铸件Ni3Al金属合金的激光焊接

杨丽丽

摘 要：韧性镍铝化物，NiAl+B是一种高强度，高延展性的金属合金，有望应用于高温和低温的结构材料。为了能够在临界温度范围使用这种合金，这种合金必须能够连接或焊接。通过使用激光焊接来研究含硼的铸件镍铝合金的可焊性。在堆焊和对接构型上，以穿越速度范围为42.33-254mms-1的激光束进行焊接。对于一套恒定的激光参数来说，化学腐蚀表面比机械抛光表面进行了更深的穿透。激光焊接焊缝的特性是合理的。

关键词：试验程序；激光焊接；试验

中图分类号：TG113 文献标识码：A

1.概述

航空航天技术的快速发展需要新一代的结构材料。有序金属化合物组构成了一种特殊级别的有希望能代替传统镍基超耐热合金的金属材料。这些化合物有公认的较好的强度，并伴随高温下较好的抵抗蠕变，疲劳和腐蚀能力。这些金属化合物的化学排序减少了高温下原子的流动性，使其具有良好的结构稳定性和抗高温变形的能力。近年来，NiAl 和Ni3Al镍铝有序金属化合物已经成为越来越多研究工作的课题，这是由于它具有出色的抗氧化性，相当高的熔化温度，相对低的密度，这些特点对可能作为飞机发动机材料尤其有吸引力。

2.试验程序

用于此项研究的多晶金属合金是从Oak Ridge国家实验室（ORNL）获得的。该合金被ORNL命名为IC-50。该材料是在铸造环境下提供的。铸造材料有两个截然不同的也能以颜色识别的表面：

（ⅰ）轮接触面（颜色深）。

（ⅱ）无固化表面（发亮颜色的表面）。

3.激光焊接

进行两种类型的激光焊接，包括走焊和对接焊。试件安装在X-Y工作台，试件的运动是由电脑数字控制的。使用功率电平为1.5kW持续电波二氧化碳（CO2）气体运输激光来研究多晶金属（Ni3Al）合金IC-50的可焊接性。输出光束的大小是用高斯分布曲线（TEM00）测量的19mm。TEM00模式质量使高速下的焊接便利。用190 mm（7.5英寸）焦距的ZnSe 镜头聚焦激光束。此项研究中，焊接穿越速度是重要可变因素。

3.1堆焊

在4个试件上进行堆焊：

（a）试件1，机械清洗无固化表面；

（b）试件2，机械清洗轮接触面表面；

（c）试件3，化学清洗无固化表面；

（d）试件4，化学清洗轮接触面表面。

使用1.5kW激光功率进行焊接，激光束穿越速度从42.33至254mms-1。激光束在试件表明以下聚焦，导致表面上激光束尺寸大约为直径0.5mm。激光焊接时，用氦气（157cm3s-1）遮蔽大气。

3.2对接焊

对于对接焊来说，在试件的两面都有一条单一的激光通道，这样为了达到完全穿透的效果。利用1.2kW的激光功率和33.9mms-1（80英寸每分钟）的穿越速度进行焊接。激光束的焦距在试件表面以下，在表面测量的激光束的直径是1.52mm。对接焊的轨缝保持在0.016mm。使用157cm3s-1氮气遮蔽大气。对接焊比堆焊光束散开更大尺寸，因为经过一套特定的激光吸收效果后，对接焊产生更深的穿透。

3.3焊接分析

下述激光焊接中，准备来自熔化带和焊接试件的焊接试件的基底金属的样品，使用标准技术进行金相观察。观察的焊接试样应取截面，进行金相抛光，用甘油（10mL硝酸，20ml盐酸，30mL甘油）擦洗浸蚀的试样。用高分辨率光学显微镜识别内在显微结构特征，检查包括多孔性，形成热裂缝和穿透的程度/深度。西门子衍射计和CuKα散射器也可用于识别显微结构。

试验前，样品进行机械抛光，用丙酮清洗并冲洗。进行多次试验以确保试验结果的一致性。使用Vicker的显微硬度计以500g的负荷在焊件的不同部位确定硬度。使用扫描电子显微镜检验变形的拉伸试件，以便描述主要断裂类型和精密标度断裂特征。

4.结果与討论

取决于激光参数的激光焊接法涉及了两个机理，即“深熔透”和“传导”。深熔焊的特点是沙漏形，深宽比高。深熔透通常伴有：（a）过熔；（b）通过汽化损失材料；（c）冷却速率低；（d）有收缩裂纹；和（e）气孔。这些负面影响是“小孔”形成所造成的，且有伴随能量通过该孔转移。相比之下，热导焊展现出了深宽比小、缺陷程度低的特点。热导焊的几何形状为半圆形，类似于传统的电弧焊。

激光束横向速度及表面预处理对堆焊（BOP）的焊缝宽度和深度（熔透）都有影响。正如所料，焊缝的宽度和深度（熔透）随激光束横向速度呈指数式地减少，显示出从深熔焊到热导焊的过渡。我们观察到经过化学清理试件的熔透深度和宽度都比经过机械清理试件的大，这是合理的，因为表面和次表面物理和化学性质的改变使激光束的吸收率发生了变化。化学清理可在表面产生氯化物，致使其吸收率的增加比经机械处理的表面要高。吸收率也是几个并存和对抗因数的一个函数，即：（a）波长；（b）温度；（c）氧化和腐蚀状态；（d）表面粗糙度；和（e）电阻率。

一个简单的能量平衡模式可用来估算吸收率。按照此模式[30]

POt=2（CPΔT+Lf）ρπa2Z （1）

式中P0为被吸收的激光功率[P（1-R）]（W）；P为入射激光功率（W），R为反射率，t为交互作用时间（s），Cp为比热（J kg K-1），Tm为熔化温度（K），Tb为环境温度（K），Lt为熔解潜热（J kg -1），z为熔透深度（m），a为激光束在物体表面上的半径（m）。

由于自由凝固面的表面光洁度好，因此它比轮接触面的吸收率低。就热传导受限焊接而言，激光能量的吸收率显然是由表面和次表面的性质决定的。

结论

目前对镍铝金属间IC50可焊性研究的总体结论如下：

（1）激光束的吸收率可通过表面预处理来增强。试件表面的化学清理可导致比机械清理更深的熔透。

（2）焊缝的裂纹受表面处理的类型和表面状态的影响。产生微裂纹的可能性随激光束横向速度的增加而增加。

（3）激光焊缝所增加的硬度归因于激光束高度集中的热量和横向速度，它们可导致熔化区和热影响区内晶粒组织的细微改良。

（4）激光束焊件环境温度下的拉伸性能与基体材料的性能相当，尽管在熔化区有裂纹的存在。沿着激光焊接区晶界的固有应力集中对所观测到的塑性损失有促进作用。

参考文献

[1]闫久春，杨建国，译.Sindo Ko著 焊接冶金学[M].北京：高等教育出版社，2012：45-47.

[2]尹士科.焊接材料手册[M].北京：中国标准出版社，2000：59-62.

[3]杜则裕.材料焊接科学基础[M].北京：机械工业出版社，2012：25-28.