層狀雙金屬復合材料激光穿透焊 工藝及質量控制研究與展望

張小凡 張建勛

摘要：基于激光穿透焊的熔池流動行為特征提出的層狀雙金屬復合材料激光穿透焊技術，能實現層狀雙金屬復合材料的一次焊接成形，同時可降低基層金屬對復層金屬的稀釋和對其功能性能的破壞，在提高層狀雙金屬復合材料焊接質量和推廣應用等方面具有極大潛力。綜述了層狀雙金屬復合材料焊接相關的研究成果，闡明了激光穿透焊技術原理、特點以及工藝條件對焊接接頭組織性能的影響規(guī)律，并對其未來發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞：層狀雙金屬;激光穿透焊;Marangoni對流

中圖分類號：TG456.7? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2020）09-0079-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.08

0? ? 前言

層狀雙金屬復合材料是將兩種金屬材料，通過爆炸焊、軋制等方法復合在一起，形成機械結合或冶金結合的一種材料，可通過爆炸焊、軋制法、爆炸+軋制法、噴射沉積+軋制法等方法制備。層狀雙金屬復合材料在充分發(fā)揮兩種材料各自特性的同時可以兼具經濟性，降低設備和結構的制造成本，在石油化工等許多領域得到廣泛應用[1-3]。

由于層狀雙金屬復合材料基層和復層兩種材料的化學成分、熱物理性能、組織構成等都不相同，其焊接比均質材料復雜，是限制其應用和推廣的關鍵因素。目前對于層狀雙金屬復合材料的焊接，國內外采用的技術方案大多為：通過小熱輸入的鎢極氬弧焊對薄復層進行焊接，再在基層和復層之間填入適當的過渡層并通過TIG或MIG方式焊接，以防止焊縫基層金屬對復層金屬的稀釋和破壞，最后采用大熱輸入的MAG等方式對厚度較大的基層進行焊接[4-7]。幾種常見的層狀雙金屬材料焊接方案如圖1所示，總體為使用多層多道的方式分別焊接復層、過渡層、基層，工序多且復雜，焊接效率低下。

基于激光穿透焊接的熔池流動特性，張建勛等人[8]首次提出了層狀雙金屬激光共熔池穿透焊接技術，可實現層狀雙金屬材料的一次焊接成形，提高焊接效率，對層狀雙金屬復合材料的推廣應用具有重要意義。

1 激光穿透焊技術原理

激光穿透焊接時，被焊接材料在激光作用下迅速熔化和氣化，在金屬蒸氣的作用下形成一個充滿高溫金屬蒸氣和等離子體的小孔。在激光的持續(xù)作用下，熔池不斷向下延展，小孔不斷向下延伸，最終形成一個貫穿型的通孔。貫穿小孔形成后，在小孔內部，高溫金屬蒸氣從上、下孔口噴射而出，熔池上部和下部的熔融金屬在蒸氣摩擦力的驅動下分別向上、向下流動;在熔池表面，小孔區(qū)域熔融金屬溫度高，表面張力小，熔池邊緣熔融金屬體溫度低，表面張力大，熔池上、下表面的液態(tài)金屬在表面張力梯度牽引作用下分別向內流回熔池，在金屬蒸氣摩擦力和表面張力梯度的共同作用下，最終在熔池上部和下部分別形成Marangoni對流區(qū)，兩個對流區(qū)彼此之間相對獨立[9-10]。

基于激光穿透焊接的這種流動行為特征，張建勛等人[8]提出了使用激光穿透焊接實現層狀雙金屬復合材料的單道對接焊的新思路。其焊接原理如圖2所示，在激光穿透焊過程中，層狀雙金屬材料的基層和復層分別處于熔池上、下兩個部分的Marangoni對流區(qū)內，利用兩個Marangoni對流區(qū)之間相對獨立的特性，減少焊接過程中基層金屬與復層金屬間的對流交換，從而降低基層金屬對復層金屬的稀釋和破壞，最大限度保留復層金屬的成分和功能性能[12]。

