Invar36 合金中厚板K-TIG 焊接頭組織及性能分析

劉紅兵，宣揚(yáng)，李一凡，程文浩，華學(xué)明，呂正南

（1.200240 上海市 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院；3.225200 江蘇省 揚(yáng)州市 江蘇誠德鋼管股份有限公司）

0 引言

近年來，Invar36 合金大量應(yīng)用于航空領(lǐng)域[1]。目前，飛機(jī)機(jī)翼材料主要為復(fù)合材料，在機(jī)翼制造過程中，為保證機(jī)翼尺寸精確，采用熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料相近的模具極其重要。而Invar36 合金熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料相近，因此成為了飛機(jī)機(jī)翼模具的首選。在上述應(yīng)用中，焊接技術(shù)是將小部件組裝成大部件的關(guān)鍵。

Invar36 合金是具有單相奧氏體組織的低膨脹合金，導(dǎo)熱系數(shù)低、熔池金屬粘性大。焊接時(shí)主要存在氣孔、裂紋和熱膨脹系數(shù)不匹配等問題[2]。Invar36合金常用焊接方法有MIG 焊[3]、TIG 焊[4]、激光焊[5]、激光-MIG 復(fù)合焊和攪拌摩擦焊（FSW）[6]。傳統(tǒng)的MIG 和TIG 焊接Invar36 合金時(shí)存在的主要問題是裂紋和焊縫與母材CTE 不匹配。Otte 等[7]通過改變填充金屬元素（Ni，Nb，C，F(xiàn)e），改善了焊縫與母材之間的熱膨脹系數(shù)失配以及裂紋問題。激光焊、激光-MIG 復(fù)合焊和攪拌摩擦焊是較先進(jìn)的焊接方法；Zhao 等[8]利用激光焊接了3 mm 厚的Invar36 合金，焊縫性能及熱膨脹系數(shù)優(yōu)異，但不適用于中厚板的Invar36 合金焊接；Jasthi 等[9]研究了Invar36 合金的攪拌摩擦焊（FSW），焊縫消除了氣孔和開裂等熔焊焊縫常見的問題。然而，攪拌摩擦焊的三維處理能力較弱。目前，利用上述焊接技術(shù)焊接Invar36 合金都具有一定的缺陷和不足。

Keyhole TIG，簡稱K-TIG 焊接技術(shù)是由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）于1997 年開發(fā)的一種升級版TIG 焊接技術(shù)。其原理是在傳統(tǒng)TIG 焊接基礎(chǔ)上，通過加大鎢極直徑，采用大電流（＞300 A）增加電流密度，產(chǎn)生更大的電弧壓力，將熔池中液態(tài)金屬推向兩側(cè)，形成一個(gè)小孔，從而實(shí)現(xiàn)深熔焊[10]。K-TIG 在具有TIG 焊穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，極大提高了熔深，最大熔透深度達(dá)13～16 mm[2,11]。相比傳統(tǒng)的MIG 多層多道焊接，無需填充金屬對中厚板進(jìn)行單道焊接，極大提高了焊接效率，減少了焊接變形[12]。該技術(shù)還具有良好的間隙容忍度，解決了激光焊接間隙容忍度低、裝配要求高、焊機(jī)成本高等缺點(diǎn)。目前，K-TIG 已應(yīng)用于多種材料的中厚板焊接，如鋯[13]、低碳鋼[14]、鈦[15]和異種金屬[16]的焊接。Cui等[17]實(shí)現(xiàn)了雙相不銹鋼水下焊接。在使用K-TIG 焊接時(shí)，小孔的穩(wěn)定性是完成K-TIG焊接的關(guān)鍵。Liu 等[18]研究了K-TIG 工藝中緩降電流邊鎖孔行為，減少了熱輸入，提高了質(zhì)量。

