CN114505577A - 铝合金/镍基合金或镍异种材料激光焊接方法 - Google Patents
铝合金/镍基合金或镍异种材料激光焊接方法 Download PDFInfo
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Abstract
铝合金/镍基合金或镍异种材料激光焊接方法，属于焊接技术领域。利用非线性能量耗散复合结构和优化激光束偏移量、离焦量、激光功率和焊接速度等工艺参数，通过相变热力学、扩散动力学和流体力学调整铝合金/镍基合金异种材料界面组织与结构演变、熔池冶金反应和相变过程，控制不对称熔池几何尺寸、稀释率和界面浓度梯度，限制有害非平衡Ni‑Al复相反应层析出相。增加界面有效连接面积，形成塑性较好α‑Al铝基固溶体和γ‑Ni镍基固溶体，协调塑性变形，缓解界面内应力，减小焊缝残余应力。熔池微合金化对焊缝的细晶强化作用与脆硬金属间化合物析出相引起的脆化效应相互抵消，提高抗裂性能，解决铝合金/镍基合金焊后脆性断裂问题，用于航空航天和船舶建造。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，属于激光焊接技术领域。
背景技术
镍基高温合金和铝合金使用具有广泛的交叉性，如何将其连接提高焊缝的抗裂性能和结构稳定性，改善微观组织和力学性能，成为制约两金属复合结构在工程中应用的最大技术瓶颈。异种材料之间物理化学、冶金和力学性能的差异导致其要比同种材料之间的焊接性要差，焊接过程复杂。在铝合金部分代替镍基合金的应用中，铝合金/镍基合金异种材料轻质复合结构焊接是必由之路，势在必行，为焊接产品成本、体积、质量和结构更加趋于合理化提供新的解决方案。受母材自身焊接性的影响，铝合金和镍基合金采取平板对接直接熔焊时，由于不对称熔池不能同步熔化，焊后立即开裂，限制了接头有效连接和结合强度进一步提高，焊接质量难以保证。根据富铝侧Ni-Al二元相图，轻质防锈铝合金/镍基高温合金异种材料焊接两种液态金属混合形成同一熔池，接触界面发生共晶和包晶相变反应，易产生大量结构复杂和形状不稳定的金属间化合物复相反应层，例如Al3Ni、Al3Ni2、AlNi、Al3Ni5和AlNi3。这些脆硬相塑韧性差，降低接头热变形能力，是焊缝连接最薄弱部位和裂纹源，残余应力恶化接头性能，在各种因素综合作用下，出现脆性断裂。铝镁合金熔池流动充分，润湿角小，促进铝熔体在镍基合金表面流动润湿铺展，导致镍基合金元素向铝熔体不均匀扩散溶解和界面冶金反应。镍与铝的晶格类型相同，均为面心立方结构FCC，具有较高的塑性和韧性，高温液态相互扩散固溶。由于化学成分梯度、温度梯度和应力梯度，为实现两种材料的焊接对液相快速凝固过程中焊接冶金化学反应的控制要求苛刻。防锈铝镁合金5083H116是航空航天和船舶建造领域广泛应用的轻质结构材料，轧制态不可热处理变形铝合金，具有密度小，耐腐蚀，强度高和延展性好易加工成型等一系列优点。价格低廉，节约成本。Inconel 718镍基合金是沉淀强化奥氏体高温结构材料，价格昂贵，具有优异耐腐蚀，抗高温氧化，抗高温蠕变和疲劳等综合力学性能和高温组织稳定性。同种材料焊接技术渐趋成熟，二者的各自焊接性能好。为了兼顾成本和质量，如果实现将高强度防锈铝镁合金与镍基高温合金异种材料板材连接，用于冷却散热系统，可以大幅度减轻结构重量，无论在深冷还是高温条件下能够保持稳定的组织和性能，可满足有色金属焊接性能和使用性能多样化要求，成为技术发展的主导方向。从试验角度必须探究铝合金/镍基合金异种材料间的组织控制与工艺优化，以满足实际应用的需求，发挥不同材料的性能优势，对突破5083H116/Inconel 718异种材料焊接瓶颈具有推进作用和工程应用价值。