2 激光穿透焊研究現狀

2.1 激光穿透焊機理與特征

茍寧年等[12-18]進行了DSS2205/X65層狀雙金屬復合材料激光穿透焊接研究。圖3和圖4分別為在激光功率4 000 W、焊接速度1.2 m/min，離焦量0 mm，氬氣保護下獲得的焊接接頭宏觀形貌和微觀組織，呈現層狀雙金屬復合材料激光穿透焊接接頭的典型特征。由圖3可知，層狀雙金屬復合材料激光穿透焊縫輪廓呈兩頭寬、中間窄的“X”形貌;在厚度方向上，焊縫組織存在明顯的界限，呈與母材相近的分層特征。焊縫的上、下兩部分組織分別與母材基層、復層相近，而焊縫中部兩種組織同時存在，呈交錯混合的狀態(tài)。

圖4為雙金屬激光焊焊接接頭的微觀組織。圖4b從左到右分別為焊縫上部、焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)的顯微組織，由圖4b1可見，接頭上部的焊縫區(qū)域存在貝氏體和馬氏體，圖4b2、4b3分別為熱影響區(qū)細晶區(qū)和粗晶區(qū)的顯微組織，由針葉鐵素體、多邊形鐵素體以及貝氏體組成，圖4b4為母材基層組織，由貝氏體和多邊形狀鐵素體組成。圖4c為接頭下部的顯微組織，圖4c1為焊縫復層區(qū)組織，由大量具有方向性的鐵素體柱狀晶及在其晶間和晶內析出的羽毛狀、點狀奧氏體組成，圖4c2則為接頭復層側的熱影響區(qū)，其組織主要由多邊形鐵素體及在其晶間不連續(xù)析出的奧氏體組成，圖4c3則為母材復層的顯微組織，由含量相近的鐵素體和奧氏體組成。圖4d為焊縫中部顯微組織，可以看到焊縫中部組織存在兩種組織，分別與焊縫上部和下部相同，兩種組織之間有清晰的界面，由圖4d2可見，界面的厚度約為10 μm。

焊縫選區(qū)EDS能譜和元素含量的統(tǒng)計結果分別如圖5和表1所示?？梢钥吹胶缚p的基層和復層區(qū)域成分有明顯差別，分別與母材基層、復層相近，但焊縫復層的鐵元素含量從母材的69.5%增至71.5%，Cr元素含量則由22%降至15%，Ni、Mo等其他元素含量也有明顯的下降。

表1的成分分布特征表明，焊接過程中熔池上、下兩部分的液態(tài)金屬流動符合Marangoni對流特征，但熔池中的基層金屬和復層金屬仍發(fā)生了少量相互對流，造成復層區(qū)域Cr、Ni等貴金屬元素含量的流失。

接頭復層側電化學測試結果如圖6所示，可以看出，雙金屬激光穿透焊接頭復層側與母材DSS2205相比，具有相當的自腐蝕電位，但點蝕電位明顯降低，說明其耐腐蝕性能與母材復層相當，但耐點蝕性能明顯降低。一方面，激光焊接過快的冷卻速度導致復層區(qū)奧氏體含量急劇下降，破壞了DSS2205奧氏體與鐵素體之比接近1∶1的平衡組織，影響了鈍化膜的生成;另一方面，由于Cr、Ni等貴金屬元素的流失，鈍化膜穩(wěn)定性下降，最終導致接頭耐點蝕性能的下降。

針對雙金屬激光穿透焊所存在的復層貴金屬元素流失、耐腐蝕性能降低等問題，張建勛、茍寧年等人研究了光斑直徑、復合板基層位置和厚度、焊接工藝參數、串聯(lián)MIG焊等對雙金屬復合材料激光穿透焊接頭組織性能的影響。

2.2 激光光斑直徑對組織性能的影響

茍寧年等[14]選取了0.6、0.3 mm兩組光斑直徑分別進行DSS2205/X65的激光共熔池穿透焊接，研究結果表明，在激光功率相同時，0.3 mm組激光功率密度較0.6 mm組更高，焊接過程中可達到的峰值溫度也更高，在焊后冷卻過程中，焊縫停留在奧氏體形核和長大溫度區(qū)間的時間更長，生成的奧氏體含量更多，奧氏體、鐵素體兩相更接近于1∶1的平衡比例，接頭復層區(qū)具有更好的耐點蝕性能。同時，對不同試驗組不同區(qū)域的EDS成分掃描結果表明，小光斑直徑更利于焊縫復層區(qū)的元素保留。

