Effect of laser welding technology on mechanical properties of K418 and 0Cr18Ni9 weld joints

目前，带涡轮增压的发动机在汽车领域被广泛应用，在国民经济发展中占据重要地位。作为发动机的重要部件，涡轮增压器对发动机性能的改善具有显著的作用，其中放气阀作为涡轮增压器的重要组件，其质量对实现涡轮增压的功能具有很大的影响。放气阀的关键部位通常是由铸态高温合金与铁基合金焊接而成的，这两种材料的热物性能相差很大，属于典型的异种材质焊接，且焊接形状为环形结构。目前该种焊接使用的方法主要有电子束焊和摩擦焊，但是电子束焊要求真空环境，所以焊接工件尺寸不能太大，焊接效率低、成本高，且电子束焊接过程中会产生对人体有害的X射线。摩擦焊的焊接接头质量差，经常会发生低温应力破坏。TOLLETT^[1]等人对这3种焊接工艺进行了研究，发现与其它焊接相比，激光焊接对基体的热影响是最小的，而在高温合金的焊接中，热裂纹与焊接热输入和热影响区的范围有关。MONTAZERI^[2]等人研究发现，在高温合金的焊接中，通过降低功率来减小热输入的方法可以有效地控制液化裂纹。

K418是一种典型的沉淀强化型高温合金，这种合金在凝固过程中形成的γ奥氏体基体相，沉淀强化元素会形成二次强化相γ′来实现合金的强化。在国标中K418合金的沉淀强化Al，Ti含量分别达到了6.0%和1%，其焊接难易程度根据焊接手册^[3]可知。随着Al, Ti含量的增加，γ′相体积分数增加，甚至有人认为当其质量分数超过0.06为不可焊材料。所以综上所述，K418合金的焊接难度较大。

虽然目前对激光焊接高温合金的报道已经很多^[4-8]，但专门针对K418合金裂纹的研究还相对较少。本文中针对这一现象研究激光焊接工艺参量(焊接功率、焊接速率、离焦量、焊接路径的选择等)对焊缝质量、裂纹形成、焊缝熔深、力学性能等方面进行了研究，为激光焊接K418合金与不锈钢的异种金属的研究提供了一定的参考。

本实验中所使用的材料为∅8mm的圆柱形铸态镍基K418合金和轧制态的0Cr18Ni9，厚度为1.6mm，化学成分分别如表 1和表 2所示。实验中所使用的激光器为IPG-4000型光纤激光器，最大输出功率为4000W。激光焊接头准直距离为150mm，聚焦距离为200mm，控制系统使用的是公司自主研发的Page Admin (PA)系统，保护气体为高纯氩气。工件配合间隙小于0.03mm，焊接设备重复定位精度高于0.02mm，焊接最高速率为30m/min。利用线切割沿起弧收弧处和垂直于起弧收弧处进行焊缝截面取样，利用铣床铣去表面1.1mm进行层面取样。样品利用100目~2000目的砂纸进行打磨后进行抛光，并利用王水进行腐蚀。通过光学显微镜观察焊缝宏观形貌，利用扫描电镜观察断口形貌。

K418高温合金和0Cr18Ni9激光焊接接头宏观形貌如图 1所示。从图 1中可以看出，通过控制合适的激光焊接工艺参量能获得外观质量较好的焊缝宏观形貌。

Figure 1.  Macromorphology of laser welded joint between K418 superalloy and 0Cr18Ni9

图 2所示为激光光斑在不同偏移量下的焊缝截面图。图 2a为激光光斑位于焊缝中间，图 2b为激光光斑偏向0Cr18Ni9一侧。从图中可以看出，当激光光斑位于焊缝正中间时0Cr18Ni9一侧会出现部分未融合的现象，这主要是因为0Cr18Ni9的熔点高于K418合金，而且K418合金的热导率比0Cr18Ni9的低很多，这就会使得当激光光斑位于焊缝中间进行焊接时，0Cr18Ni9一侧的热量散失大于K418合金一侧。所以在相同条件下0Cr18Ni9熔化所需的热量大于K418合金，为了保证焊接最佳效果，激光光斑应偏向0Cr18Ni9一侧。

Figure 2.  Cross section of weld

高温合金特别是沉淀强化高温合金焊接时产生裂纹的倾向很大^[9]，焊接过程中产生的裂纹以热裂纹为主，主要有凝固裂纹和液化裂纹，同时K418合金在焊后处理过程中还容易产生时效应变裂纹^[10-11]。图 3所示为典型的凝固热裂纹。形成该类裂纹的主要原因是焊缝液态金属在凝固过程中，当固相含量达到一定百分比时，形成的固相骨架将未凝固的液态金属分离开来，限制了液态金属的流动，使其凝固得不到充分的补缩^[12]。焊接过程中激光具有明显的集中热输入，而焊缝外温度较低，这样会形成较大的温度梯度，在这种作用下材料内部的热应力显著，在应力作用下会将未得到补缩的枝晶拉断形成凝固热裂纹，同时焊接过程中的热输入会使得焊缝处晶粒组织变得粗大从而降低了材料的塑性，这也会导致凝固热裂纹的产生。为了防止这种热裂纹的发生，应该尽量地延长焊缝的凝固时间，使得液态金属在凝固过程中能得到充分的补缩，所以从这方面来说应尽量减小焊接速率，延迟凝固时间。

