GH3039激光焊工艺及接头组织性能研究.docx

GH3039激光焊工艺及接头组织性能研究.docx

《GH3039激光焊工艺及接头组织性能研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GH3039激光焊工艺及接头组织性能研究.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

GH3039激光焊工艺及接头组织性能研究

GH3039激光焊工艺及接头组织性能研究

学科：

材料成型及控制工程

本科生：

潘海莎（签名）

指导老师：

成军（签名）

摘要

镍基高温合金由于其具有良好的高温综合机械性能,广泛应用于航空航天、化工能源等工业领域。

激光焊接技术具有能量密度高，加热集中，焊接速度快，对材料的热损伤小，焊缝深宽比大，接头的残余应力低等特点，是焊接高温合金的首选工艺。

本文研究了GH3039激光焊焊接接头显微组织和力学性能。

对比普通焊接方法总结出其特有的热影响区、焊缝金属组织变化规律和形成缘由；利用硬度试验、拉伸试验分析了其力学性能；初步确立了GH3039激光焊接的工艺参数。

研究表明:

由于激光焊接快速加热及快速冷却的特点，GH3039激光焊接接头焊缝窄、热影响区小，得到的焊缝组织主要为细小等轴晶。

硬度试验表明，焊缝中心硬度明显高于母材硬度，热影响区硬度有所降低。

焊接接头的室温强度与母材几乎相同，而其高温强度有了较大提高。

经过固溶处理后由于晶粒发生了长大而强度降低，这说明GH3039激光焊接后不适合进行固溶处理。

本次实验未发现裂纹、气孔等缺陷。

本研究仍然属于初步探索，有许多推论仍要后续试验来进行验证。

可以预见GH3039激光焊接工艺有着良好的应用前景。

关键词：

激光焊接，高温合金，GH3039，显微组织

StudyontheTechnologyandMicrostructurePropertiesofLaserWeldingofGH3039

Speciality:

FormingandControllingofMaterials

Undergraduate:

HaishaPan（signature）

Supervisor:

JunCheng（signature）

Abstract

Ni-basesuperalloyarewidelyusedinaerospace,chemicalandenergyindustriesbecauseofitsprominenthightemperaturemechanicalproperties.Laserweldingtechnologyisthefirstchoiceforsuperalloyweldingbecauseofitshighenergydensity,centralizedheating,rapidweldingspeed,smallthermaldamagetothematerial,largeaspectratioofweldjointandlowresidualstress.

TheprimaryexploratorystudyofmicrostructureandmechanicalpropertiesoflaserweldingGH3039havebeenundertakeninthispaper.Thespecialheataffectedzone,thelawsoftheweldmetalmicrostructureschangingandtheformationcauseshasbeensumupbycomparisonthemetallographicanalysisoftheweldedjointswiththemethodoftheordinarywelding.Themechanicalpropertieshasbeenanalyzedwiththeresultsofthehardnesstestandtensiletest,andtheweldingparametersoftheGH3039laserweldingwasinitiallyestablished.

Theexperimentalresultsindicatethat:

asaresultofthecharacteristicsoflaserweldingthatrapidheatingrateandcoolingrate,heataffectedzoneoflaserweldingGH3039isverysmallandweldisnarrow.theorganizationofweldisprimarilythesmallequiaxedgrains.Hardnesstestshowsthatthehardnessofweldcenterwassignificantlyhigherthanthehardnessofbasemetal,andthehardnessofheataffectedzonedecreasesalittle.Atroomtemperature,thestrengthofweldedjointsisalmostthesameasthebasemetal,anditshightemperaturestrengthhasbeengreatlyimproved.Aftersolutiontreatment,thestrengthofweldedjointsdecreasesasaresultofgrainshavegrownup,thisshowssolutiontreatmentshouldn’tbeposedtoGH3039.Theresearchispreliminary,andmanyguesseshavetobetestedwiththefollow-upexperiment.ItcanbepredictedthatthetechnologyoflaserweldingGH3039hasgoodapplicationprospects.

