GH4169-電鑄鎳異種金屬搭接接頭電子束焊接工藝研究

劉 敏 張麗娜 馬麗翠 王彥超 曹輝輝

GH4169-電鑄鎳異種金屬搭接接頭電子束焊接工藝研究

劉 敏 張麗娜 馬麗翠 王彥超 曹輝輝

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

結合型號產品焊接要求開展了限定下層進入熔深的GH4169與電鑄鎳搭接電子束焊接工藝試驗，進行了接頭顯微組織分析及斷口檢測分析。研究結果表明：搭接間隙對焊縫橫截面形貌及下層進入熔深有直接影響，當裝配間隙大于0.7mm時，無法形成連續搭接焊縫；增加焊接熱輸入可增大下層進入熔深，束斑掃描功能有效增加了焊縫寬度及搭接面焊縫熔寬；GH4169與電鑄鎳搭接接頭斷口呈現韌窩形貌，為韌性斷裂。

搭接接頭；GH4169；電鑄鎳；下層進入熔深

1 引言

GH4169是時效強化鎳基合金[1～4]，在固溶合金基礎上，通過填加較多的鋁、鈦、鈮和鉭等元素而發展成的。這些元素除強化固溶體外，還與鎳結合形成共格穩定、成分復雜的金屬間化合物，同時，鋁、銅、硼元素與碳形成各種碳化物，使合金的熱強性大大提高。此外，這類合金中還加入微量硼、鋯和稀土元素，形成間隙相，強化晶界。電鑄鎳作為用電沉積方法獲得的純鎳，其耐蝕性、力學性能尤其是高溫熱穩定性優良。近年來，隨著航天發動機工作壓力和熱負荷的提高，GH4169、電鑄鎳憑借優良的綜合性能在航天發動機中受到廣泛應用。

在焊接結構中，搭接接頭以其連接的靈活性優勢被廣泛應用于薄板構件連接、加強筋肋連接中。現役某航天型號發動機產品因材料強度和制造工藝的需求，采用外層GH4169和內層電鑄鎳的異種金屬搭接電子束焊接結構。電子束焊接作為高能量密度的一種焊接方法，具有熱輸入量小、熱影響區窄、焊接變形小、焊接效率高等優點，通過電子槍產生的高速、高密度電子轟擊待焊接區，其固有的熱沖擊特性可獲得不同于常規熔焊的焊縫形貌與焊縫組織，其焊縫深寬比更大[5，6]。

某型號航天發動機產品結構復雜，要求下層進入電鑄鎳的熔深大于1.5mm且不大于4mm，基于型號需求開展限定下層進入熔深的GH4169與電鑄鎳搭接電子束焊接工藝試驗，進行接頭顯微組織分析與性能檢測，分析搭接間隙對下層進入熔深的影響，獲得優化的電子束焊接工藝及滿足設計指標的接頭。

2 焊接結構及試驗方案

2.1 試驗結構及材料

產品外層GH4169鋼套厚度4mm，鈑金成形；內層電鑄鎳厚度約5mm，機械加工型面，結構示意如圖1a所示。因鈑金成形工藝方法局限性導致鋼套與電鑄鎳之間存在貼合間隙，對實際產品進行間隙測量，裝配間隙具有隨機性與不連續性，間隙范圍為0～1mm。

試驗試板熱處理狀態與產品一致，GH4169為固溶態，厚度4mm；電鑄鎳試板為退火態，厚度為5mm。搭接試板結構示意如圖1b所示。

圖1 焊接結構示意圖

2.2 試驗方法

焊接試驗采用真空電子束焊接，焊接設備型號為GENEOVA98。焊前使用無水乙醇或汽油清洗GH4169試板、電鑄鎳試板，保證待焊接面干凈無油污。

結合實際產品裝配狀態，設計同一焊接參數不同間隙焊接試驗與無間隙不同焊接參數焊接試驗，試驗參數選擇如表1、表2所示。焊后對焊縫橫截面、斷口進行光學顯微鏡、掃描電鏡分析。

表1 不同間隙（0～1mm）試板焊接參數

表2 無間隙試板焊接參數

3 試驗結果及分析

3.1 焊縫顯微組織分析

采用金相顯微鏡分析GH4169-電鑄鎳搭接試板電子束焊縫的橫截面與縱截面，焊縫宏觀形貌如圖2所示，可見電子束焊縫橫截面呈釘帽形狀。其中，焊縫中心熔化期由柱狀晶組成，焊縫熔合線清晰，因電子束焊縫的工藝特性無明顯熱影響區。焊縫縱截面腐蝕后金相觀察可見焊縫根部熔深尺寸不穩定，沿著焊接方向呈現鋸齒狀分布。這與電子束焊縫形成機理特征一致，與“匙孔”的形成相關。