迄今为止国内外对铝合金/镍基合金异种材料焊接尚未见相关研究报道，异种材料常用的焊接方法有激光熔钎焊、激光-电弧复合热源熔钎焊、电子束熔钎焊、MIG和TIG电弧熔钎焊以及CMT冷金属过渡熔钎焊等，这些工艺需添加钎料，引起残留钎料腐蚀和环境污染，增加成本，工艺复杂，生产效率低。扩散焊通常在真空或保护气氛条件下完成，设备复杂，效率低，成本高。而搅拌摩擦焊受接头形式和焊接尺寸形状限制，工艺流程复杂繁琐。这些焊接方法在实际应用中存在一些缺点，目前国内外异种材料焊接合理的焊接技术有激光焊、电子束焊或等离子弧焊接，这些方法主要集中在两种途径，一是添加合适的中间层或母材表面电镀，防止金属间化合物产生；二是工艺参数匹配，调整两种材料的熔化量，严格控制接触界面反应产物及结构稳定性。但前者会引入其他脆硬相和残余应力，工艺参数调节范围狭窄，现有的焊接工艺技术对于铝合金/镍基合金异种材料复合板材结构过渡接头的制造仍然存在难度。与其他焊接方法相比，激光焊接技术具有焊缝深宽比大，能量集中精确可调，熔池尺寸和母材熔化量可控，能量密度高，热输入小，灵活方便，高温停留时间短，焊接速度快，生产效率高，结构变形和残余应力小，可焊材料范围广，适应性强和再现性好，易于实现自动化生产等诸多优点，成为异种材料最有发展前景的焊接方法之一。能进一步拓宽激光焊的应用领域，为先进制造业和激光材料加工发展带来前所未有的发展契机。镍基合金对激光吸收率高，焊缝成型饱满美观，铝镁合金激光焊高温熔池内部低熔点及低沸点的元素易蒸发、烧损和飞溅。小孔熔透焊情况下，熔池温度过高，液态金属表面张力小，黏度低，熔池局部塌陷，液体从焊缝背面流失，影响焊缝成型。小孔熔池不稳定，容易形成气孔和凝固裂纹等缺陷。此外，β(Al3Mg2)强化相烧损，焊缝化学成分变化，接头软化严重降低性能。铝合金对激光反射率高且表面有致密氧化膜，对常用的工业激光，如波长1.06～10.6微米激光吸收率低，深熔小孔焊临界功率密度阈值大，这是由本身光学性质所决定。只有选用合理的焊接方法，制定正确的焊接工艺，采取适宜措施，各个参数之间相互协同作用，改变熔池的热输入与热应力分布，稳定焊接过程，才能获得满意的异种材料焊接接头冶金结合，优化整体结构性能。
发明内容
本发明通过焊接结构、焊接工艺和焊接冶金一系列有针对性地措施，改善铝合金/镍基合金异种材料焊缝微观组织和力学性能，获得无表面和内部缺陷的焊接接头，成为低热输入高效可行的焊接方法。
1.铝合金/镍基合金双金属异种材料复合中间层焊接结构设计是改善焊接性的重要途径。上下层为铝合金，中间层为镍基合金，焊接时侧吹保护气体消除光致等离子体，促进自上而下小孔深熔焊，是动态加热过程。高温停留时间、冷却速度和反应温度等因素影响合金元素的扩散反应、界面过渡层的相分布以及微观组织。采用这种双金属复合结构不但获得弥散分布尺寸细小的界面金属间化合物，同时也增加异种材料焊缝区接触界面的面积，协调塑性变形，提高抗裂性能。薄板镍基合金抑制镍向铝熔液中的扩散，改变焊缝化学成分，从而起到减少金属间化合物的作用，焊缝主要是塑性较好的α-Al铝基固溶体和γ-Ni镍基固溶体。随着镍元素含量的减少，增加元素间的相容性，铝元素含量所占比例增加，降低残余应力和接头脆性，大幅度提高焊接性和接头力学性能。同时多组元镍基合金中的其他元素，例如Ti和Mo对铝焊缝微合金化，过冷度增加，起到细晶强化作用，微观组织致密。增强固溶体中原子间结合力，晶界数量增多，减少应力集中，延缓裂纹的萌生和扩展。此外，利用反应液相层的阻隔延迟效应，也弱化了有害脆硬相的生成。减小镍基合金尺寸，从而消弱铝合金和镍基合金两种材料物理和化学性能差异对焊接性的影响。双金属复合中间层焊接结构是一个非线性能量耗散体，增加塑性变形、结构转变和微观组织演变的能耗以及裂纹扩善的阻力。