Keywords:

laserwelding,superalloy,GH3039,microstructure

目录

摘要I

AbstractII

目录IV

第一章前言1

1.1高温合金概述1

1.1.1高温合金的分类1

1.1.2GH3039高温合金简介2

1.2高温合金的焊接性2

1.2.1高温合金的裂纹敏感性2

1.2.2接头组织的不均匀性4

1.2.3焊接接头的等强性4

1.3高温合金的激光焊接4

1.3.1激光焊接机理5

1.3.2高温合金激光焊熔池行为5

1.4研究目的及意义6

第二章试验方法及试验内容7

2.1试验材料7

2.2焊接过程7

2.2.1焊前准备7

2.2.2焊接设备及参数7

2.2.3探索性激光焊接8

2.3焊件试样的分组13

2.4试验方法及过程15

2.4.1金相试样的制备与试验15

2.4.2拉伸试验16

2.4.3硬度试验17

2.4.4焊后热处理试验17

第三章试验结果及分析19

3.1焊缝的外观分析19

3.2试样金相实验结果分析19

3.2.1GH3039激光焊接接头的金相分析19

3.2.2GH3039焊后热处理接头金相分析23

3.4试样的拉伸实验结果及分析25

3.4.1GH3039室温拉伸分析25

3.4.2GH3039高温拉伸分析26

3.5硬度试验结果及分析27

3.6焊接工艺与实验结果的综合分析29

3.6.1焊接参数29

3.6.2焊接接头组织与性能30

第四章结论31

参考文献32

致谢34

第一章前言

高温合金是现代航空发动机、舰船燃气轮机、地面燃气轮机和火箭发动机的重要金属材料，在先进的航空发动机中，高温合金的用量占40~60%。

在先进工业国家，如美国，航空航天用高温合金占其总用量的85%左右[1]。

我国高温合金是从20世纪50年代开始研制，至今已基本上形成了自己的高温合金体系。

1.1高温合金概述

高温合金，也称耐热合金，是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。

高温合金具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能。

高温合金为单一奥氏体基体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性，基于上述性能特点，且高温合金的合金化程度很高，故在英美称之为超合金（Super-alloy），是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一类重要材料[2]。

1.1.1高温合金的分类

高温合金按其生产工艺分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金合金三类。

变形高温合金的合金化程度较低，因而高温强度也较低，可通过热变形方法加工成各种形状的零件。

铸造法是采用精密铸造工艺制成零件，此法加入合金元素量多，且不受限制，零件强度也高，不能进行热加工变形。

铸造高温合金分为普通精密铸造合金、定向凝固合金、单晶合金。

粉末法是20世纪70年代发展起来的新工艺，采用液态金属雾化制粉或高能球磨机制粉，晶粒细小，成分和组织均匀，基本消除了偏析，显著改善了热加工性能，能把难于变形的铸造高温合金通过粉末法其热塑性大为改善，成为可变形的高温合金。

粉末冶金合金则有普通粉末冶金高温合金、氧化物弥散强化高温合金之分[2,3]。

按其强化方式分为固溶强化合金和析出强化合金（或称时效沉淀强化合金）等。

按其基体成分可分为镍基高温合金、铁镍基高温合金和钴基高温合金，其中镍基高温合金发展最快，使用也最广，铁镍基高温合金次之[4]。

1.1.2GH3039高温合金简介

GH3039是固溶强化型单相镍基奥氏体高温合金，合金元素的主要作用是，含Ni以形成面心立方奥氏体基体，提高抗氧化、耐蚀性及元素扩散能力；Cr、W、Mo起固溶强化作用，也是碳化物形成元素；Al、Ti、Nb是γ′相[Ni3（A1、Ti）]金属间化合物强化元素，弥散分布于基体内，影响位错行为以强化合金。

高温合金GH3039在800～900℃工作温度下，具有中等的热强性和良好的热疲劳性，1000℃以下抗氧化性能良好，长期使用组织稳定，还具有良好的冷成形和焊接性能。

特别适宜于制造在850℃以下工作的航空发动机的火焰筒，加力燃烧室等工作部件。

该合金可以生产板、棒、丝、管材和锻件[5]。

1.2高温合金的焊接性

高温合金的焊接性是指某一焊接工艺条件下，合金产生裂纹敏感性、接头组织均匀性、接头力学性能的等强性和工艺措施的复杂性的综合评价。

焊接性是高温合金选用的科学依据之一，也是焊接件设计和焊接工艺制定的重要依据。

1.2.1高温合金的裂纹敏感性

（1）焊接热裂纹

焊接热裂纹主要表现为焊缝热裂纹和近缝区液化裂纹。

由焊接冶金原理可知，焊缝金属或母材金属的晶界中存在低熔物质，在结晶脆性温度区间成为液化薄膜是产生焊接热裂纹的根本原因；而同时存在的焊接拘束应力则是必要条件。

由此，铁基合金和镍基合金都具有较大的焊接热裂纹倾向，其原因就在于[6]：

a.沉淀强化的合金，溶解度有限的元素与Ni或Ta作用，易于在晶界形成低熔物Ni-Si、Fe-Nb、Ni-B等；尤其是高Ni合金，对杂质（P、S、Pb、Sn、Bi、Ca等）更为敏感。

