一种镍基高温合金激光焊热影响区液化裂纹控制方法
本发明属于激光焊接领域，具体涉及一种镍基高温合金激光焊热影响区液化裂纹控制方法。
背景技术：
1、镍基高温合金在高温(>650℃)条件下具有较好的组织和的热稳定性，抗氧化和抗腐蚀性能，已广泛应用于航天、航空和核电领域。激光焊接具有能量集中，热影响区窄、焊接效率高、焊后接头变形小和无需真空等优势，其在高温合金焊接领域将得到广泛应用。镍基高温合金分类很多，主要分为固溶强化镍基高温合金和沉淀镍基强化合金，两者的强化机理和组织形态完全不同。
2、镍基高温合金激光焊接头裂纹敏感性较高，裂纹种类多，如凝固裂纹、液化裂纹、应变时效裂纹、延性深入裂纹，但这些裂纹的形成机理和形成的区域却各不相同。焊接接头中的焊缝，(其温度﹥1350～1380℃)和热影响区(其峰值温度≦1350～1380℃)属于两种不同性质的区域，其峰值温度、材料加热熔化状态、温度梯度、组织演变和应力应变均完全不同。液化裂纹发生在激光焊热影响区(热影响区：该区域峰值温度低于材料熔点，在焊接过程中该区域不出现熔化，但组织或性能在焊接热循环的作用下会发生变化)，高温条件下的晶间杂质元素偏聚液化和高熔点相的组分液化并在拉应力作用下导致的沿晶开裂。因此，液化裂纹将给高温合金焊接件的高温服役埋下了一个巨大的安全隐患。
3、与传统的熔化焊接(tig和mag)和钎焊等焊接方法相比，由于激光焊能量集中，热影响区窄、热输入量低，加热和冷却速度极快，这就导致镍基高温合金激光焊接热影响区液化裂纹的形成具有很强的特殊性。目前，研究人员通过焊前预热、焊前和焊后热处理以及优化工艺焊接参数来控制或抑制镍基高温合金激光焊热影响区液化裂纹。
4、上海交通大学崔海超等人(cn106077951)基于激光接头应力分布，减少重合处热影响区的高温停留时间的理论，采用激光填丝焊接重熔的工艺来控制高温合金热影响区裂纹。由于该技术(cn106077951)是通过填丝重熔的方法进行对热影响区裂纹进行控制但该方法裂纹控制难度较大，易引起的新裂纹产生。
5、哈尔滨工业大学陈波等人(cn 113977080)采用扫描激光焊接工艺对镍基高温合金进行连接，实现焊缝内部连续粗大的laves相的调控，进而获得细小的弥散分布的laves相，有助于抑制焊缝内部微裂纹的产生。该发明(cn 113977080)的方法主要是针对焊缝中的laves相的调控，且该区域的温度高于1380℃。
6、哈尔滨工大焊接科技有限公司陈曦等人(cn 114589403)在真空环境中采用摆动激光超声焊接+随行冷凝板的焊接装置控制激光焊接热影响区并细化组织。该发明(cn114589403)的方法需要在真空条件下进行焊接，且需要随行冷凝板和超声装置进行复合后才能达到控制热影响区和细化组织的目的，其核心原理是通过随行冷凝板中的冷却液流速和温度的控制提高激光焊接接头的冷却速度和散热，从而达到热影响区的控制。与本发明的原理有本质区别。
7、同样，中国科学院金属所赵明久等人(cn 104475960)采用扫描电子束焊接对铁镍基高温合金进行连接，焊接接头热影响区无γ’区和晶界液化形成。该发明(cn 104475960)的方法需要在真空条件下进行多道焊接且针对铁镍(fe-ni)基高温合金，操作难度加大，而且由于真空条件中材料的散热系数完全不同于非真空条件，且铁镍(fe-ni)基高温合金的微观组织、导热系数和析出相扩散系数与镍基高温合金存在本质区别。
8、上海交通大学任闻杰博士论文的研究表明：在焊接速度(≧1.0m/min)和低焊接热输入量情况下，镍基高温合金激光焊热影响区液化裂纹较多。通过大幅度降低焊接速度或增加激光功率(即提高焊接热输入量)、焊前预热、焊前热处理和增加离焦量来抑制高温合金激光焊热影响区液化裂纹。然而，大幅度增加激光功率不利于焊缝成形，易导致焊缝表面明显塌陷；大幅度降低焊接速度无法体现激光焊接效率高的优势。增加离焦量会使焊缝熔深降低，导致焊缝未焊透。
9、华中科技大学赖境等人采用脉冲激光送粉工艺控制镍基高温合金焊接液化裂纹的产生，但该方法焊接熔深比较浅，达不到4mm以上焊缝深度，不适用于拼版激光对接焊。
技术实现思路
1、本发明针对固溶强化镍基高温合金激光焊热影响区的温度1280℃～1380℃区域中液化裂纹控制的难题以及上述现有裂纹控制方法的不足，提出一种镍基高温合金激光焊接热影响区(其温度区间1280℃～1380℃)液化裂纹控制方法。