2.焊缝工艺参数选择优化，调整焊接热输入及分布。过厚或者过薄的金属间化合物层对焊缝的力学性能不利，适宜金属间化合物层的厚度，有利于避免接头不均匀的应力应变和不均匀的力学性能。改变激光功率和焊接速度，精确控制母材焊接热循环过程，各个参数之间相互协同作用，有利于调节焊缝熔深、熔池界面峰值温度、浓度梯度和反应时间等凝固条件，增加金属间化合物的数量，改变相的形貌和分布范围。激光束对熔池进行冲击搅拌，铝合金黏度和密度小形成接触界面流体强制对流，利用非对称熔池流体动力学规律，驱动流体传热传质形成涡流。有助于加剧熔池中的冶金反应，导致富铝金属间化合物卷入旋涡，在焊缝中细小弥散分布，具有抗裂性能。促进不对称熔池内部充分流动和元素扩散反应，热扩散充分，元素之间相互作用，形成金属间化合物层，确保界面结构和冶金结合。金属间化合物形核质点多，导致尺寸减小，分布不均匀。通过熔池对流破碎金属间化合物和树枝晶，使之随液态金属流动到焊缝，是焊缝组织和性能改善的决定因素之一。低热输入稳定熔深，控制焊缝几何形状，避免熔池塌陷，改善焊缝成型。避免熔池过热剧烈波动、合金元素蒸发和烧损，减少飞溅。采用合适的焊接工艺参数既保证彻底熔化中间层镍基合金薄板，两种液态金属混合，又避免全熔透熔池，母材熔化较多，液体背面流失，焊缝凹陷。实现大部分焊缝以固溶体成分过渡的渐变过程，微观组织结构主要由铝基固溶体和镍基固溶体组成，增大焊缝组织塑性，同时满足这两个条件对焊接热输入要求严格。深熔焊时激光束引起熔池金属波动，小孔不稳定，因此控制热输入抑制熔池金属紊流，同时减少气孔缺陷。焊接热循环存在一个最佳的热输入范围工艺规范，此时接头强度较高。
3.激光光斑偏移量、激光束倾斜角度和离焦量调整异种材料稀释率，控制异种非互溶材料熔体界面析出相动态行为，改善焊接冶金反应。激光焊接是局部加热过程，极快的加热和冷却速度，改善焊接冶金反应，从熔池上部到底部金属间化合物过渡层厚度小而且分布不均匀。界面温度分布不均匀，存在强界面反应区和弱界面反应区。通过相变热力学和扩散动力学，改变析出相的形貌、数量、分布、种类以及析出的先后顺序，控制快速凝固过程中Ni-Al金属间化合物的形核与长大，改善接触界面组织成分和性能，提高界面结合力，缓解界面内应力和应力集中。激光束位置偏移限制中间层镍基合金的熔化量，实现两种材料之间热量重新分配，增大焊缝中异种材料的熔化尺寸和有效连接面积，促进元素相互扩散，改变非平衡不均匀过程焊缝化学成分和元素分布，避免边界效应，降低裂纹敏感性，进而更好的控制熔池凝固过程中界面反应过程、非平衡相和焊缝组织。铝母材熔化量较多，铝元素不停向镍侧扩散，由于镍基合金板较薄，可避免连续分布富铝金属间化合物层出现。焊缝组织由固溶体和金属间化合物组成，铝为软金属，塑性好，同步协调金属间化合物引起的变形，可以起到缓解内应力的作用。通过减薄镍基合金板，弥补接触界面有害富铝金属间化合物对接头性能的影响，铝合金焊缝合金化引起的组织细晶强化作用抵消富铝脆硬金属间化合物引起的接头脆化效应。接头从无法有效连接到焊缝表面成形连续美观，焊缝性能整体提高，得到具有一定强度和塑性的可靠接头。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现，包括如下步骤：
a)采用双金属异种材料复合中间层焊接结构设计，上下层为铝合金板，中间层为镍基合金薄板，上下两层铝合金板对接，板材用夹具装配固定，确保接触面相互紧密贴合。减小镍基合金板的厚度，降低熔池中镍的熔化量。
b)激光束倾斜入射减少铝合金表面对激光束的反射，同时也避免焊接过程中由于反射率高，对激光器光学系统造成损伤。调节热输入，提高上层铝合金对激光能量利用率和焊接效率，降低能量损耗。另外，通过偏转激光入射角，有助于接触界面能量分布均匀，改善小孔深熔焊中间层镍基合金的对流和热传导，在板厚方向上能量有效传输，实现两种材料深熔焊。