同时高温合金易于形成方向性强的单相奥氏体柱状晶，促使杂质偏析。

b.合金的线膨胀系数大（铁基合金比镍基合金更大），容易形成较大的焊接应力。

c.高温合金在合金系统决定了合金的凝固温度区间大小及固相线的高低不同。

试验表明，合金的凝固温度区间越大且固相线偏低的合金，结晶裂纹倾向大。

近缝区产生液化裂纹的根本原因，是在焊接热过程中，晶界存在低熔共晶薄膜，加之焊接时不平衡的快速加热和快速冷却而引起的偏析所造成的。

无论固溶强化还是沉淀强化的合金，液膜主要形成于晶界碳化物相MC或MbC型周围，即在焊接快速加热时，MC趋向分解并向基体扩散溶解，但由于时间不充分，达不到平衡，在MC周围富集高浓度溶解元素，与基体γ反应而形成低熔共晶。

在Al和Ti含量高的γ′强化的合金中，也产生γ′与γ反应而在γ′周围也富集溶质元素，并在γ′－γ相界面发生共晶反应，形成低熔共晶而产生裂纹[7]。

高温合金的状态对液化裂纹的产生也有很大影响，铸造合金的铸态和变形合金的时效状态对液化裂纹的敏感性较大，而在固溶状态（或退火状态）下液化裂纹倾向较小。

另外，高温合金晶粒越粗，越容易引起液化裂纹。

（2）应变时效裂纹[4,6]

应变时效裂纹是指析出强化高温合金焊接后，在时效处理或高温使用过程，由于焊接残余应力的作用，伴随着时效的析出强化而产生的一种晶间开裂现象，属于再热裂纹性质。

应变时效裂纹的显著特征是产生在近缝粗晶区上，为典型的晶界断裂，但可贯穿焊缝金属，也可延伸于离焊缝一定距离的母材上。

高温合金Al、Ti含量越高，γ′析出强化越强烈，变形越易集中在晶界，塑、韧性也表现越差，对裂纹越敏感。

高温合金中的杂质元素如Si、S等，对高温合金防止应变时效裂纹是非常有害的。

1.2.2接头组织的不均匀性

固溶强化型合金的组织比较简单，这类合金焊接后，焊缝金属由变形组织变为铸造组织，由于焊接熔池冷速快，焊缝金属会因晶体内偏析而形成层状组织，当偏析严重时，还会在枝晶形成共晶组织。

接头热影响区会产生沿晶的局部熔化和晶粒长大。

1.2.3焊接接头的等强性

接头的等强性是焊接成功与否的关键因素，对高温合金焊接接头的要求与母材同样应具有抗氧化、耐蚀，具有良好的高温强度、塑性和疲劳性能，而且希望接头与母材等强。

不论是固溶强化的合金，还是析出强化的合金，在过热区有显著的晶粒粗化现象，粗晶粒对高温瞬时强度和持久强度有一些好处，但严重降低高温塑性和疲劳强度，过热区较宽，其影响越严重。

焊接接头强度系数主要取决于接头区的组织特征，尤其是热影响区中晶粒长大，γ′强化相和碳化物的溶解形成的弱化区直接影响接头强度。

在拉伸过程中，弱化区与硬化区阻碍试样的均匀变形，焊缝的存在也同样影响接头的均匀变形，因而大部分塑性变形发生在弱化区，最终颈缩和裂纹大多数发生在这一区域[4,6]。

1.3高温合金的激光焊接

激光焊（LBW）是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密的焊接方法。

随着航空航天、微电子、医疗及核工业等的迅猛发展，对材料性能要求越来越高，传统的焊接方法难以满足要求，激光焊日益得到广泛应用。

激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强、不需要真空装置，热输入小，热影响区小且焊缝深宽比大，焊后变形小，表面光洁，可自冷淬火等特性，非常适用用于高温合金的焊接[8]。

1.3.1激光焊接机理

激光焊接的原理的是：

光子轰击金属表面形成蒸气，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。

如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。

激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。

激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动，使光子的辐射能变成了电子的动能。

物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，如自由电子的动能，束缚电子的激发能或者还有过量的声子。

