定性，减小反应界面脆性金属间化合物厚度，减少反应层界面开裂和残余应力，协调接头应力应变不均匀和力学性能不均匀，大幅度提高接头塑性、韧性和强度，避免脆性断裂。两液态金属在界面反应时间短，减缓脆性金属间化合物的产生，减少镍基合金/铝合金之间的冶金反应。对焊接热循环过程和凝固条件要求比较苛刻，工艺参数的匹配及调节范围窄。
结合焊接工艺、焊接结构和焊接冶金，建立焊接工艺参数、焊缝形貌、接触界面反应区和两侧金属熔化区显微组织、相变和接头力学性能之间的关系，提出中厚板镍基合金/铝合金异种材料复合结构不对称接头抑制脆性金属间化合物的措施。采用本发明可以同时满足焊缝外观形貌与接头整体力学性能的双重需求，改善焊接质量，凸显在实际应用中的优势和可行性。这种双金属三层材料复合结构过渡接头大幅度减轻重量，提高工程应用设计水平。
为实现上述目的，采用镍基合金/铝合金或铝异种材料复合板材结构激光焊接方法的技术方案，具体步骤如下：
a)焊接试样表面清理，焊前对焊接表面预处理，去除氧化膜和油污，确保材料表面清洁没有污染物，表面粗糙度为4-6um。
b)复合中间夹层结构焊接试样装配，为达到理想的焊接效果，焊接结构设计是必不可少的步骤。接头形式为两金属三层材料复合中间夹层结构，上层和下层为镍基合金，中间层为铝合金。两块“L”台阶型镍基合金板之间放置长方形铝合金中间层，镍基合金覆盖在铝合金板上，台阶状接头结构相互对接契合。中间层铝合金厚度为1mm，宽度为5mm。板材装配固定保证上下层镍基合金对接接触面之间以及中间层铝合金与镍基合金接触面之间平直，结合紧密，确保材料之间装配间隙小于0.05mm。镍基合金板厚5mm，台阶型长边宽100mm，短边宽95mm。台阶层高度为2mm，台阶层宽度为5mm。两种材料长度均为300mm。
c)激光束偏置一定距离，采用连续高光束质量的激光焊设备进行焊接，焊接时激光斑点沿上层对接中心线偏置高熔点镍基合金一侧。上层和下层镍基合金熔化形成深熔小孔熔池，镍基合金母材元素溶解到熔池，中间层低熔点铝合金接触面在熔池热传导作用下部分熔化，形成液相，铝合金母材元素溶解到熔池，避免铝合金熔化量过多。两材料均能熔化，形成同一熔池。焊接完成后，形成上层、中间层和下层连接的复合接头结构。
d)焊接热输入控制，优化焊接工艺参数，激光功率、焊接速度和离焦量，调整热输入控制不对称熔池大小和能量分配，使接触界面低熔点铝合金少量熔化，控制熔池冶金反应。避免两种金属大量液态混合，.减少镍和铝相互扩散，减小扩散反应层和中间过渡层尺寸。焊缝中镍的浓度增加，铝的浓度减小，改变焊缝化学成分，抑制靠近铝侧Ni-A1脆硬金属间化合物生成，限制微观组织分布，获得塑性较好的单一γ相镍基固溶体，降低接头脆性，实现镍基合金/铝合金异种材料高质量高效率全熔透焊接。焊接热输入大产生大量脆性相，而热输入小熔深达不到要求，两者均不利于接头性能的提高。
所使用的光纤激光设备的优化焊接工艺参数范围是：激光功率2～3kW，焊接速度0.5～1m/min，负离焦量-1～0mm，焊接过程采用高纯度氩气保护，氩气流量20L/min。焊接工艺参数匹配，采用低的激光功率、快的焊接速度和小的光斑尺寸，改变焊缝中镍与铝熔合比，减少铝侧熔化量，防止未熔合、未焊透、气孔和裂纹等焊接缺陷。抑制有害界面脆硬金属间化合物，获得镍基固溶体和细化镍侧枝晶尺寸，减少偏析。通过复合结构设计缓解焊接应力和变形，进一步降低不利因素，避免焊缝脆性断裂。改善焊缝表面成形和界面结合性能，提高接头连接强度和塑性。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.双金属复合焊接结构和控制能量输入及分布焊接工艺等措施有效的阻止铝在多组元镍基合金溶池中的扩散，改变焊缝化学成分，抑制镍基合金/铝合金界面脆性复相反应层形成和长大，缓解界面处的内应力，减少接触界面微观组织开裂，提高焊缝抗裂性能。改善焊缝成型质量和焊接性，得到稳定可靠接头连接，接头抗拉强度达到112-231MPa，达到铝合金母材的72％。
2.实现镍合金/铝合金异种材料从上至下全熔透小孔三层有效连接焊缝，焊缝上下表面成形均匀美观，具有鱼鳞纹特征，过渡圆滑，无明显焊接缺陷。焊接结构形状和尺寸易于加工，减小焊接难度，结构紧凑，易于实现，重复性好，实际可行。使异种材料焊接结构设计理念发生变化，突破技术瓶颈。兼顾结构轻量化和结构性能的要求，具有很大应用潜力。