圖2 焊縫橫-縱界面形貌

3.2 間隙對焊縫成形的影響

采用表1焊接參數進行不同間隙（0～1mm）搭接試板的電子束焊接，獲得焊縫橫截面形貌如圖3所示，電子束焊縫均呈現釘帽形，焊縫兩側熔合線清晰，無氣孔缺陷。

圖3 搭接間隙（0～1mm）對焊縫截面形貌的影響

表3 焊縫橫截面測量 mm

測量圖3所示截面焊縫的幾何參量，測量結果見表3。從圖3、表3中可以看出，因GH4169與電鑄鎳材料物理化學性能差異[7]，焊縫進入下層電鑄鎳時熔寬變窄。隨著搭接間隙的增加，焊縫的熔深和搭接接頭結合面熔寬變得不穩定：熔化區焊縫形貌逐漸從電子束焊縫典型“釘帽形”轉變為“類紡錘型”至“斷層形”。

當焊接間隙由0逐步增大至1mm時，焊縫正面余高逐漸減少，搭接間隙≥0.5mm后，焊縫正面成形出現凹陷（圖3d、圖3e、圖3f）。

當GH4169與電鑄鎳搭接緊密無間隙時，電子束液態熔池金屬在“匙孔”效應下扎入下層金屬，形成良好的“釘帽形”焊縫形貌（圖3a）。

當焊接間隙≤0.7mm時，液態金屬蒸汽沿搭接間隙溢出，且液態金屬在間隙處溢出凝固形成較寬的間隙凝固金屬；間隙凝固金屬的寬度隨間隙的增大呈現正向相關，分析認為，間隙越大，對熔融金屬的容納能力越大，在此處熱累積越多，填充金屬凝固速度相對較慢，在間隙處的寬度較寬。反之，間隙越小，對熔融金屬的容納能力越小，在此處熱累積越少，填充金屬凝固速度相對較快，在間隙處的寬度較窄；當間隙介于0～0.7mm時，相同的焊接熱輸入獲得的下層進入熔深基本保持相同，分析認為，焊接熱輸入相同時熔池中熔融金屬的體積相同，間隙的變化只能使部分間隙金屬隨著電子束流攪拌作用上涌形成間隙填充金屬，因此下板熔深基本保持不變。

電子束焊接過程是基于小孔效應實現焊縫成形的過程，不同搭接間隙的試板焊接試驗表明：單一金屬或多層緊貼的金屬焊接時，電子束的小孔形成過程是相對穩定的。但是，多層焊接時，如果焊接的搭接面有間隙，如圖3b至圖3f，間隙使小孔氣流變得不穩定，從而使焊縫的熔深和搭接接頭結合面的焊縫寬度變得不穩定，不同的間隙大小影響也不同；如果間隙＞0.7mm時，由于GH4169表面張力作用，熔化的上層液態金屬在搭接間隙處形成類背面余高的飽滿圓滑成形，與下層金屬出現斷層，無法形成連續焊縫（圖3e、圖3f），無法滿足產品的密封性需求。

3.3 焊接參數對焊縫成形的影響

電子束焊接主要工藝參數為加速電壓（kV）、電子束流I（mA）、聚焦電流I（mA）、焊接速度（mm/min）、工作距離（mm）。基于產品的搭接焊縫，針對無間隙搭接焊縫設計4組參數進行焊接，參數見表2。基于聚焦電流、焊接速度、工作距離相同的前提下，開展焊接試驗，分析加速電壓、電子束流、電子束掃描焊接對搭接焊縫熔深及截面形貌的影響。獲得焊縫橫截面形貌如圖4所示。

圖4 焊接參數對焊縫截面形貌的影響

在加速電壓、電子束流、聚焦電流、焊接速度一致的前提下，通過增加束斑掃描功能，圖4b電子束焊縫的熔寬較圖4a明顯增加，搭接焊縫的界面連接寬度增大，確保產品焊縫滿足設計的氣密性要求。但焊縫熔深及下層進入深度減小，若想獲得相同熔深，需增大電子束流或提高加速電壓，如圖4c和圖4d。比較圖4c與圖4d可以看出，當加速電壓、聚焦電流、焊接速度、束斑掃描波形與幅值相同時，一定程度內增加焊接束流即提升焊接熱輸入，所獲得的電子束焊縫熔寬、熔深和下層進入熔深、界面熔寬均增加，同時焊縫正面余高也有所增加。