这些原始激发能经过一定的过程再转化为热能。

激光焊随激光器输出能量方式不同可分为脉冲激光焊和连续激光焊。

按激光聚焦后光斑作用在工件上功率密度的不同，激光焊分为：

热导焊和深熔焊（匙孔焊）。

热导焊，采用的激光光斑功率密度小于105W/cm2，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间。

焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，是金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把能量传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝。

这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。

主要用于薄、小工件的焊接。

深熔焊，当激光光斑上的功率密度足够大（≥106W/cm2），金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极端的时间内升高到沸点，使金属熔化和汽化，在液态金属中形成一个充满金属蒸汽的细长孔洞而进行焊接。

当小孔形成以后，激光束进入小孔，通过Fresnel吸收机制，小孔相当于一个吸光的黑体，使材料对激光能量的吸收率大大增加，因而焊缝熔深大。

小孔顶部热流动则因热毛细作用而大大加快，引起焊缝顶部的扩宽，这即为深熔激光焊接[9]。

1.3.2高温合金激光焊熔池行为

在激光深熔焊接中，熔池小孔的深度和形状与等离子体状态密切相关。

如果对等离子体控制得不好，等离子体状态（包括电子密度与等离子体的长度和扩散角）的起伏将导致熔池小孔深度和形状的起伏。

由于小孔深度和形状的起伏（即孔形扩大或缩小），屏蔽气体和金属蒸汽将会在小孔底部形成气泡，继而气泡向上漂浮，随着熔池的迅速凝固，则以气孔形式滞留在焊接熔池底部（第一类型气孔）。

在激光深熔焊接中，随着激光功率密度的增加，熔池锁孔会变得不稳定，因而焊缝内气孔率会急剧增加。

焊接熔池不稳定是形成气孔的主要原因[10]。

由于激光焊接速度快，熔池迅速冷却，故与常规焊接相比，激光焊接具有[11]：

（1）焊接熔池的液－固界面存在很大的温度梯度；

（2）焊接熔池是在快速凝固下结晶的，且结晶方向与焊接熔池流动方向密切相关；（3）焊接区热影响区小。

1.4研究目的及意义

高温合金作为一种有热稳定性热强性的合金，现在已经成为航空工业中高温部件的常用金属。

合金由于富含镍和铬大大提高了合金的耐热性，抗氧化性和高温稳定性。

另外添加的合金元素能强化合金晶界也能提高其热强性。

镍基高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的最热端部件，如涡轮部分的工作叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。

与铁基合金比较，镍基合金的优点为：

工作温度高、组织稳定、有害相少及抗氧化抗热蚀能力大。

与钴基合金比较，镍基合金能在较高温度与应力下工作，尤其在动叶片场合。

激光焊接作为新兴的焊接技术，以其优良的焊接性能和焊缝质量在高温合金焊接上有着独特的自身优势。

本文主要是通过对GH3039高温合金在激光焊接方法下得到的焊接接头进行组织金相分析，拉伸断裂行为分析以及显微硬度分布的分析评判试验所用的焊接参数下接头质量的优劣，固溶处理实验对比分析接头进行焊后热处理前后的组织及性能。

总结分析激光焊接工艺对接头性能的影响，掌握接头性能的分析方法。

第二章试验方法及试验内容

2.1试验材料

本次试验所选用的材料为GH3039，材料规格为60mm×30mm×1.0mm，其成分见表2-1。

表2-1GH3039的成分及含量（%）[12]

元素

C

Cr

Ni

Mo

Al

Ti

含量，%

≤0.08

19～22.0

余

1.80～2.30

0.35～0.75

0.35～0.75

元素

Fe

Nb

Mn

Si

P

S

含量，%

≤3.0

0.90～1.30

≤0.40

≤0.08

≤0.020

≤0.012

注：

（1）GH3039合金中允许有Ce存在；

（2）GH3039合金中的Cu含量不得大于0.20%。

2.2焊接过程

2.2.1焊前准备

试样焊接采用母材自身熔焊和对接形式焊接，对焊接头形式是Ⅰ型。

由于GH3039高温合金对杂质很敏感，易形成夹杂及难熔氧化物，还会引起脆化[13]。

而这些杂质往往存在于油、记号笔、切削液及车间灰尘中因此，在焊接过程中严格遵守焊接规范，焊前将试样表面用砂纸仔细打磨并用丙酮严格、彻底地擦洗焊接处，再用白棉布擦干[14]。