c)调节激光束偏移量，控制异种材料稀释率。焊接时激光光斑照射上层低熔点铝合金，偏置中间层镍基合金侧，上层铝合金板和中间层高熔点镍基合金薄板接触界面附近均能充分熔化，形成同一熔池。在上层铝合金熔池对流和热传导作用下，铺展浸润接触面中间层镍基合金，持续加热过程中镍基合金和铝合金母材溶解混合到液相，合金元素相互扩散，形成具有一定厚度的金属间化合物过渡层。若激光束偏移距离大，中间层镍基合金熔化量过多，与上层铝合金熔池发生剧烈反应，生成大量脆硬金属间化合物，降低界面结合强度，焊缝脆性断裂。若激光束偏移距离过小，铝合金热量在热传导过程中损耗大，不能实现高熔点中间层镍基合金薄板完全熔化，很难与低熔点上层铝合金板发生扩散反应形成冶金结合，镍基合金和铝合金接触界面小，元素扩散不充分，界面反应层厚度薄，材料界面结合力弱，无法形成有效连接。
d)调节激光离焦量，控制中间层镍基合金薄板熔池合金化。利用激光负离焦量小光斑尺寸，控制母材热输入，增加熔深。激光光斑位于上层铝合金，偏置镍基合金侧，激光焦点设定在上层铝合金内部，激光入射点和加热位置精确可控。铝合金和镍基合金充分熔化，熔池热传导作用下形成同一熔池。两种液态金属混合，中间层镍基合金薄板元素溶解到液相熔池，相互扩散冶金反应，对铝合金熔池微合金化，改善熔池化学成分，凝固过程中细化焊缝组织，起到细晶强化作用。接触界面大，提高冶金相容性和结合强度。离焦量过大时，光斑尺寸增加，激光可覆盖更大范围，单位面积上激光功率密度降低。离焦量过小时，光斑直径小，激光充分聚焦在工件表面附近，焊接热输入大，两种材料熔化量多，增加脆硬析出相的厚度。
e)调节激光功率和焊接速度，控制熔池流动行为。激光束对熔池搅拌，减小浓度梯度，破碎接触界面过渡层有害富铝脆硬金属间化合物层和树枝晶，使之细小弥散分布，减轻元素偏析。获得所占比例较多且塑性较好的铝基固溶体，改善焊缝塑性和微观组织。通过塑性变形，缓解界面之间热应力，减小应力集中和焊接残余应力，降低接头贯穿性裂纹脆性断裂风险，从而增加焊缝抗裂性能，提高异种材料界面结合力和接头强度，改变有害析出相的形态和分布是解决异种材料焊缝Ni-Al金属间化合物焊接开裂问题的有效途径。激光功率低或焊接速度快，异种材料熔化量不足，有效连接面积小，元素扩散不充分，消弱界面结合强度，不能实现致密连接，接头强度低。激光功率大或焊接速度慢，热输入过大，焊缝成型对热输入较为敏感，形成熔透贯穿小孔熔池，液态铝黏度、密度和表面张力小，而且导热快，液态金属从熔池背面流失，焊缝下榻凹陷，不利焊缝上下表面成型。此外，熔池温度高，合金元素蒸发烧损。焊缝晶粒粗化，同时界面也产生大量有害脆硬金属间化合物析出相，界面反应层厚，产生应力集中，导致焊缝开裂，承载能力降低，严重影响接头力学性能，两种情况均不利于接头强度增加。
f)为保证焊缝质量，焊接过程采用高纯度惰性气体氩气保护覆盖熔池，散热条件充分，有助于避免熔池过热合金元素烧损，细化焊缝组织，抑制元素之间相互扩散和界面金属间化合物长大。高反射率铝合金焊接过程中等离子体不稳定影响焊缝表面成形，同步侧吹高纯度氩气，抑制焊接过程中小孔上方产生光致等离子体对激光吸收和散射屏蔽作用以及对小孔熔池能量耦合的影响，减少能量损失，改善焊接过程稳定性以及焊缝表面成形。
g)采用光纤激光器设备进行焊接，优化的焊接工艺参数范围是激光功率2～3kW，焊接速度0.4～0.8m/min，离焦量-1～0mm，激光光束偏置距离0～0.7mm，倾斜入射激光束与竖直法线方向夹角5°～10°，高纯惰性气体氩气保护，气体流量20L/min。通过严格优化高能量密度激光焊接工艺参数，例如激光功率、焊接速度、激光偏移量、离焦量和激光倾斜角度，改善焊接质量，获得无明显表面和内部缺陷的焊接接头，实现铝合金/镍基合金异种材料高效率低热输入深熔小孔焊接。对焊接过程中焊接热输入、熔池温度分布和界面反应精确调节，控制界面反应形成一定数量的Ni-Al金属间化合物层是顺利实现异种材料焊接的必要条件。此外，改善不对称焊缝几何形状和熔池行为，也降低了焊缝开裂倾向。