2.3 基層厚度和位置對組織性能的影響

茍寧年等[14]加工了基層、復層均為2 mm的DSS2205/X65雙金屬復合板，分別采取基層在上、復層在上兩種方式進行焊接。研究結果表明，相比于復層金屬在下方，基層金屬在下方時焊縫復層區(qū)保留了更多的Cr元素，說明層狀雙金屬激光穿透焊接過程中，熔池中的液態(tài)金屬在蒸氣摩擦力的驅動下，更趨于向上運動。

張小凡等[15]加工了基層厚度分別為0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm，復層金屬厚度為2 mm的雙金屬復合板，以基層金屬厚度、激光功率和焊接速度為變量設計了3水平3因素的正交試驗，對焊后接頭進行了焊縫復層區(qū)EDS分析、奧氏體含量測量、接頭復層側電化學、性能測試。研究結果表明，隨著基層金屬厚度減小，熔池中部基層液態(tài)金屬占比減小，其對復層金屬的稀釋作用隨之減弱，焊縫復層區(qū)因此可以保留更多的貴金屬元素;但當基層金屬厚度過小，部分復層金屬將接近頂部液態(tài)金屬流動速度較快的 Marangoni 對流區(qū)甚至包含在其中，與基層金屬發(fā)生較多的對流交換，從而導致焊縫復層區(qū)貴金屬元素保留量下降。

2.4 焊接工藝參數對組織性能的影響

茍寧年等[16]研究了不同焊接速度對層狀雙金屬激光焊接接頭耐腐蝕性能的影響，研究結果表明，隨著焊接速度的增大，熔池中基層與復層的金屬對流交換減少，熔池更加穩(wěn)定，焊縫復層區(qū)的鐵素體與奧氏體的比例更接近于1∶1，接頭有更好的耐點蝕性能。

張建勛等[12]將基層金屬厚度減薄至1 mm，以激光功率、焊接速度、離焦量、背保護氣N2含量作為變量，設計了4因素4水平的正交試驗，以復層Cr、Ni含量為參量，分析各因素對復層貴金屬含量的影響規(guī)律，如圖7所示，最終獲得的優(yōu)化工藝為：焊接速度2.5 m/min，激光功率3 000 W，離焦量-1 mm，背保護氣氮氣含量5%，在優(yōu)化工藝下進行焊接后對焊縫復層側進行EDS成分檢測，得到復層側Cr、Ni含量分別為21.4%和4.5%，復層貴金屬元素的流失率降至3%。對優(yōu)化工藝下獲得的接頭復層側耐腐蝕性能進行研究，結果表明雖然焊縫復層區(qū)貴金屬元素得以極大保留，但由于激光焊接冷卻速度過快，母材復層奧氏體含量降低，母材的鐵素體、奧氏體組織的相比例平衡被打破，接頭復層側耐點蝕性能與母材復層相比仍明顯下降。

2.4 激光-MIG復合焊接

Gou N. N.等[17]采取激光-MIG復合焊接的方式對X65/DSS2205雙金屬復合板進行焊接，其原理如圖8所示，MIG焊一方面起到對基層金屬底部的填充連接作用，另一方面通過電弧的再加熱作用，延長焊縫組織冷卻時在奧氏體轉變區(qū)間的停留時間，從而提高奧氏體含量，改善接頭的耐蝕性能。

將激光焊接工藝固定為2.3節(jié)中所述的優(yōu)化工藝，以MIG焊的焊接電流和激光-MIG焊間距作為變量，研究串聯(lián)的MIG焊接對雙金屬激光焊接接頭組織性能的影響。結果表明，在適當的MIG焊電流和激光-MIG間距條件下，可以在保留復層貴金屬元素的基礎上，提高復層奧氏體含量至50%左右，使焊縫復層區(qū)組織達到1∶1左右的平衡比例，將接頭的耐腐蝕性能提升至與母材相當的水平。

