GH5188高溫合金薄板CMT-Pin焊接變形研究

熊夢如，王欣，邢麗

1.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院 江西南昌 330063

2.珠海市福尼斯焊接技術(shù)有限公司 廣東珠海 519015

1 序言

高溫合金是指在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作的金屬材料，具有優(yōu)異的綜合性能，可分為鐵基、鎳基和鈷基高溫合金三類[1]。GH5188高溫合金是固溶強化型鈷基高溫合金，具有良好的高溫抗氧化性能，同時具有滿意的加工成形、焊接等性能，適于制造航空發(fā)動機上在980℃以下要求高強度和在1100℃以下要求抗氧化的零件[2]。

近年來，由于船舶工程、汽車工業(yè)、航空航天等大型構(gòu)件制造材料的輕量化需求，薄板構(gòu)件因其質(zhì)量輕、易加工成形等諸多特點被廣泛使用。但由于焊接過程中焊接應(yīng)力的釋放、熱分布不均勻等原因?qū)е卤“搴附訕O易產(chǎn)生變形，從而影響焊接質(zhì)量和焊件外觀[3]。

在焊接鈷基合金時，與鎳基合金和鐵基合金相同，焊接熱輸入是影響熱裂紋產(chǎn)生的重要因素之一。在焊接過程中，應(yīng)采用較低的焊接熱輸入，避免因金屬間化合物的析出而影響合金抗熱裂性能。合金中的雜質(zhì)元素S、P，以及低熔點金屬Pb、Zn、Bi等，由于不溶于鈷或者與鈷發(fā)生共晶反應(yīng)，會引起合金脆性，且這些元素可能會在焊接時引起熱裂紋，所以應(yīng)減少這些元素在合金中的含量，同時要盡可能保證這些元素不會污染焊接區(qū)。由于焊接區(qū)清潔度的保證是獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的先決條件，同時也影響焊縫區(qū)出現(xiàn)氣孔[4]，因此焊接鈷基合金部件時，焊前清理工作極為重要。

CMT（Cold Metal Transfer）冷金屬過渡是奧地利福尼斯公司基于鋼與鋁焊接、無飛濺引弧技術(shù)以及微連接技術(shù)而成功開發(fā)的一種低熱輸入量焊接工藝[5]。在熔滴短路過渡時，焊機會收到短路信號，立即切斷焊接電源，同時將焊絲回抽以幫助熔滴脫落來實現(xiàn)熔滴的“冷過渡”。這種熱-冷-熱交替的加熱方式，極大地降低了CMT增材過程中的熱輸入[6]。

CMT焊接技術(shù)的創(chuàng)新之處在于將熔滴過渡與送絲運動結(jié)合，大大降低了焊接過程的熱輸入量，真正實現(xiàn)了無飛濺焊接。而CMT-Pin技術(shù)是在CMT焊接技術(shù)基礎(chǔ)上增加了精密數(shù)字過程控制系統(tǒng)和整體反向送絲裝置，進(jìn)一步提高了焊接精度。

CMT-Pin工藝就是在焊絲接觸到金屬表面起弧，而焊絲不伸出熔池，熔池和焊絲迅速冷卻凝固下來，冷卻時間長短決定Pin的高度，最后焊絲通電后迅速回抽。而通過調(diào)節(jié)電流大小以及回抽時力的大小，就可以產(chǎn)生圖1所示不同的Pin頭形狀，包括“圓柱狀”“球狀”等。

圖1 CMT-Pin的Pin腳形狀

CMT-Pin技術(shù)是基于CMT焊接工藝的一種創(chuàng)新技術(shù)，其主要特點是精密數(shù)字過程控制和整體反向送絲裝置。本文采用CMT-Pin技術(shù)對GH5188高溫合金薄板進(jìn)行試驗，通過改變CMT-Pin的工藝參數(shù)，研究工藝參數(shù)對Pin腳外觀成形及試板變形的影響。

2 試驗條件及方法

2.1 試驗材料及設(shè)備

（1）試驗材料 試驗采用GH5188鈷基高溫合金薄板，試板長度為100mm，寬度為80mm，厚度為0.8mm、1.2mm。試驗采用φ1.2mm 的GH5188焊絲。

