稀土對GH4169激光微焊接接頭組織性能的影響*

南昌航空大學(xué)輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室 陳玉華 謝吉林 黃永德 越祖朕

GH4169合金是一種沉淀硬化型鎳基高溫合金，在-253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能。650℃以下的屈服強度居變形高溫合金的首位，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，在航空航天、化工能源等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如，用于制造渦輪盤、渦輪軸、壓氣機葉片等部件[1-3]。在高溫合金的應(yīng)用中，焊接是一個必不可少的環(huán)節(jié)。高溫合金在焊接過程中由于受到焊接熱循環(huán)的作用，焊縫中會形成鑄造組織，出現(xiàn)粗大的柱狀晶粒；焊縫熱影響區(qū)容易產(chǎn)生液化裂紋，同時，晶粒也容易受熱粗化。焊接接頭組織不均勻，在拉伸過程中變形不協(xié)調(diào)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致接頭強度較低。有研究表明，稀土元素能夠有效地細化焊縫組織，降低焊縫中硫、氧等的含量[4-5]。激光焊接能量密度高，熔化母材量少，熔池存在時間極短，可以獲得較常規(guī)焊接方法質(zhì)量更好的接頭，研究者普遍認為它有利于高溫合金的焊接[6-7]。

本文通過添加稀土元素對0.2mm厚的薄片狀GH4169進行激光焊接試驗，分析添加稀土元素后，焊縫橫截面形貌、接頭微觀組織及力學(xué)性能的變化，從而驗證在GH4169的激光焊接中添加稀土的方法是否可行。

1 試驗條件及方法

試驗材料選用退火態(tài)的GH4169高溫合金，其化學(xué)成分如表1所示。試樣經(jīng)線切割加工成尺寸為30 mm×20mm×0.2mm的薄片狀，稀土添加劑主要成分是CeO2。

試驗采用意大利SISMA公司的SL-80型Nd: YAG脈沖激光焊機，平均功率為80W。焊前用砂紙打磨試件表面以去除氧化膜，再用丙酮清洗。用丙酮將稀土溶解后，用毛刷將其均勻地涂覆到試件的表面，涂覆程度以遮蓋表面金屬光澤為宜。焊接過程中采用整體氣體保護罩，采用氬氣保護。

表1 GH4169 的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）%

焊后垂直于焊接方向截取金相試樣和拉伸試樣，金相試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕后，用4XB-TV顯微鏡進行金相分析。采用WT-401MVD型顯微硬度計測量焊縫橫截面的顯微硬度分布，拉伸試樣在Instron5543型電子精密拉伸機上進行拉伸測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化

通過大量焊接工藝參數(shù)探索發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖功率百分比為8%時焊縫成形較差，背面出現(xiàn)氧化及未焊透缺陷；而當(dāng)脈沖功率百分比為17%時，焊縫成形良好；繼續(xù)增加到20%時，焊縫金屬汽化嚴重，發(fā)生燒穿。隨著脈沖功率的增加，激光對焊縫的熱輸入量逐漸增大，當(dāng)熱輸入合適時，焊縫成形良好；熱輸入量較小時，無法充分熔化材料，造成焊縫未焊透；熱輸入量過大，材料汽化燒損量增加，導(dǎo)致剩余金屬無法回流填充熔池，從而形成燒穿。

在獲得良好焊縫成形的基礎(chǔ)上，采用正交優(yōu)化設(shè)計的方法以獲得較高的接頭承載能力為目標對其焊接工藝進行了優(yōu)化，結(jié)果如表2所示。從表2的分析結(jié)果可知，當(dāng)脈沖功率百分比P為17%，脈沖頻率F為4.0Hz，脈沖寬度T為3.1ms時焊接接頭能獲得最大抗拉強度，抗拉強度為827MPa。

2.2 接頭的顯微組織特征

表2 添加稀土后焊接正交優(yōu)化試驗結(jié)果及其極差分析

根據(jù)試驗結(jié)果，添加稀土的焊縫呈規(guī)則的梯形，而未添加稀土的焊縫則是出現(xiàn)了典型的碗狀（見圖1（a））。分析認為，焊縫的橫截面成形與焊縫熱輸入量有較大關(guān)系，當(dāng)焊縫表面涂覆有稀土元素時，雖然焊接工藝相同，但是稀土元素在試件表面能夠增加對激光的吸收率，從而增加了焊縫的熱輸入量；稀土元素以氧化物的形式存在，熔化后增加了焊縫中的氧含量，改善熔池表面張力，增大熔池向厚度方向的傳熱，減小了溫度梯度，從而形成了梯形焊縫。此時稀土元素的作用是充當(dāng)了活性劑的功效。