截至目前，關(guān)于K-TIG 焊接Invar36 合金的研究鮮有報(bào)道，因此本研究選用了飛機(jī)機(jī)翼復(fù)合材料模具常用的10 mm 和19 mm 厚 度的Invar36 合金為試驗(yàn)對象，分別采用K-TIG 焊單面焊雙面成型工藝和K-TIG 焊打底結(jié)合擺動(dòng)MIG 填充蓋面工藝進(jìn)行焊接，重點(diǎn)對比研究了焊縫成型、顯微組織以及拉伸性能等方面。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用的Invar36 合金材料成分如表1 所示，Invar36 合金具有單相奧氏體結(jié)構(gòu)。MIG 焊采用直徑為1.2 mm 的Invar M93 焊絲，焊絲成分及性能與Invar36 合金類似。Invar36 合金尺寸分別為：150 mm×100 mm×10 mm 和150 mm×100 mm×19 mm。10 mm 厚Invar36 合金試板不開坡口，19 mm 厚Invar36 合金試板坡口形式如圖1 所示。

圖1 19 mm 厚Invar36 合金焊接尺寸Fig.1 Test plate size of 19 mm-thick Invar36 alloy welding joints

表1 Invar36 合金成分(Wt%)Tab.1 Composition of Invar36 alloy

試驗(yàn)采用自主研發(fā)的K-TIG 焊機(jī)，鎢極直徑為8 mm，利用循環(huán)冷卻水冷卻鎢極，最高可實(shí)現(xiàn)800 A 電流焊接。圖2 為焊接設(shè)備及原理圖，圖3是2 種厚度的Invar36 合金焊接方法示意圖。

圖2 K-TIG 焊接設(shè)備Fig.2 K-TIG welding equipment

圖3 Invar36 合金焊接方法示意圖Fig.3 Schematic diagrams of Invar36 alloy welding method

10 mm 厚Invar36 合金采用單面焊雙面成型工藝，工藝參數(shù)如表2 所示；19 mm 厚Invar36 合金留有8 mm 鈍邊和45°V 型坡口，先采用K-TIG 焊完成鈍邊處打底焊，試板冷卻后，再采用擺動(dòng)MIG工藝完成填充和蓋面焊，工藝參數(shù)如表3 所示。

表2 10 mm 厚Invar36 合金焊接工藝參數(shù)Tab.2 10 mm-thick Invar36 alloy welding process parameters

表3 19 mm 厚Invar 合金K-TIG 及MIG 焊接工藝參數(shù)Tab.3 K-TIG and MIG welding process parameters of 19 mm-thick Invar alloy

焊接前，利用角磨機(jī)和丙酮去除試板表面油污及水分。垂直于焊接方向截取焊接金相試樣，利用150#-1 200#砂紙打磨試樣，然后使用0.5 μm 金剛石懸浮液對試樣進(jìn)行拋光，最后利用王水溶液腐蝕試樣15 s。利用光鏡、掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對焊縫進(jìn)行組織成分分析，并對焊縫進(jìn)行拉伸性能測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對焊縫成型的影響分析

首先，采用自熔焊方法系統(tǒng)地研究了焊接電流、焊接速度和間隙對焊縫成型的影響。圖4（a）—圖5（c）對比了不同焊接電流下的10 mm厚Invar36 合金K-TIG 自熔焊焊縫截面形貌。不同焊接電流下焊縫截面形貌差異明顯。隨著焊接電流的增加，焊縫熔寬變化較小，但熔深增加明顯。當(dāng)焊接電流為200 A 時(shí)，焊縫呈現(xiàn)又窄又寬的形貌。此時(shí)焊接電流遠(yuǎn)低于K-TIG 小孔模式焊接的電流，電弧力較小，無法形成小孔。焊接主要通過熱傳導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)熔深的增加，效率低，與傳統(tǒng)TIG 焊接相似。當(dāng)電流為350 A 時(shí)，焊縫熔深顯著增加。此時(shí)焊接電流產(chǎn)生的電弧力足以形成小孔，以小孔模式焊接的方式實(shí)現(xiàn)了焊接。焊接電流達(dá)到500 A 時(shí)，焊縫熔深進(jìn)一步加大，且焊縫達(dá)到了熔透狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了10 mm 厚Invar36 合金的單面焊雙面成型。值得注意的是，當(dāng)焊接電流為200 A 和350 A 時(shí)，焊縫出現(xiàn)明顯的焊接缺陷；焊接電流為350 A 時(shí)，焊縫小孔區(qū)的底部出現(xiàn)較大的工藝型氣孔。當(dāng)K-TIG 以小孔模式進(jìn)行焊接時(shí)，電弧產(chǎn)生了大量等離子流。等離子流是保證小孔側(cè)壁穩(wěn)定的關(guān)鍵，當(dāng)?shù)入x子流無法從焊縫底部排出時(shí)，大量的等離子流在熔池底部受到反作用力，重新向熔池流動(dòng)，極大地影響了小孔的穩(wěn)定性，極易造成小孔塌陷。此外，Invar36 合金的粘性較大，塌陷后，液態(tài)熔池金屬無法及時(shí)回流氣孔。因此，K-TIG 未實(shí)現(xiàn)全熔透焊接時(shí)，Invar36 合金焊縫極易形成工藝型氣孔，這表明K-TIG 焊接Invar36 合金中厚板時(shí)，足夠大的電流是保證焊接實(shí)現(xiàn)小孔模式焊接及全熔透焊接的關(guān)鍵。