本发明的有益效果在于：
1.通过焊接结构、焊接工艺和焊接冶金，改善不对称熔池微合金化、多元混合体系异种材料微观组织与接触界面过渡反应层结构及其力学性能，合理的热分配降低非平衡金属间化合物分布不均匀性，避免焊缝富铝金属间化合物开裂导致的脆性断裂，获得无裂纹缺陷深熔小孔形状焊缝，弱化焊缝裂纹敏感性，扩展先进高功率密度激光焊接的应用范围。
2.双金属复合结构焊缝中铝合金与镍基合金有效连接承载面积大，发生界面扩散化学冶金反应，微观组织细化致密，界面结合力大，增加接头强度，有助于接头综合性能进一步提高。稀释熔池中镍元素的含量，延缓凝固过程中脆硬析出相形核与长大，增大焊缝塑性，同步协调热变形，减小界面内应力和应力集中。低热输入焊接工艺参数具有可控性，兼顾组织与结构性能，凸显出独特的优势，具有广阔的工业应用前景，需求迫切，不可或缺。
3.焊接工艺参数与异种材料焊缝形貌、化合物界面层生长行为、微观组织、物相组成和力学性能相互紧密关联，优化影响异种材料焊接性的因素，为航空航天和船舶建造焊接技术提供新的发展思路和技术基础，从不同角度满足异种材料复合结构过渡接头焊接质量的要求。本方法无需添加第三种材料，实现两种材料在性能上的优势互补。较好的解决了既要增加熔深，同时还要避免大量脆硬金属间化合物的矛盾。装配简单，易于加工，结构尺寸稳定，高效可靠，方法简易可行，工艺适用性强，焊接过程稳定。与两种材料直接对接激光焊相比，焊缝抗拉强度增加25.4％，断后延伸率1％，本发明能够明显提高异种材料接头强度。
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本发明的异种材料激光焊接方法示意图
图2本发明激光束作用位置及异种材料复合结构尺寸示意图
图3实施例1中5083H116/Inconel 718异种材料焊缝横截面宏观形貌照片
其中，1-上层铝合金板；2-中间层镍基合金板；3-下层铝合金板；4-倾斜入射激光束；5-上层对接中心线；d-激光束与上层对接中心线距离；θ-激光束与竖直法线夹角
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，虽然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1至图3所示，针对铝合金/镍基合金异种材料焊接两种液态金属混合接触界面易生成大量连续分布Ni-Al脆硬金属间化合物，焊后立即断裂问题，本发明采用双金属复合中间层焊接结构激光焊接方法，通过优化激光功率、焊接速度、激光束偏移量和离焦量等焊接工艺参数，改变异种材料稀释率，调整焊缝化学成分，优化熔池冶金行为和流体流动行为，控制金属间化合物生长和析出相的种类、数量、形貌及分布，抑制非平衡富铝脆硬相。一方面，中间层镍基合金薄板中的Ti和Mo等合金元素对铝合金熔池微合金化，改变焊缝化学成分，细化焊缝晶粒，起到细晶强化的作用，改善微观组织与性能，冶金因素与力学因素之间相互协同，提高接头的塑形和强度。另一方面，激光束对熔池搅拌作用促进元素相互扩散，减小浓度梯度和偏析，破碎异种材料接触面富铝脆硬金属间化合物层，这些化合物随强制对流卷入焊缝中，弥散细小分布，改善焊缝的塑性，获得塑性较好的α-Al铝基固溶体和γ-Ni镍基固溶体，减少残余应力和应力集中，从而降低接头脆性，实现铝合金/镍基合金异种材料的焊接。通过熔池微合金化和非对称熔池传热传质流体动力学特点，抑制Ni-Al冶金反应产物脆硬相对焊缝性能的不利影响，控制微观组织分布，改善复合结构接头薄弱位置塑性和强度，提高焊缝抗裂性能。