對比分析焊接接頭融合線組織可知，金相組織都有明顯的規(guī)律，靠近融合線的母材并沒有出現(xiàn)粗大的熱影響區(qū)組織，而靠近融合線的焊縫出現(xiàn)了一層細小的組織，然后是明顯的柱狀晶（見圖1（b））。這是由于激光焊接速度非常快、能量集中、熱輸入量小，從而使得母材受到的熱作用較小，形成的熱影響區(qū)寬度很小。在靠近熔合線的焊縫邊緣，由于靠近母材，受到母材的激冷作用，溫度梯度很大，容易形成一層細小的晶粒。隨著位置遠離母材，溫度梯度減小到有利于柱狀晶的生成，當(dāng)?shù)竭_焊縫中心時，由于焊縫中心的溫度分布均勻，溫度梯度相對熔合區(qū)來說進一步減小，液相中形成很寬的成分過冷區(qū)，此時不僅在結(jié)晶前沿形成樹枝狀結(jié)晶，同時也能在液相的內(nèi)部生核，產(chǎn)生新的晶粒。這些晶粒的四周不受阻礙，可以自由成長，形成等軸晶。接頭焊縫中心區(qū)的等軸晶晶粒都非常細小，稀土元素的作用并不明顯，這在一方面反映了激光微焊接的特點。

對添加稀土GH4169高溫合金的激光焊接接頭進行元素線掃描分析，結(jié)果如圖2所示（粉紅色為Ce元素的分布曲線）。從圖可知，添加的稀土元素在焊縫中分布均勻，無區(qū)域偏析現(xiàn)象。

圖1 未添加稀土的接頭顯微組織Fig. 1 Microstructure of the joint without rare earth

圖2 添加稀土焊縫區(qū)EDS分析Fig.2 EDS analysis of weld zone With rare earth

2.3 接頭的力學(xué)性能

圖3是焊接接頭的顯微硬度分布圖。從圖中可以看出，無論是否添加稀土元素，焊縫的顯微硬度都比母材的要高。未添加稀土的接頭焊縫平均顯微硬度為390HV，而添加稀土元素的接頭焊縫平均顯微硬度為340HV。添加稀土元素能夠降低焊縫接頭的硬度，接頭的熱影響區(qū)和母材區(qū)域的顯微硬度在添加和不添加稀土元素時都基本保持相同的趨勢，這與具體試驗相符合。

圖3 接頭顯微硬度分布Fig.3 Hardness distribution of the joint

圖4是拉伸試樣及拉伸斷裂位置，拉伸結(jié)果如表3所示。從圖3中可以看出，兩種拉伸試樣的拉伸區(qū)都因塑性變形而變窄，在拉伸后拉伸試樣焊縫處出現(xiàn)明顯的“竹節(jié)”現(xiàn)象，試樣接頭強度高于母材的抗拉強度。從表3的結(jié)果可以看出，添加稀土元素后接頭的延伸率大幅增加，從未添加時的1.69%增加到18.18%。上述結(jié)果表明，激光焊接GH4169高溫合金能夠獲得高于母材抗拉強度的接頭，表明在稀土元素的作用下，焊接接頭的塑性和韌性有了較大的改善。

圖4 拉伸試樣及斷裂位置圖Fig.4 Fracture location of the tensile sample

表3 拉伸試驗結(jié)果

3 結(jié)論

采用脈沖激光焊接工藝對表面涂覆了稀土元素的0.2 mm厚GH4169高溫合金進行對接焊接，焊接結(jié)果表明：

（1）添加稀土元素的GH4169激光焊接最優(yōu)工藝參數(shù)是脈沖功率17%、脈沖頻率4.0Hz、脈沖寬度3.1ms，此時接頭抗拉強度為827MPa；

（2）添加的稀土能夠在焊接過程中起到活性劑的作用，增加材料對激光的吸收率；

（3）稀土元素能夠在焊縫中均勻分布，降低焊縫的顯微硬度，增強焊縫韌性和塑性，但是對微激光焊焊縫的晶粒細化作用不明顯。

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