圖4（d）—圖4（f）對比了不同焊接速度下10 mm 厚Invar36 合金K-TIG 自熔焊焊縫截面形貌。隨著焊接速度增加，焊縫熔深和熔寬降低明顯。3種焊接速度均實(shí)現(xiàn)了小孔模式的焊接，表明K-TIG焊接Invar36 合金時(shí)，焊接速度對焊接模式影響遠(yuǎn)低于電流。隨著焊接速度的增加，焊接熱輸入逐步減小，促使焊縫熔深和熔寬同步降低。當(dāng)焊接速度減小到一定程度時(shí)，焊縫無法實(shí)現(xiàn)完全熔透，此時(shí)等離子氣無法排出，出現(xiàn)工藝型氣孔如圖4（f）所示。

圖4 不同焊接參數(shù)焊縫截面圖Fig.4 Weld cross-sections of different welding parameters

中厚板焊接過程中，受坡口和鈍邊的加工精度影響，焊接間隙難以保持一致，間隙的波動(dòng)將顯著影響焊縫成形及小孔的穩(wěn)定性[19]。圖4（g）—圖4（i）對比了不同焊接間隙下10 mm 厚Invar36合金K-TIG 對接的焊縫形貌。3 種不同的焊接間隙下，焊縫均成形良好，都實(shí)現(xiàn)了全熔透焊接。然而，隨著焊縫間隙的增加，焊縫小孔區(qū)的焊縫寬度出現(xiàn)了明顯的增加，主要原因是焊縫間隙有利于小孔模式的形成[19]，使得電弧能量更加充分作用于焊縫底部，增加了小孔的直徑和小孔區(qū)寬度。值得注意的是，當(dāng)焊接間隙達(dá)到1 mm 時(shí)，由于焊接電弧力充分作用于熔池底部且焊縫間隙較大，使得部分熔池下淌，增大了焊縫背部余高，然而并未出現(xiàn)塌陷，說明K-TIG 焊接Invar36 合金具有良好的間隙容忍能力。這主要是因?yàn)橐簯B(tài)Invar36 合金中的Ni 含量較大，液體粘性和表面張力較高。

2.2 10 mm 厚Invar36 合金對接焊縫形貌與顯微組織分析

圖5 為10 mm 厚的Invar36 合金K-TIG 對接焊縫截面形貌圖。焊縫飽滿、成形良好，表面及背面余高適中，如圖5（a）所示。K-TIG 焊未添加填充金屬且采用了背部保護(hù)氣，充分避免了S、P 等雜質(zhì)元素的進(jìn)入熔池，且焊縫較寬，冷卻緩慢，有利于雜質(zhì)金屬逸出表面，避免柱狀晶中心線裂紋的形成。從圖5（a）、圖5（b）可以觀察到焊縫和熱影響出現(xiàn)了明顯的晶粒粗化現(xiàn)象，母材及熱影響區(qū)的平均晶粒尺寸分別為38 μm 和178 μm。母材、熱影響區(qū)和焊縫分別為細(xì)小奧氏體等軸晶、粗大奧氏體等軸晶和奧氏體柱狀晶，未發(fā)生相變[20]。Invar36 合金較高的Ni 含量擴(kuò)大了奧氏體區(qū)，使合金常溫狀態(tài)下為單相奧氏體。