2、本发明人经过广泛而深入的研究，通过大量试验，采用在激光前进的同时并采用直线移动的往复运动(运动方向垂直于焊接方向)的激光对镍基高温合金进行单道激光对接或拼接，从而减少高温合金激光焊热影响区的温度1280℃～1380℃区域中的液化裂纹。在此基础上完成了本发明。
3、为解决上述难题和不足，本发明提供一种固溶强化镍基高温合金激光焊接热影响区液化裂纹控制方法，其步骤为：
4、提供一对镍基高温合金，将所述高温合金端面进行拼接，拼接缝形成待焊接区域；激光焊接光源提供至少一束激光束，所述激光束对所述拼接缝上表面进行单次连续辐照，形成熔融金属，将所述激光束沿着所述拼接缝上表面前进使激光束接触区域的高温合金熔化凝固形成焊缝，从而完成激光单面焊接双面成形且一次完成；
5、所述方法包括：
6、1)将所述激光束在焊接前进过程(焊接方向)中同时在垂直于焊接方向上以直线方式往复运动，进行激光深熔焊接，实现焊缝熔透且对接单道焊缝深度≧4mm。
7、2)其激光焊接功率的光功率≧6000w，焊接速度≧2.1m/min，激光往复移动频率≧250hz，激光垂直移动幅度为1.5～2.5mm，焦点光斑直径0.4mm～0.6mm，激光倾斜角度0°～5°，能大幅度降低镍基高温合金激光焊热影响区的温度1280℃～1380℃区域中液化裂纹。
8、应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
9、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
10、1、本发明采用的镍基高温合金激光焊接技术，能有效抑制普通激光焊中过高功率密度所引起的焊缝表面塌陷，明显改善焊缝成形，提高了镍基高温合金激光焊接接头组织的致密性和接头质量。
11、2、本发明采用的镍基高温合金激光焊接技术，一方面，有效抑制高温合金激光焊热影响区共晶相的形成，另一方面，降低了热影响区的冷却速度，减少液化裂纹的形成。
12、3、本发明采用的镍基高温合金激光焊接技术，能在较高焊接速度且焊缝成形良好的条件下，减少镍基高温合金激光焊接热影响区液化裂纹。
13、4、本发明采用的镍基高温合金激光焊接技术，能够大幅度降低焊接飞溅，无需真空、无需焊前预热、热处理和焊后缓冷，常规空气环境即可实现焊接，焊接成本低，效率高。
技术特征：
1.一种镍基高温合金激光焊热影响区液化裂纹控制方法，包括以下步骤：提供一对镍基高温合金，将所述高温合金端面进行拼接，拼接缝形成待焊接区域；激光焊接光源提供至少一束激光束，所述激光束对所述拼接缝上表面进行连续辐照，形成熔融金属，将所述激光束沿着所述拼接缝上表面前进使激光束接触区域的高温合金熔化凝固形成焊缝，从而完成激光单面焊接双面成形且一次完成；所述激光束在沿所述拼接缝前进的方向为焊接方向，其特征在于，所述激光束沿所述焊接方向前进的同时，在垂直于焊接方向上以直线方式往复运动，进行激光深熔焊接，实现焊缝熔透且对接单道焊缝深度≧4mm，从而抑制镍基高温合金激光深熔焊的热影响区1280℃～1380℃温度区域的液化裂纹产生。
2.根据权利要求1所述的镍基高温合金激光焊热影响区液化裂纹控制方法，其特征在于，所述激光焊接光源的光功率≧6000w，焊接速度≧2.1m/min，所述激光束垂直移动幅度为1.5～2.5mm。
3.根据权利要求1所述的镍基高温合金激光焊热影响区液化裂纹控制方法，其特征在于，所述激光束往复移动频率≧250hz，所述激光束焦点光斑直径0.4mm～0.6mm，所述激光束倾斜角度0°～5°。
4.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金激光焊热影响区液化裂纹控制方法，其特征在于，所述高温合金为固溶强化镍基高温合金。
技术总结
本发明提供了一种控制镍基高温合金激光焊热影响区的温度1280℃～1380℃区域中液化裂纹的焊接方法：采用往复运动(运动方向垂直于焊接方向)的激光对镍基高温合金进行连接，从而减少高温合金激光焊热影响区的温度1280℃～1380℃区域中的液化裂纹。该方法通过往复运动的激光束对高温合金进行加热熔化、凝固，从而形成焊缝，同时改变了高温合金激光焊热影响区的温度梯度、组织演变和应力应变，减少热影响区液化裂纹的形成。本发明提供了一种高焊速条件下的镍基高温合金激光焊热影响区液化裂纹控制方法，工艺方法无需真空、无需焊前预热和焊后缓冷、热处理，焊接成本低，效率高。
技术研发人员：任闻杰,王艳俊,杨上陆,陈双建
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5