（2）試驗設(shè)備 試驗采用福尼斯TPS CMT Advanced 4000型焊接電源、VR7000 CMT送絲系統(tǒng)和RCU 5000i遙控器配合使用，它能夠直接進(jìn)行送絲并且確保高精度的送絲距離，配備機器人可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。圖2為CMT-Pin焊接工藝。

圖2 CMT-Pin焊接系統(tǒng)

2.2 CMT-Pin焊接夾具

圖3所示為專用CMT-Pin焊接夾具，蓋板采用在高溫下仍能保持硬度和強度的TC4鈦合金板材，底板采用具有較高強度且導(dǎo)熱性能良好的5A06鋁合金板材。焊接時為了使試板散熱充分，會采用導(dǎo)熱性能好的銅板放置于底板上。

圖3 CMT-Pin焊接夾具

2.3 試驗方法

（1）試驗過程及方法 將0.8mm厚的GH5188高溫合金板材切割成長度為100mm、寬度為80mm的試樣。為使焊后試板變形測量不受其他因素影響，焊接前用無水酒精溶液清洗待焊工件、去除表面有機物質(zhì)及油污等，避免因雜質(zhì)對后期試驗過程產(chǎn)生不良影響。

圖4所示為CMT-Pin焊接示意，表1為焊接參數(shù)。拘束狀態(tài)焊接時，將焊接試板與專用CMT-Pin焊接夾具固定安裝于工作臺上，根據(jù)夾具蓋板上的預(yù)留孔位置，通過在線編程控制焊接機器人沿行走路徑進(jìn)行焊接。

表1 焊接參數(shù)

圖4 CMT-Pin焊接示意

（2）試板變形測量及數(shù)據(jù)處理 焊接試驗完成后，待試樣冷卻后再將其從專用焊接夾具中取出，并對焊后試板進(jìn)行編號，依次測量。

1）平面外變形測量。焊接變形發(fā)生于結(jié)構(gòu)板材平面之外的稱之為平面外變形。焊后試板發(fā)生的平面外變形即為沿Z方向（板厚方向）的變形值記為ΔH，在測量試板平面外變形值時，將試板放置于水平工作臺面，以中心Pin柱作為基準(zhǔn)進(jìn)行測量。測量的起始點從試板兩中心線開始，兩測量點距為10mm，直至試板兩邊的邊緣處，用變形云圖的方式表示試板的平面外變形。試板板長和板寬方向的中心線為A—A、B—B線，沿試板中心線測量平面外變形，兩測量點間距10mm，直至中心線兩端處。并且規(guī)定沿板長方向平面外變形為ΔHc，沿板寬方向平面外變形為ΔHk，變形值為正表示為上翹變形，變形值為負(fù)表示為下翹變形。

2）數(shù)據(jù)處理。根據(jù)焊后試板平面內(nèi)變形的測量數(shù)據(jù)，用Origin擬合出不同焊接熱輸入時，沿板邊收縮變形量的數(shù)據(jù)圖。用Origin軟件處理焊后試板平面外變形的測量數(shù)據(jù)，并運用Origin作出不同板厚和焊接熱輸入時的平面外變形云圖以及沿試板板長和板寬方向的中心線A—A、B—B的最大變形量的折線圖，以分析平面外變形與各因素之間的關(guān)系。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 CMT-Pin焊接的焊縫截面形貌

圖5所示為0.8mm的試板在拘束狀態(tài)下，熱輸入為50.9J/mm的焊縫橫截面的宏觀形貌。從圖中可以看出，焊縫與母材熔合良好，有一定的熔深。腐蝕后的試樣分為三層，最上層A區(qū)域為Pin柱（焊絲段），中間B區(qū)域為焊縫，最底層C區(qū)域為母材。

圖5 焊縫橫截面的宏觀形貌

圖6所示為焊縫熔合線處顯微組織形貌。從圖6中可以看出，熔合線附近發(fā)生了明顯的組織轉(zhuǎn)變，沿Pin腳向上方向晶粒由胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹А?/p>

