GH5188高温合金薄板CMT-Pin焊接变形研究

2021-10-29熊梦如王欣邢丽

金属加工(热加工) 2021年10期

熊梦如，王欣，邢丽

1.南昌航空大学航空制造工程学院江西南昌 330063

2.珠海市福尼斯焊接技术有限公司广东珠海 519015

1 序言

高温合金是指在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，具有优异的综合性能，可分为铁基、镍基和钴基高温合金三类[1]。GH5188高温合金是固溶强化型钴基高温合金，具有良好的高温抗氧化性能，同时具有满意的加工成形、焊接等性能，适于制造航空发动机上在980℃以下要求高强度和在1100℃以下要求抗氧化的零件[2]。

近年来，由于船舶工程、汽车工业、航空航天等大型构件制造材料的轻量化需求，薄板构件因其质量轻、易加工成形等诸多特点被广泛使用。但由于焊接过程中焊接应力的释放、热分布不均匀等原因导致薄板焊接极易产生变形，从而影响焊接质量和焊件外观[3]。

在焊接钴基合金时，与镍基合金和铁基合金相同，焊接热输入是影响热裂纹产生的重要因素之一。在焊接过程中，应采用较低的焊接热输入，避免因金属间化合物的析出而影响合金抗热裂性能。合金中的杂质元素S、P，以及低熔点金属Pb、Zn、Bi等，由于不溶于钴或者与钴发生共晶反应，会引起合金脆性，且这些元素可能会在焊接时引起热裂纹，所以应减少这些元素在合金中的含量，同时要尽可能保证这些元素不会污染焊接区。由于焊接区清洁度的保证是获得优质焊缝的先决条件，同时也影响焊缝区出现气孔[4]，因此焊接钴基合金部件时，焊前清理工作极为重要。

CMT（Cold Metal Transfer）冷金属过渡是奥地利福尼斯公司基于钢与铝焊接、无飞溅引弧技术以及微连接技术而成功开发的一种低热输入量焊接工艺[5]。在熔滴短路过渡时，焊机会收到短路信号，立即切断焊接电源，同时将焊丝回抽以帮助熔滴脱落来实现熔滴的“冷过渡”。这种热-冷-热交替的加热方式，极大地降低了CMT增材过程中的热输入[6]。

CMT焊接技术的创新之处在于将熔滴过渡与送丝运动结合，大大降低了焊接过程的热输入量，真正实现了无飞溅焊接。而CMT-Pin技术是在CMT焊接技术基础上增加了精密数字过程控制系统和整体反向送丝装置，进一步提高了焊接精度。

CMT-Pin工艺就是在焊丝接触到金属表面起弧，而焊丝不伸出熔池，熔池和焊丝迅速冷却凝固下来，冷却时间长短决定Pin的高度，最后焊丝通电后迅速回抽。而通过调节电流大小以及回抽时力的大小，就可以产生图1所示不同的Pin头形状，包括“圆柱状”“球状”等。

图1 CMT-Pin的Pin脚形状

CMT-Pin技术是基于CMT焊接工艺的一种创新技术，其主要特点是精密数字过程控制和整体反向送丝装置。本文采用CMT-Pin技术对GH5188高温合金薄板进行试验，通过改变CMT-Pin的工艺参数，研究工艺参数对Pin脚外观成形及试板变形的影响。

2 试验条件及方法

2.1 试验材料及设备

（1）试验材料试验采用GH5188钴基高温合金薄板，试板长度为100mm，宽度为80mm，厚度为0.8mm、1.2mm。试验采用φ1.2mm 的GH5188焊丝。

（2）试验设备试验采用福尼斯TPS CMT Advanced 4000型焊接电源、VR7000 CMT送丝系统和RCU 5000i遥控器配合使用，它能够直接进行送丝并且确保高精度的送丝距离，配备机器人可以实现自动化生产。图2为CMT-Pin焊接工艺。

图2 CMT-Pin焊接系统

2.2 CMT-Pin焊接夹具

图3所示为专用CMT-Pin焊接夹具，盖板采用在高温下仍能保持硬度和强度的TC4钛合金板材，底板采用具有较高强度且导热性能良好的5A06铝合金板材。焊接时为了使试板散热充分，会采用导热性能好的铜板放置于底板上。

图3 CMT-Pin焊接夹具

2.3 试验方法

（1）试验过程及方法将0.8mm厚的GH5188高温合金板材切割成长度为100mm、宽度为80mm的试样。为使焊后试板变形测量不受其他因素影响，焊接前用无水酒精溶液清洗待焊工件、去除表面有机物质及油污等，避免因杂质对后期试验过程产生不良影响。