3 研究與應用展望

3.1 對焊縫中間層的調控和研究

在目前已發(fā)表的相關研究中，對雙金屬材料激光穿透焊縫成分、組織與性能的研究多集中在焊縫上、下兩部分，分別與母材基層、復層相近的均勻組織部分，而對于在焊縫中部兩種組織同時存在的中間層區(qū)域的研究相對較少。與中間層兩種組織同時存在、界限分明而又交錯混合的特征相對應，在焊縫中間區(qū)域的成分、組織、性能理應有類似的特點，具有較大的不均勻性，可能會影響整個接頭的組織性能，因此，對焊縫中間層的調控和研究是對雙金屬激光穿透焊接接頭組織性能調控和研究的一個重要內容。

3.2 雙金屬激光共熔池流動行為探究

在雙金屬復合材料激光穿透焊接過程中，其熔池為兩種金屬共同存在的共熔池，其流動行為與焊縫成形直接相關，是解釋雙金屬復合材料激光焊接接頭組織性能的重要途徑。但目前在國內外的相關研究中，尚無對激光共熔池流動行為的直接研究。張建勛的團隊目前正通過兩方面的工作探索雙金屬激光共熔池的流動行為：一方面通過高速攝影和金相組織分析相結合的方式，對雙金屬激光共熔池的流動行為進行直接觀察和分析;另一方面，嘗試通過流體行為的數值模擬和實驗相結合的方式，研究雙金屬激光共熔池的流動行為及其對接頭凝固組織的影響。

3.3 電磁輔助雙金屬激光焊接

電磁輔助方法作為一種無污染、施加方便、組合多樣的輔助方法，近年來被越來越多的研究者用于輔助激光焊接，通過外加的電磁場與激光焊接熔池中的電流相互作用，影響熔池的流動行為，改變熔池中的傳熱傳質過程，從而影響焊接接頭成形，改善接頭的組織與性能[18]。張建勛等[19]基于磁場的這種特性，構思了使用穩(wěn)態(tài)磁場對雙金屬復合材料激光穿透焊縫中間層進行調控的新思路，研究結果表明，在磁場條件適當的條件下，可以實現中間層厚度減小等有益效果，證明了電磁輔助方法是實現層狀雙金屬復合材料激光焊焊接接頭組織性能調控的一種有效方法。

3.4 在新材料中的應用

鄭祖山等[20]以冷軋鈦/鋼層狀雙金屬復合板為試驗對象，通過激光穿透焊的方式獲得了性能良好的焊接接頭，其研究成果說明，層狀雙金屬激光穿透焊技術可以應用于更多的層狀雙金屬材料的焊接，隨著在更多材料中的研究和應用，層狀雙金屬材料激光穿透焊技術將不斷完善，最終走向成熟。

4 結論

（1）層狀雙金屬復合材料激光穿透焊技術基于激光穿透焊接的熔池流動行為特征，亦即在熔池上下表面存在的相對獨立的Marangoni對流區(qū)，在實現層狀雙金屬材料的單道焊接成形的同時，可以降低基層金屬對復層金屬的稀釋與破壞。

（2）通過激光穿透焊工藝，如光斑直徑、復合板基層位置和厚度、焊接工藝參數、激光-MIG焊接等對層狀雙金屬材料激光焊焊接接頭的影響規(guī)律試驗研究，獲得了組織性能良好的焊接接頭。

（3）作為一種新技術，激光穿透焊進一步的研究方向包括焊縫中間層組織性能的調控和研究、雙金屬激光共熔池流動行為探究、電磁輔助雙金屬激光穿透焊研究以及在更多復合材料中的應用。

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Research and prospect of laser penetration welding technology

and quality control for layered bimetal composites

ZHANG Xiaofan， ZHANG Jianxun

（State Key Laboratory of Metal Material Strength， Xi'an Jiaotong University， Xi'an 710049， China）

Abstract： Based on the characteristics of molten pool flow behavior of laser penetration welding， the laser penetration welding technology of layered bimetallic composites is proposed， which can realize the one-time welding forming of layered bimetallic composites， reduce the dilution of base metal to clad metal and damage its functional properties， which has great potential in improving the welding quality of layered bimetallic composites and promoting its application power. In this paper， the research results related to the welding of layered bimetallic composites are reviewed. The principle and characteristics of laser penetration welding technology and the influence of process conditions on the microstructure and properties of welded joints are expounded. The future development direction of laser penetration welding is prospected.

Keywords： lamellar bimetallic; laser penetration welding; Marangoni convection;