3.对铝侧焊缝中铝的熔化量限制，减少脆硬金属间化合物，同时也能够对镍侧焊缝组织细晶强化，改善接合界面化学冶金反应不均匀性，控制凝固过程中微观组织，提高力学性能。不需要使用焊丝或者钎料，降低环境污染节约成本。深化对异种材料激光焊接非平衡相变理论和界面化学冶金反应的认识，具有重要的指导意义，为异种材料低热输入、高效和经济的连接开辟新途径。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1.本发明激光焊接方法示意图
图2.本发明复合夹层接头结构和激光束作用位置示意图
图3.本发明镍基合金/铝合金异种材料焊缝横截面宏观形貌照片
其中，1-“L”台阶型镍基合金板；2-铝合金板；3-“L”台阶型镍基合金板；4-激光束光斑中心；5-上层对接中心线；d-激光束光斑与中心线的距离。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式，本发明采用复合夹层结构镍基合金/铝合金异种材料激光焊接方法，一次焊接同时形成三层焊缝的复合过渡接头。通过激光束偏置，改变激光能量在焊缝两侧的能量分配，进而控制焊缝化学成分，抑制铝侧脆硬Ni-A1金属间化合物的产生。获得塑性较好的镍基固溶体，提高接头的强度，降低接头脆性，改善焊缝成型质量，实现异种材料焊接。
实施例1
如图1所示，首先，镍基合金板1，3和铝合金板2焊前表面处理，去除污染物，表面粗糙度为4-6um。镍基合金板1和3材质和尺寸相同，镍基合金板1，3和铝合金板2长度相同。将铝合金薄板2水平放置在镍基合金板3台阶层上，镍基合金板1台阶层放在铝合金薄板2上，将两块镍基合金板1和3对接。采用装配夹具固定，紧密接触，降低装配间隙，自上而下形成镍基合金板1-铝合金板2-镍基合金板3的两金属三层复合结构。
其次，激光束光斑中心4位于镍基合金3侧，偏置上层表面对接中心线5一定距离d。激光光斑焦点设定在上层镍基合金板内部1mm的位置，调节激光束4与上层对接中心线5之间的距离d，控制中间层铝板2的熔化量和熔池冶金反应。
然后，精确控制焊接工艺参，优化激光功率和焊接速度。焊接方向平行上层对接中心线5，焊接时激光束4沿板材长度方向焊接，作用在高熔点镍基合金一侧，使复合结构上下层镍基合金板1和3充分熔化，在镍基合金板1熔池热传导作用下，低熔点中间层铝合金薄板2接触面部分熔化，阻止铝和镍元素的相互扩散，改变脆性金属间化合物的数量、形态和分布。焊接完成后，形成包含上层镍基合金板1焊缝、中间层铝合金板2焊缝和下层镍基合金板3焊缝全熔透小孔形状三层熔池复合结构的接头。减少铝的浓度，增加镍的浓度，避免界面处两种液态金属混合时熔入过多的铝合金形成复杂脆硬相，从而阻止Ni-A1冶金反应，改善熔池化学成分。得到塑性较好的镍基固溶体，缓解界面间内应力和应力集中，改善接头力学性能。
本实施例采用光纤激光焊设备焊接，焊接工艺参数为激光功率2kW，焊接速度0.6m/min，负离焦量-1mm，熔池氩气保护气流量20L/min，激光束与上表面中心线偏束距离d为1mm，完成焊接。镍基合金板为非定向凝固Inconel 718镍基高温合金，化学成分(质量百分数)为Ni≤52.38％，Cr≤19.31％，Nb+Ta≤5.07％，Mo≤3.12％，Ti≤1.02％，Al≤0.5％，Si≤0.04％，C≤0.02％，Mn≤0.02％，Cu≤0.02％，Fe余量。铝合金板为5083H116铝镁合金，化学成分(质量百分数)为Mg 4.4％，Mn 0.48％，Fe 0.34％，Si 0.138％，Cr 0.065％，Cu0.037％，Ti 0.029％，Zn 0.012％，Al余量。复合接头结构具体尺寸如图1和2所示，Inconel718/5083H116异种材料复合结构焊缝横截面形貌如图3所示，实施结果表明，全熔透小孔形状焊缝，焊缝无明显裂纹、气孔、未熔合和未焊透等焊接缺陷。根据国标GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸实验方法》测试拉伸性能，试样的断裂位置位于上层镍基合金与中间层铝合金焊缝侧，室温接头抗拉强度达到202-231MPa。
实施例2
本实施例焊接方法基本同实施例1，不同的是本实施例中激光束与上表面中心线距离d为0.5mm。测试焊接接头拉伸性能，试样断裂位置位于上层镍基合金与中间层铝合金焊缝侧，室温接头抗拉强度达到171-184MPa。
实施例3
本实施例焊接方法基本同实施例1，不同的是本实施例中激光功率2.3kW，焊接速度0.8m/min。测试焊接接头拉伸性能，试样断裂位置位于上层镍基合金与中间层铝合金焊缝侧，室温接头拉伸强度达到159-171MPa。
实施例4