图4所示为CMT-Pin焊接示意，表1为焊接参数。拘束状态焊接时，将焊接试板与专用CMT-Pin焊接夹具固定安装于工作台上，根据夹具盖板上的预留孔位置，通过在线编程控制焊接机器人沿行走路径进行焊接。

表1 焊接参数

图4 CMT-Pin焊接示意

（2）试板变形测量及数据处理焊接试验完成后，待试样冷却后再将其从专用焊接夹具中取出，并对焊后试板进行编号，依次测量。

1）平面外变形测量。焊接变形发生于结构板材平面之外的称之为平面外变形。焊后试板发生的平面外变形即为沿Z方向（板厚方向）的变形值记为ΔH，在测量试板平面外变形值时，将试板放置于水平工作台面，以中心Pin柱作为基准进行测量。测量的起始点从试板两中心线开始，两测量点距为10mm，直至试板两边的边缘处，用变形云图的方式表示试板的平面外变形。试板板长和板宽方向的中心线为A—A、B—B线，沿试板中心线测量平面外变形，两测量点间距10mm，直至中心线两端处。并且规定沿板长方向平面外变形为ΔHc，沿板宽方向平面外变形为ΔHk，变形值为正表示为上翘变形，变形值为负表示为下翘变形。

2）数据处理。根据焊后试板平面内变形的测量数据，用Origin拟合出不同焊接热输入时，沿板边收缩变形量的数据图。用Origin软件处理焊后试板平面外变形的测量数据，并运用Origin作出不同板厚和焊接热输入时的平面外变形云图以及沿试板板长和板宽方向的中心线A—A、B—B的最大变形量的折线图，以分析平面外变形与各因素之间的关系。

3 试验结果及分析

3.1 CMT-Pin焊接的焊缝截面形貌

图5所示为0.8mm的试板在拘束状态下，热输入为50.9J/mm的焊缝横截面的宏观形貌。从图中可以看出，焊缝与母材熔合良好，有一定的熔深。腐蚀后的试样分为三层，最上层A区域为Pin柱（焊丝段），中间B区域为焊缝，最底层C区域为母材。

图5 焊缝横截面的宏观形貌

图6所示为焊缝熔合线处显微组织形貌。从图6中可以看出，熔合线附近发生了明显的组织转变，沿Pin脚向上方向晶粒由胞状晶转变为柱状晶。

图6 焊缝熔合线处显微组织形貌

3.2 CMT-Pin焊后试板平面外变形

（1）平面外变形特征图7所示为0.8mm的试板在拘束状态下，只改变焊接热输入时焊后试板平面外变形的实物，图7a、b分别为焊接热输入30.2J/mm和57.8J/mm。从图7中可以观察到，焊后试板沿厚度方向出现了高低不平的平面外变形，在沿试板板长方向出现上翘变形，沿试板宽度方向出现了下翘变形，焊后试板变形整体呈现典型的失稳形态。

图7 不同焊接热输入下的平面外变形宏观实物

图8所示为0.8mm的试板在拘束状态下，只改变焊接热输入时焊后试板平面外变形云图，图8a、b分别为焊接热输入30.2J/mm和57.8J/mm，图中红色区域表示焊后试板发生上翘变形，蓝色区域表示下翘变形。从图8中可以观察到，焊后试板的最大上翘变形量出现在板宽的两端，沿板长方向的中间中心线附近；焊后试板的最大下翘变形量出现在板长的两端，沿板宽方向的中间中心线附近，焊后试板整体呈现典型的波浪形失稳形态。

图8 不同焊接热输入下平面外变形云图

分析认为其产生的原因主要包括两个方面：一方面，在CMT-Pin焊接过程中，试件中性面以上部分的熔化面积大，使得中性面以上部分的收缩力大于中性面以下部分的收缩力，使其产生上翘变形；另一方面，由于薄板为矩形件且厚度小，且离焊点较远处拘束应力大，反之则小。拘束应力较大的位置将对收缩变形产生一定的阻碍作用，使得薄板产生了残余压应力。当残余压应力超过薄板的临界失稳应力时，就会产生失稳变形。其失稳临界应力可表示为

式中σcr——临界应力（MPa）；

δ——板的厚度（mm）；

B——板的宽度（mm）；

K——与拘束情况有关的系数。

由上式可知，当拘束情况和板厚一定时，与板宽方向垂直的端面（A—A中心线方向）宽厚比小于与小于板长方向垂直的端面（B—B中心线）宽厚比，造成其失稳的临界应力较小。同时，为了协调薄板变形，在沿板长方向会产生上翘（或下翘）的变形大于沿板宽方向。当焊接热输入较大时，沿板边的上翘和下翘变形所产生较大的弯矩相互作用，导致沿板长方向中心线处出现最大上翘（或下翘）变形，最终形成沿板边方向的凹-凸形变形。