实施例1
采用本发明的方法进行铝合金/镍基合金异种材料的焊接，从焊接结构、焊接工艺和焊接冶金三个角度改善焊缝塑性，缓解界面内应力，改善焊缝表面成形，提高焊接质量。铝合金材料为5083H116铝合金，镍基合金材料为Inconel 718非定向凝固镍基高温合金。Inconel 718镍基合金板化学成分(质量百分比)为Ni≤52.38％，Cr≤19.3％，Nb+Ta≤5.07％，Mo≤3.12％，Ti≤1.02％，Al≤0.5％，Si≤0.04％，Mn≤0.02％，Cu≤0.02％，C≤0.02％，Fe余量。5083H116铝合金板化学成分(质量百分比)Mg 4.4％，Mn 0.48％，Fe0.34％，Si 0.138％，Cr 0.065％，Cu 0.037％，Ti 0.029％，Zn 0.012％，Al余量。Inconel718镍基合金薄板厚度为1mm，宽度为5mm，长度为300mm。台阶型5083H116铝合金板厚5mm，底边长100mm，上边长95mm，台阶高度为2mm，台阶宽度为5mm，长度为300mm。上下两块铝合金板尺寸和材料相同，铝合金板与镍基合金板长度相同，试样的具体几何尺寸详见图1和图2所示。
首先，将中间层镍基合金薄板2放在铝合金板3台阶层上，台阶型铝合金板1与铝合金板3按顺序相互对接，水平放置，夹紧试样装配固定，形成铝合金板1-镍基合金板2-铝合金板3两金属三层结构。镍基合金板2作为中间层。
其次，调整激光束入射角、偏移量和离焦量等焊接工艺参数，焊接方向平行上表面对接中心线5，沿材料长度方向焊接。激光光斑位于上层铝合金板1，与对接表面中心线5的距离为d，且偏置镍基合金板2侧。激光束4与竖直方向法线夹角为θ倾斜入射在上层表面铝合金板1，光斑焦点位于上层铝合金板1内部。激光加热位置精确可控，优化激光能量输入位置和分配，控制镍基合金熔化量和熔池冶金反应。
然后，调节激光功率和焊接速度等焊接工艺参数，铝合金板1和镍基合金薄板2熔化。铝合金板1先熔化，通过小孔熔池动态对流和热传导能量传递到下面镍基合金板2，形成异种材料深熔小孔复合结构焊缝，减少凝固过程中焊缝界面处大量不平衡脆硬相。改善焊缝表面成形，实现无明显裂纹和气孔缺陷高质量冶金结合。焊接完成后，形成低热输入高效铝合金/镍基合金异种材料复合结构焊缝，如图3所示。
采用光纤激光焊设备进行焊接，优化的焊接工艺参数是激光功率2.6kW，焊接速度0.6m/min，离焦量-1mm，激光光斑偏置距离d＝0.5mm，倾斜入射激光束与竖直法线方向夹角θ为5°，焊接过程采用氩气保护，保护气体流量20L/min。测试异种材料接头室温拉伸性能，根据国标GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》，拉伸试验中接头断裂在上层铝合金焊缝，接头抗拉强度达到82MPa。
实施例2
本实施例焊接方法与实施例1不同的是，激光光束偏置距离为0.7mm，其他与具体实施例1方式相同，按照规范流程完成异种材料焊接。焊缝表面无明显缺陷，内部无气孔和裂纹，拉伸试验中接头断裂在上层铝合金焊缝，接头抗拉强度达到67MPa。
实施例3
本实施例焊接方法与实施例1不同的是激光功率2.2kW，焊接速度0.4m/min，其他与具体实施例1方式相同，按照规范流程完成异种材料焊接。焊缝表面无明显缺陷，内部无气孔和裂纹，拉伸试验中接头断裂在上层铝合金焊缝，接头抗拉强度达到69MPa。
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 (12)
1.铝合金/镍基合金或镍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)采用双金属中间层复合结构，上下层为台阶型铝合金板，中间层为镍基合金薄板，上下两层铝合金板对接，板材装配固定，接触紧密，水平放置。