圖6 焊縫熔合線處顯微組織形貌

3.2 CMT-Pin焊后試板平面外變形

（1）平面外變形特征 圖7所示為0.8mm的試板在拘束狀態(tài)下，只改變焊接熱輸入時焊后試板平面外變形的實物，圖7a、b分別為焊接熱輸入30.2J/mm和57.8J/mm。從圖7中可以觀察到，焊后試板沿厚度方向出現(xiàn)了高低不平的平面外變形，在沿試板板長方向出現(xiàn)上翹變形，沿試板寬度方向出現(xiàn)了下翹變形，焊后試板變形整體呈現(xiàn)典型的失穩(wěn)形態(tài)。

圖7 不同焊接熱輸入下的平面外變形宏觀實物

圖8所示為0.8mm的試板在拘束狀態(tài)下，只改變焊接熱輸入時焊后試板平面外變形云圖，圖8a、b分別為焊接熱輸入30.2J/mm和57.8J/mm，圖中紅色區(qū)域表示焊后試板發(fā)生上翹變形，藍(lán)色區(qū)域表示下翹變形。從圖8中可以觀察到，焊后試板的最大上翹變形量出現(xiàn)在板寬的兩端，沿板長方向的中間中心線附近；焊后試板的最大下翹變形量出現(xiàn)在板長的兩端，沿板寬方向的中間中心線附近，焊后試板整體呈現(xiàn)典型的波浪形失穩(wěn)形態(tài)。

圖8 不同焊接熱輸入下平面外變形云圖

分析認(rèn)為其產(chǎn)生的原因主要包括兩個方面：一方面，在CMT-Pin焊接過程中，試件中性面以上部分的熔化面積大，使得中性面以上部分的收縮力大于中性面以下部分的收縮力，使其產(chǎn)生上翹變形；另一方面，由于薄板為矩形件且厚度小，且離焊點較遠(yuǎn)處拘束應(yīng)力大，反之則小。拘束應(yīng)力較大的位置將對收縮變形產(chǎn)生一定的阻礙作用，使得薄板產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。當(dāng)殘余壓應(yīng)力超過薄板的臨界失穩(wěn)應(yīng)力時，就會產(chǎn)生失穩(wěn)變形。其失穩(wěn)臨界應(yīng)力可表示為

式中σcr——臨界應(yīng)力（MPa）；

δ——板的厚度（mm）；

B——板的寬度（mm）；

K——與拘束情況有關(guān)的系數(shù)。

由上式可知，當(dāng)拘束情況和板厚一定時，與板寬方向垂直的端面（A—A中心線方向）寬厚比小于與小于板長方向垂直的端面（B—B中心線）寬厚比，造成其失穩(wěn)的臨界應(yīng)力較小。同時，為了協(xié)調(diào)薄板變形，在沿板長方向會產(chǎn)生上翹（或下翹）的變形大于沿板寬方向。當(dāng)焊接熱輸入較大時，沿板邊的上翹和下翹變形所產(chǎn)生較大的彎矩相互作用，導(dǎo)致沿板長方向中心線處出現(xiàn)最大上翹（或下翹）變形，最終形成沿板邊方向的凹-凸形變形。

（2）板材厚度的影響 圖9所示為焊接試板在拘束狀態(tài)下，熱輸入量為44.0J/mm時，只改變板材厚度的大小，經(jīng)測量焊后試板平面外變形量后的數(shù)據(jù)圖。其中，圖9a、b分別為不同板材厚度下沿板寬平面外變形ΔHk和沿板長平面外變形ΔHc。

結(jié)合圖9分析，同一厚度下的焊接試板，焊后沿板材中心線A—A兩側(cè)平面外變形ΔHc的最大值大于焊后沿板材中心線B—B兩側(cè)平面外變形ΔHk的最大值。在拘束狀態(tài)下焊接1.2mm的試板焊后測得ΔHc的最大值為0.04mm，ΔHk的最大值為0.04mm，試板整體最大變形量為0.04mm；在拘束狀態(tài)下焊接0.8mm的試板焊后測得ΔHc的最大值為0.16mm，ΔHk的最大值為0.15mm，試板整體最大變形量為0.16mm。