3.4 斷口分析

選擇不同下層進入熔深的搭接焊接試板進行接頭機械打開，在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，結果如圖5、圖6所示。

圖5 下層進入熔深小的斷口形貌

圖6 下層進入熔深大的斷口形貌

所檢剖面進入下層電鑄鎳基體熔深為0.30mm（圖5a），將焊縫試樣沿鋼套與電鑄鎳結合面人工打斷，體式顯微鏡下觀察可見焊縫連續，斷面呈新鮮金屬光澤，將斷口置于掃描電鏡下觀察，焊縫試樣局部表面呈光滑形貌（圖5b、圖5c），該處斷裂面為焊縫釘尖，由此也可證實焊縫深入電鑄鎳基體的熔深較淺。斷面其他位置均為新鮮的韌窩斷口形貌（圖5d）。

所檢剖面進入下層電鑄鎳基體熔深為1.97mm時，焊縫宏觀形貌如圖6a所示，將焊縫試樣沿鋼套與電鑄鎳結合面人工打斷，體式顯微鏡下觀察可見焊縫連續，斷面呈新鮮金屬光澤，如圖6b所示，對斷口進行掃描電鏡觀察，如圖6c，斷口為典型的韌性斷裂形貌。

4 結束語

針對某航天型號發動機產品結構及焊接需求開展GH4169與電鑄鎳搭接電子束焊接工藝試驗，其結果分析得出以下結論：

a. 因GH4169與電鑄鎳材料物理化學性能差異，焊縫進入下層電鑄鎳時熔寬變窄。

b. 隨著搭接間隙的增加，結合面的焊縫寬度及下層進入熔深均發生變化；當搭接間隙介于0～0.7mm時，相同的焊接熱輸入獲得的下層進入熔深基本保持相同，熔化區焊縫形貌逐漸從電子束焊縫典型“釘帽形”轉變為“類紡錘型”，搭接處焊縫熔寬與間隙呈正相關；當搭接配間隙大于0.7mm時，熔化的上層液態金屬在搭接間隙處形成類背面余高的飽滿圓滑成形，與下層金屬出現斷層，無法形成連續焊縫。

c. 焊接過程中增加電子束束斑掃描功能，有效增加了焊縫寬度及搭接面焊縫熔寬；在同一工作距離下，隨著焊接熱輸入的增加，下層進入熔深增加。

d. GH4169與電鑄鎳搭接接頭斷口呈現韌窩形貌，為韌性斷裂。

1 李胡燕. GH4169鎳基高溫合金的組織和性能研究[D]. 上海：東華大學，2014

2 明憲良，陳靜，譚華，等. 激光修復GH4169高溫合金的持久斷裂機制研究[J]. 中國激光，2015，42(4)：63～69

3 周振豐，張文鉞. 焊接冶金與金屬焊接性[M]. 北京：機械工業出版社，1993

4 張海泉，趙海燕，張彥華，等. 鎳基高溫合金電子束焊接熱影響區微裂紋特征分析[J]. 材料工程，2005(3)：22～25

5 李亞江，王娟. 特種焊接技術及應用[M]. 北京：化學工業出版社，2014

6 熊然，韓冬，胡春海，等. 電子束焊接技術在高強合金上的應用和發展[J]. 電焊機，2013(6)：81～85

7 史春園，于啟湛. 異種金屬的焊接[M]. 北京：機械工業出版社，2012

Study on Electron Beam Welding of GH4169-electroformed Nickel Dissimilar Metals Overlap Joints

Liu Min Zhang Lina Li Yue Wang Yanchao Cao Huihui

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

According to the welding requirements of the model products, the electron beam welding technology test of GH4169-electroformed nickel dissimilar metals overlap joints which limit the lower penetration was carried out. The microstructure and fracture detection of the joints were analyzed. The results showed that the lap had a direct influence on the cross-section morphology of the weld and the lower layer penetration. When the assembly gap is larger than 0.7mm, continuous lap welds cannot be formed. The welding heat input can increase the lower layer penetration. Beam spot scanning function effectively increased the weld width and lap weld width. The fracture of GH4169 and electroformed nickel lap joints showed dimple morphology and ductile fracture.

overlap joints；GH4169；electroformed nickel；lower into the penetration

劉敏（1987），碩士，材料加工工程專業；研究方向：特種焊接技術。

2020-05-10