圖5 10 mm 厚Invar36 合金顯微組織Fig.5 Microstructure of 10 mm-thick Invar36 alloy

由于K-TIG 焊接過程中焊縫過冷度低且冷卻速度慢，焊縫熔合線附近出現(xiàn)明顯聯(lián)生結(jié)晶現(xiàn)象，如圖5（c）所示；同時(shí)，還可觀察到半融化晶粒[21]。此外，焊縫熱影響區(qū)可觀察到退火孿晶，如圖5（d）所示，這是因?yàn)镮nvar36 合金具有面心立方結(jié)構(gòu)、層錯(cuò)能低、易出現(xiàn)退火孿晶[22]。圖6 為接頭EDS分析結(jié)果，母材、焊縫和熱影響區(qū)的Ni 焊縫量分別為36.15%，36.73%和36.68%，F(xiàn)e 含量分別為60.78%,61.64%和 62.10%。從焊縫到母材，F(xiàn)e 元素及Ni 元素含量基本保持不變，說明焊縫的熱膨脹系數(shù)保持基本不變。

圖6 K-TIG 焊縫EDS 分析Fig.6 EDS analysis of K-TIG weld

2.3 19 mm厚Invar36合金焊縫形貌與顯微組織分析

對于Fe 基材料而言，K-TIG 焊接最大的熔透深度為13～16 mm[13]，該焊接方法無法完成19 mm厚板材單面焊雙面成型。為此，本研究開設(shè)了坡口和鈍邊，利用K-TIG 和擺動(dòng)MIG 焊接分別完成了打底、填充和蓋面焊。

圖7 為19 mm 厚Invar36 合金焊縫截面形貌。如圖7（a）所示，焊縫成形良好，無明顯焊接缺陷。與10 mm 厚Invar36 合金焊縫相比，19 mm 厚Invar36 合金K-TIG 焊縫一側(cè)與10 mm 厚 Invar36合金K-TIG 焊縫成形基本保持不變，然而焊縫下半部分的小孔區(qū)發(fā)生了明顯的變化。10 mm 厚Invar36 合金K-TIG 焊縫，小孔區(qū)主要呈現(xiàn)U 型，而19 mm厚Invar36合金呈現(xiàn)V型。K-TIG 焊接19 mm厚Invar36 合金時(shí)，較大的板厚加大了焊接能量損失，無法熔化更多的金屬，使得鑰匙孔半徑線性縮小，呈現(xiàn)V 型。19 mm 厚Invar36 合金焊縫在此區(qū)域內(nèi)，柱狀晶粒生長方向呈一定角度傾斜向焊縫中心生長，見圖7（e）。對于10 mm 厚Invar36 合金K-TIG 焊縫，其底部柱狀晶生長方向垂直于焊縫中心線，見圖7（a）。與10 mm 厚的情況相同，19 mm 厚Invar36 合金焊縫也呈現(xiàn)奧氏體柱狀晶，見圖5（d），不同的是19 mm 厚Invar36 合金的熱影響區(qū)晶粒尺寸相對較小（～150 μm）。這主要是因?yàn)?9 mm 厚Invar36 合金較大的板厚消耗了更多的能量，熱影響區(qū)受熱循環(huán)時(shí)間減少。

圖7 19 mm 厚 Invar36 合金焊縫顯微組織Fig.7 Microstructure of 19 mm-thick Invar36 alloy weld