從圖9可以看出，隨著板材厚度的增加，沿板材中心線A—A的最大變形量ΔHk逐漸降低，沿板材中心線B—B的最大變形量ΔHc逐漸降低，試板整體變形量逐漸降低。

圖9 不同板材厚度下平面外變形

對于上述現(xiàn)象分析認(rèn)為，在焊接時產(chǎn)生的薄板變形趨勢和原因是由于薄板的剛度小，焊后試板產(chǎn)生了失穩(wěn)變形，因而使得上翹、下翹變形方向不定。由失穩(wěn)的臨界應(yīng)力公式可知，焊接試板的厚寬比越小，臨界失穩(wěn)應(yīng)力也就越小，此試驗使用的試板為矩形板，因此沿板長方向的臨界失穩(wěn)應(yīng)力小于沿板寬方向，在同一厚度試板焊接時即承受相同壓應(yīng)力的作用下，沿板材中心線A—A兩側(cè)平面外變形ΔHc大于沿板材中心線B—B兩側(cè)平面外變形ΔHk。當(dāng)板材厚度增加時，板材剛度較大，拘束度越大，導(dǎo)致產(chǎn)生的變形量較小。因此，隨著試板厚度的增加，焊后變形程度降低。

（3）拘束狀態(tài)的影響 圖10所示為0.8mm的試板在拘束狀態(tài)下，熱輸入量為44.0J/mm時，只改變焊接時板材的拘束狀態(tài)，經(jīng)測量焊后試板平面外變形量后的數(shù)據(jù)圖。其中圖10a、b分別為不同拘束狀態(tài)下沿板寬平面外變形ΔHk和沿板長平面外變形ΔHc。

結(jié)合圖10進(jìn)行分析，同一拘束狀態(tài)下的焊接試板，焊后沿板材中心線A—A兩側(cè)平面外變形ΔHc的最大值大于焊后沿板材中心線B—B兩側(cè)平面外變形ΔHk的最大值。在無拘束狀態(tài)下焊接0.8mm的試板焊后測得ΔHc的最大值為0.23mm，ΔHk的最大值為0.20mm，試板整體最大變形量為0.23mm；在拘束狀態(tài)下焊接0.8mm的試板焊后測得ΔHc的最大值為0.16mm，ΔHk的最大值為0.15mm，試板整體最大變形量為0.16mm。

由圖10可以看出，同一厚度的板材在拘束狀態(tài)下進(jìn)行焊接時，沿板材中心線A—A的最大變形量ΔHc比在無拘束狀態(tài)下進(jìn)行焊接的最大變形量小，沿板材中心線B—B的最大變形量ΔHk也比在無拘束狀態(tài)下進(jìn)行焊接的最大變形量小，并且拘束狀態(tài)下進(jìn)行焊接，焊后試板整體變形量降低。

圖10 不同拘束狀態(tài)下平面外變形

對于上述現(xiàn)象分析認(rèn)為，在焊接時產(chǎn)生的薄板變形趨勢和原因是由于薄板的剛度小，焊后試板產(chǎn)生了失穩(wěn)變形，所以使其上翹、下翹變形方向不定，也是由于焊接試板上多處角變形疊加引起的波浪變形。由失穩(wěn)的臨界應(yīng)力公式可知，焊接試板的厚寬比越小，臨界失穩(wěn)應(yīng)力也就越小，此試驗使用的試板為矩形板，因此沿板長方向的臨界失穩(wěn)應(yīng)力小于沿板寬方向，在同一厚度試板焊接時即承受相同壓應(yīng)力的作用下，沿板材中心線A—A兩側(cè)平面外變形ΔHc大于沿板材中心線B—B兩側(cè)平面外變形ΔHk。同時在拘束狀態(tài)下由于產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力作用，使得焊后試板的外觀變形量小于自由狀態(tài)下的外觀變形。因此，在拘束狀態(tài)下的焊后試板變形程度小于無拘束狀態(tài)下的變形。由于收縮變形沿著焊點周圍各個方向上分布不均勻，并且當(dāng)焊點距板邊緣較近時散熱慢產(chǎn)生的變形大，距板邊緣較遠(yuǎn)時散熱快產(chǎn)生的變形較小，所以造成焊后試板平面外變形出現(xiàn)在板邊中心有較大的上翹或下翹變形。

4 結(jié)束語

1）在拘束狀態(tài)下進(jìn)行焊接，焊后試板平面外變形程度明顯小于在無拘束狀態(tài)下的變形程度；在有拘束的情況下，熱輸入量不變，隨著板材厚度的增加，試板的外變形減少。

2）試驗中平面外變形都呈現(xiàn)典型的波浪形失穩(wěn)形態(tài)狀。