2.2.2焊接设备及参数

焊接选用JHM-1GY-500B多功能数控激光加工机。

由主机系统、电源系统、PA控制系统、伺服系统、制冷系统组成，其结构示意如图2-1。

该机采用的是固体Nd:

YAG激光器为激光光源，额定功率为500W（最大550W），激光波长1.06µm，脉冲宽度0.1ms~20ms（连续可调），脉冲频率1~500Hz（连续可调1Hz），激光输出最大单脉冲能量80J，能量稳定度≤±3％，激光日连续工作时间≥16h，光束发散角≤15mrad。

1、控制系统2、主机系统3、电源系统4、冷却系统

图2-1JHM—1GY—500B多功能激光加工机结构图

对于激光焊接而言，可调参数较一般焊接方法来说多很多。

焊接主要参数决定于工作电流、脉宽、频率、离焦量、焊接速度、保护气体及其速度和喷嘴高度（方位）。

由于是探索性试验所以详细参数需要进行正式焊接时才能决定。

2.2.3探索性激光焊接

为了找出合理的激光焊焊接工艺，我们对GH3039高温合金激光焊接分别进行了母材自身熔焊、试板对接焊2次试验。

（1）第一次试验—母材自身熔焊

我们研究了焊接电流、离焦量、焊接速度、脉宽、脉冲频率、保护气体流量等焊接工艺参数对激光焊焊缝成形的影响规律。

试验采用的是在GH3039试板上做平板焊接的试验方法，尺寸是60mm×30mm×1.0mm。

试验时，每次只改变一个工艺参数，保持其他的参数不变。

试验的目的是探究工艺参数与焊缝表面成形的关系及其对接头性能的影响，以焊缝的正面和背面外观、熔宽、熔深为参考量。

试验最后从中选出几组焊缝成形好的参数对焊板进行对接的焊接试验。

试验时参照以往的GH3030高温合金激光焊接的焊接参数（正离焦、透镜为100mm、焊接速度为90mm/min、Ar气保护、气体流量约为1.5L/min、喷嘴角度为90度正吹焊缝、喷嘴距离约为23mm左右）和GH3039和GH163高温合金异质接头激光焊接的焊接参数（正离焦、透镜为100mm、焊接速度为90mm/min、Ar气保护、气体流量3.5L/min、喷嘴角度为90度正吹焊缝、喷嘴距离约为16mm左右），决定在此基础上进行调整，这样可以避免前期出现焊接正表面有大凹槽且不连续、焊缝明显下陷、飞溅多，另外有时甚至出现整体焊穿。

在初步了解焊机的性能后，决定把喷嘴到工件表面的距离和气体流量这两个参数在焊接过程中保持不变。

通过查阅资料知道保护气体流量影响焊接的原因：

激光焊接时会产生小孔效应和等离子体效应，吹入保护气体就是为了维持等离子体效应（通过气体将等离子压入熔池）（也有观点为等离子体吸收了部分激光能量而使到达焊件的有效能量减小从而阻碍焊接过程的正常进行[透镜效应]，需用惰性气体从侧面吹入将等离子体驱离熔池上方或抑制其产生）[11]。

但是如第一次试探性实验时气体吹入过量（包括气体流速过快和喷嘴离焊缝过近导致气体流层压缩相当于加快气流速）会导致等离子体被强烈压入熔池对金属形成强大的冲击作用，导致熔深过大甚至烧穿。

母材自身熔焊参数以及初步焊接效果如下表2-2所示。

1．喷嘴到工件距离为22mm，Ar气保护，气体流量约为3L/min，喷嘴角度为90度正吹焊缝，透镜100mm。

2．焊缝成鱼鳞波状，除了17号外，焊缝表面都出现黑色氧化物。

3．1~3号为电流对比，4~6号为脉宽对比，7~9号为焊接速度对比，10~12号为频率对比，13~17号为离焦量对比。

表2-2母材自身熔焊参数

序号

焊接电流（A）

脉宽（ms）

焊接速度（mm·minˉ¹）

频率（Hz）

离焦量（mm）

试样焊接外观情况

1

230

6

90

10

3

表面良好，焊透，背面有飞溅

2

240

6

90

10

3

表面良好，焊透，背面有飞溅

3

250

6

90

10

3

表面塌陷，焊透，飞溅加大

4

240

4

90