MIG 焊一側(cè)焊縫第1 層的晶粒生長方向主要是傾斜向中心線方向生長，第2 層生長方向幾乎垂直向上生長，見圖7（f）—圖7（g）。這主要取決于熔池散熱方向，柱狀晶的生長方向與散熱最快的方向相反，垂直于等溫線。MIG焊縫組織與K-TIG焊縫組織相同，均為奧氏體柱狀晶，不同的是相比于K-TIG 焊縫一側(cè)，MIG 焊一側(cè)的熱影響區(qū)晶粒有所降低（～131 μm）。焊接過程中焊絲成分與母材相同，未加入其他金屬元素，因此推測與K-TIG焊縫側(cè)相同，也未發(fā)生相變。

MIG 焊縫EDS 成分結(jié)果如圖8 所示，F(xiàn)e 元素和Ni 元素含量基本保持不變。焊接過程中焊絲的成分與Invar36 合金成分相同，因此焊接過程中出現(xiàn)合金元素的變化，焊縫金屬成分保持不變。值得注意的是，F(xiàn)e-Ni 合金中Ni 元素含量是合金保證合金低膨脹系數(shù)的關(guān)鍵，說明合金的熱膨脹系數(shù)基本保持不變。

圖8 MIG 焊縫EDS 分析結(jié)果Fig.8 EDS analysis of MIG weld

2.4 拉伸性能測試

圖9 展示了10 mm 和19 mm 厚Invar36 合金接頭拉伸試驗(yàn)位移-載荷曲線圖。10 mm 焊縫抗拉強(qiáng)度為427 MPa，19 mm 焊縫抗拉強(qiáng)度為452 MPa，其中母材的抗拉強(qiáng)度為441 MPa。后者強(qiáng)度高于前者是因?yàn)?9 mm 厚Invar36 合金接頭內(nèi)填充了部分金屬產(chǎn)生了余高，該部分焊縫金屬將會(huì)提供額外的斷裂載荷。10 mm 厚Invar36 合金焊縫延伸率為31%，19 mm 厚Invar36 合金焊縫延伸率為36%?？梢妰煞N厚度的焊縫均表現(xiàn)出良好的拉伸性能。

圖9 焊縫拉伸試驗(yàn)位移-載荷曲線Fig.9 Displacement-load curve of weld tensile test

3 結(jié)論

（1）10 mm 厚K-TIG 自熔焊研究結(jié)果表明，隨著焊接電流的增大，焊縫熔深增加，并由熱傳導(dǎo)模式焊接轉(zhuǎn)變?yōu)樾】啄Ｊ胶附印ｋS著焊接速度的增大，焊縫熔深和熔寬同步減少，但保持小孔模式焊接。隨著焊接間隙的增加，焊縫小孔區(qū)的寬度增加明顯。當(dāng)焊縫未實(shí)現(xiàn)熔透時(shí)，焊縫處極易形成工藝型氣孔。

（2）10 mm 及19 mm 厚Invar36 合金K-TIG 焊縫成形良好，無氣孔、裂紋等缺陷。然而，19 mm厚Invar36 合金MIG 焊縫一側(cè)第1 層的底部和兩側(cè)均出現(xiàn)了冶金型氣孔。

（3）10 mm 和19 mm 厚Invar36 合金焊縫熱影響區(qū)均出現(xiàn)明顯的晶粒粗化現(xiàn)象。10 mm 厚Invar36合金K-TIG 接頭熱影響區(qū)尺寸為178 μm，19 mm厚Invar36 合金K-TIG 側(cè)和擺動(dòng)MIG 焊側(cè)熱影響區(qū)晶粒尺寸分別為150 μm 和131 μm。焊縫區(qū)域均未發(fā)生相變，皆由奧氏體組成。其中，熱影響區(qū)為粗大的奧氏體等軸晶，焊縫為奧氏體柱狀晶。K-TIG焊縫及MIG 焊縫Ni 含量基本都保持不變，因此熱膨脹系數(shù)基本不變。

（4）拉伸測試結(jié)果表明：10 mm 及19 mm厚 Invar36 合金焊縫抗拉強(qiáng)度分別為427 MPa 和452 MPa，延伸率分別為31%和36%，均具有良好的拉伸性能。