b)采用激光焊设备进行焊接，通过优化焊接工艺参数改变焊缝化学成分，上下熔池相互紧密连接，显著减少激光与材料相互作用产生的金属间化合物，兼顾微观组织与结构性能。避免裂纹和气孔等焊接缺陷，焊接过程稳定，形成均匀光滑焊缝，改善焊缝表面成形，提高焊接质量。
c)激光束偏转倾斜入射高反射率铝合金表面，降低能量损失，提高激光能量利用效率。避免焊接过程中由于反射率过高，对激光器光学系统造成的损伤。保护光路元件，免受液体熔滴溅射。此外，通过偏转激光入射角度，改变界面垂直方向能量分布，实现深熔小孔焊时中间层镍基合金和上层铝合金界面熔池能量传递和铺展浸润，两种合金熔化并形成同一熔池。激光提供足够热量充分熔化铝合金板和镍基合金板，在上层铝合金熔池热传导和对流作用下，中间层镍基合金熔化，多组元合金体系合金元素由母材溶解到液相，促进元素相互混合扩散。凝固过程中界面形成金属间化合物，实现镍基合金/铝合金接触界面冶金结合。
d)优化激光偏移量和离焦量等焊接工艺参数，焊接时倾斜入射激光光斑聚焦在上层铝合金板内部，偏中间层镍基合金薄板侧，熔化位置精确可控。调节焊接工艺参数及焊缝成分，控制不对称熔池几何形状、界面反应过程、界面层化合物的生长行为以及界面相结构。热量重新分配，扩大薄板镍基合金和铝合金焊缝界面结合面积，熔化混合充分，加剧合金元素相互扩散，形成稳定熔池，提高接头结合强度。改变焊缝化学成分，增加焊缝中镍元素和铝元素的含量，进而调节界面相变热力学及扩散动力学等熔池冶金性能，实现镍和铝熔化量、熔池温度分布、界面结构和相变的控制。此外，薄板镍基合金中的Ti和Mo等合金元素对铝合金熔池微合金化，细化焊缝微观组织，对接头细晶强化，增加焊缝塑性和强度，缓解界面内应力和残余应力，降低反应产物脆性，改善微观组织与力学性能。
e)优化激光功率和焊接速度等焊接工艺参数，改善厚度方向上热量分布不均匀性，改变熔池流体动力学行为。激光剧烈搅拌高温熔池，强制对流破碎接触界面Ni-Al脆硬金属间化合物过渡层，这些非平衡析出相随液态金属流动到焊缝，弥散细小不连续分布。减缓非平衡状态界面冶金化学反应及有害Ni-Al脆硬金属间化合物层厚度，避免焊缝中产生不均匀的应力应变。同时熔池液态金属形成的涡流有利于气泡逸出，降低气孔敏感性。低热输入热循环过程参数匹配，降低界面峰值温度，缩短反应时间等化合物生长驱动力，对界面反应控制。获得比例多塑性较好的α-Al铝基固溶体和γ-Ni镍基固溶体，有效抑制有害金属间化合物对焊缝力学性能的影响，也可以降低接头脆性，进一步消除不利因素。本发明能够同时实现d)和e)两方面效果，减弱脆硬析出相的不利影响。
2.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍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)中的光纤激光焊设备的优化焊接工艺参数是激光功率2～3kW，焊接速度0.4～0.8m/min，离焦量-1～0mm，激光光束偏置距离0～0.7mm，倾斜入射激光束与竖直法线方向夹角5°～10°，高纯惰性气体氩气保护，保护气体流量10～30L/min。
3.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍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d)中焊接热输入量合理分配，改善强界面反应区和弱界面反应区的温度分布。调节异种材料的熔合比，合金元素相互混合扩散，通过改变熔池化学成分和浓度梯度，两种液态金属形成金属间化合物，实现界面牢固冶金结合。同时熔池微合金化，细晶强化焊缝，增加焊缝薄弱部位塑性和强度，同步协调塑性变形，缓解焊接热应力和残余应力。