Figure 3.  Hot crack of weld

图 4所示为焊接时产生的液化裂纹。这种裂纹是高温合金焊接时发生在热影响区的一种主要形式的裂纹，所以也叫做热影响区裂纹。这种裂纹具有沿晶开裂，从融合线向母材扩展的特性^[13]。在K418合金中晶界处聚集了少量的碳化物和Al, Ti形成的低熔点化合物，这些相存在熔点低的共性，在进行激光焊接时热影响区的温度达到其熔点，在晶界会形成一层液态薄膜，造成晶界液化。当这种晶界的液化薄膜承受不住材料的拉应力时会被拉裂形成液化裂纹。研究发现：在高温合金中，Al, Ti等γ′相形成元素和C含量越高，液化裂纹形成倾向约严重^[14-15]。为了尽量减少焊缝处γ′的析出，可以通过上述的将光斑偏向激光光斑应偏向0Cr18Ni9一侧，这样能有效地稀释焊缝中γ′相形成元素的浓度，另一方面应该尽量地减少热影响区的范围和热量，使得热影响区的温度不超过低熔点化合物的熔点，在实际生产中应该控制光斑直径，将激光能量束集中在熔池中间，以减少周边热输入。

Figure 4.  Liqueficaiton craks

在激光焊接中特别是快速激光焊接中气孔是一种非常常见的问题。在激光焊接中侧吹保护气能对焊缝起到保护的效果，同时能够一定程度地吹散等离子气体，在本实验过程中发现保护气的选择、吹气方向、气流量等因素都会对焊缝质量产生明显的影响。实验表明，焊接过程中保护气体的流量控制至关重要，当气流量过小时无法吹散等离子体，同时对焊缝表面的保护效果也很差，当气流量过大时, 对熔池产生较大的扰动，甚至会将液态金属吹离熔池，很容易产生气孔等缺陷。实验中发现，气流量约为12L/min时能达到较理想的焊接效果。

图 5所示为不同保护气体对焊缝形貌的影响。从图中可以看出, 用N₂做护气体比Ar做保护气体能有效地减少气孔的产生，这主要是因为惰性气体Ar在高温下与母材不会发生反应，当焊缝金属凝固时卷入熔池中的气体来不及溢出会形成如图 5a所示的气孔。而在高温下N₂能与0Cr18Ni9发生反应，所以焊缝内残留的气孔较少。

Figure 5.  Effect of different protective gases on weld morphology

图 6所示为焊缝周边材料的硬度。从图中可以看出, 依次从0Cr18Ni9侧到焊缝再到K418侧，硬度出现了先增大后减小再增大的现象，0Cr18Ni9的热影响区硬度高于母材，而K418的热影响区硬度变化不明显，焊缝的硬度值位于两者之间。这主要是因为激光焊接热影响区小，冷却速率极快，使得热影响区域出现一定的淬火硬化现象。焊缝的硬度低于K418合金母材的硬度是因为在激光焊接中快速熔化的0Cr18Ni9对K418合金起到了稀释的作用，从而减少了焊缝区域内的强化相γ′相的浓度，导致其硬度下降^[16-18]。对焊缝进行拉伸试验结果表明，焊缝约为0Cr18Ni9母材的89%，采用扫描电镜对断口进行观察，其结果如图 7所示。从图 7中可以看出，焊缝区域存在一定数量的韧窝，说明焊缝具有良好的韧性。

Figure 6.  Micro hardness of laser welding joint

Figure 7.  Micromorphology of fracture surface

(1) 在利用激光对0Cr18Ni9与K418高温合金进行焊接过程中，由于两者的热物性参量的区别，焊接时为了保证焊接最佳效果，激光光斑应偏向0Cr18Ni9一侧。

(2) 为了防止焊接过程中裂纹的产生，焊接时尽量使热影响区的温度不超过低熔点化合物的熔点，在实际生产中应该控制光斑直径，将激光能量束集中在熔池中间，以减少周边热输入。

(3) 焊接过程中保护气体的流量控制至关重要，当气流量约为12L/min时能起到较理想的保护效果。从焊接气孔来看，使用N₂可以降低气孔的生成, 但是N₂在高温下能与母材发生反应降低焊接接头的力学性能。

(4) 激光焊接热影响区小，冷却速率极快，使得热影响区域出现一定的淬火硬化现象，而焊缝的硬度值位于两母材硬度之间，焊接接头的强度约为母材的89%。