本实施例焊接方法基本同实施例1，不同的是本实施例中激光功率2.3kW，焊接速度0.8m/min，激光束与上表面中心线偏置距离d为0.5mm。测试焊接接头拉伸性能，试样断裂位置位于上层镍基合金与中间层铝合金焊缝侧，室温接头抗拉强度达到112-116MPa。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.镍基合金/铝合金或铝异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
a)接头形式为两金属三层材料复合中间夹层结构，将铝合金或铝薄板(2)水平放置在镍基合金板(3)台阶层上，镍基合金板(1)台阶层放在铝合金或铝薄板(2)上，台阶状接头结构相互对接契合，自上而下形成镍基合金板(1)-铝合金或铝薄板(2)-镍基合金板(3)的两金属三层复合结构，焊前经表面预处理，装配固定；
b)采用激光焊设备焊接，精确调整激光束光斑位置，光斑位于高熔点镍基合金板(3)一侧表面，激光光斑焦点位于镍基合金板(3)内部；
c)优化激光功率和焊接速度进行焊接，合理分配热输入使上下层镍基合金一侧充分熔化，而中间层低熔点铝合金一侧少量熔化，熔池中镍元素浓度增加，铝元素浓度减少，改善熔池冶金性能；改变焊缝化学成分，抑制熔池凝固过程中铝侧Ni-Al脆硬金属间化合物生成，促进镍侧焊缝组织细晶强化，获得塑性较好面心立方结构镍基固溶体，改善焊缝两侧微观组织，降低接头脆性开裂，提高焊接性和抗裂性，实现异种材料小孔全熔透三层复合结构可靠连接；改善焊缝上下表面成形，避免裂纹、气孔、未熔合和未焊透等焊接缺陷。
2.根据权利要求1所述的镍基合金/铝合金或铝异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，其特征在于所述步骤a)中，镍基合金为非定向凝固镍基合金、定向凝固镍基合金或者单晶镍基合金，铝合金为2系列铝铜合金、3系列铝锰合金、4系列铝硅合金、5系列铝镁合金、6系列铝镁硅合金或7系列铝锌合金，铝为1系列工业纯铝。
3.根据权利要求1所述的镍基合金/铝合金或铝异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，其特征在于所述步骤b)中，激光束光斑偏置高吸收率镍基合金板(3)一侧表面，距离两块镍基合金对接中心线d＝0～1mm。
4.根据权利要求1所述的镍基合金/铝合金或铝异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，其特征在于所述步骤b)中，激光光斑焦点位于镍基合金板(3)内部负离焦位置-1～0mm。
5.根据权利要求1所述的镍基合金/铝合金或铝异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，其特征在于所述步骤b)中，激光光束类型为CO2气体激光光束、Nd：YAG(掺钕钇铝石榴石)固体激光光束、半导体激光光束、盘式激光光束或光纤激光光束，光束的横截面是高斯分布圆形光斑。
6.根据权利要求1所述的镍基合金/铝合金或铝异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，其特征在于所述步骤c)中，激光功率为2～3kW。
7.根据权利要求1所述的镍基合金/铝合金或铝异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，其特征在于所述步骤c)中，焊接速度为0.5～1m/min，一次焊接同时形成镍基合金-铝合金-镍基合金双金属三层焊缝复合结构接头。
8.根据权利要求1所述的镍基合金/铝合金或铝异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，其特征在于所述步骤c)中，控制异种材料稀释率，改变焊缝化学成分和界面化学冶金反应，阻止镍和铝元素相互扩散，抑制接触界面富铝Ni-Al金属间化合物，获得镍基固溶体，减弱接头脆性，提高接头强度。
9.根据权利要求1所述的镍基合金/铝合金或铝异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，其特征在于所述步骤c)中，优化焊接工艺参数减少脆硬金属间化合物，一定程度缓解界面内应力，降低接触界面残余应力和应力集中，得到无明显裂纹的高质量焊接接头。
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