（2）板材厚度的影响图9所示为焊接试板在拘束状态下，热输入量为44.0J/mm时，只改变板材厚度的大小，经测量焊后试板平面外变形量后的数据图。其中，图9a、b分别为不同板材厚度下沿板宽平面外变形ΔHk和沿板长平面外变形ΔHc。

结合图9分析，同一厚度下的焊接试板，焊后沿板材中心线A—A两侧平面外变形ΔHc的最大值大于焊后沿板材中心线B—B两侧平面外变形ΔHk的最大值。在拘束状态下焊接1.2mm的试板焊后测得ΔHc的最大值为0.04mm，ΔHk的最大值为0.04mm，试板整体最大变形量为0.04mm；在拘束状态下焊接0.8mm的试板焊后测得ΔHc的最大值为0.16mm，ΔHk的最大值为0.15mm，试板整体最大变形量为0.16mm。

从图9可以看出，随着板材厚度的增加，沿板材中心线A—A的最大变形量ΔHk逐渐降低，沿板材中心线B—B的最大变形量ΔHc逐渐降低，试板整体变形量逐渐降低。

图9 不同板材厚度下平面外变形

对于上述现象分析认为，在焊接时产生的薄板变形趋势和原因是由于薄板的刚度小，焊后试板产生了失稳变形，因而使得上翘、下翘变形方向不定。由失稳的临界应力公式可知，焊接试板的厚宽比越小，临界失稳应力也就越小，此试验使用的试板为矩形板，因此沿板长方向的临界失稳应力小于沿板宽方向，在同一厚度试板焊接时即承受相同压应力的作用下，沿板材中心线A—A两侧平面外变形ΔHc大于沿板材中心线B—B两侧平面外变形ΔHk。当板材厚度增加时，板材刚度较大，拘束度越大，导致产生的变形量较小。因此，随着试板厚度的增加，焊后变形程度降低。

（3）拘束状态的影响图10所示为0.8mm的试板在拘束状态下，热输入量为44.0J/mm时，只改变焊接时板材的拘束状态，经测量焊后试板平面外变形量后的数据图。其中图10a、b分别为不同拘束状态下沿板宽平面外变形ΔHk和沿板长平面外变形ΔHc。

结合图10进行分析，同一拘束状态下的焊接试板，焊后沿板材中心线A—A两侧平面外变形ΔHc的最大值大于焊后沿板材中心线B—B两侧平面外变形ΔHk的最大值。在无拘束状态下焊接0.8mm的试板焊后测得ΔHc的最大值为0.23mm，ΔHk的最大值为0.20mm，试板整体最大变形量为0.23mm；在拘束状态下焊接0.8mm的试板焊后测得ΔHc的最大值为0.16mm，ΔHk的最大值为0.15mm，试板整体最大变形量为0.16mm。

由图10可以看出，同一厚度的板材在拘束状态下进行焊接时，沿板材中心线A—A的最大变形量ΔHc比在无拘束状态下进行焊接的最大变形量小，沿板材中心线B—B的最大变形量ΔHk也比在无拘束状态下进行焊接的最大变形量小，并且拘束状态下进行焊接，焊后试板整体变形量降低。

图10 不同拘束状态下平面外变形

对于上述现象分析认为，在焊接时产生的薄板变形趋势和原因是由于薄板的刚度小，焊后试板产生了失稳变形，所以使其上翘、下翘变形方向不定，也是由于焊接试板上多处角变形叠加引起的波浪变形。由失稳的临界应力公式可知，焊接试板的厚宽比越小，临界失稳应力也就越小，此试验使用的试板为矩形板，因此沿板长方向的临界失稳应力小于沿板宽方向，在同一厚度试板焊接时即承受相同压应力的作用下，沿板材中心线A—A两侧平面外变形ΔHc大于沿板材中心线B—B两侧平面外变形ΔHk。同时在拘束状态下由于产生的内应力作用，使得焊后试板的外观变形量小于自由状态下的外观变形。因此，在拘束状态下的焊后试板变形程度小于无拘束状态下的变形。由于收缩变形沿着焊点周围各个方向上分布不均匀，并且当焊点距板边缘较近时散热慢产生的变形大，距板边缘较远时散热快产生的变形较小，所以造成焊后试板平面外变形出现在板边中心有较大的上翘或下翘变形。