4.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍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e)中，通过激光对熔池搅拌改变接触界面过渡层有害富铝脆硬金属间化合物的种类、数量、形态和分布，使之细小弥散分布，获得比例多塑性较好的α-Al铝基固溶体和γ-Ni镍基固溶体，改善两种材料冶金相容性，降低接头脆性，缓解脆硬析出相引起的应力集中和残余应力，提高接头抗裂性能和结构尺寸稳定性，增强连接质量。焊缝无明显表面及内部缺陷，实现深熔小孔铝合金/镍基合金异种材料复合结构低热输入高效可靠焊接。
5.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍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，铝合金板为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系列铝锌合金板。
6.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍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，镍基合金板为定向凝固镍基合金、非定向凝固镍基合金或单晶镍基合金板，镍板为工业纯镍板。
7.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法，其特征在于步骤b)中，激光器类型为CO2气体激光器、Nd：YAG(掺钕钇铝石榴石)固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、准分子激光器或盘式激光器等工业应用激光器。
8.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍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，激光束倾斜入射角度θ为5°～10°。
9.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍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d)中，激光光斑焦点位于上层铝合金内部，离焦量-1～0mm。
10.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍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d)中，激光光斑辐照在上层铝合金表面偏移上层对接中心线镍侧的距离d为0～0.7mm。
11.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍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e)中，激光功率为2～3kW。
12.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍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e)中，焊接速度为0.4～0.8m/min。
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