GH536合金激光焊與鎢極氬弧焊接頭組織性能對(duì)比研究

滕 彬，潘士建，蔣 寶，李琳琳，武鵬博，黃瑞生

1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043

3.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)航空彈藥研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000

0 前言

GH536是一種主要以鉻和鉬元素固溶強(qiáng)化的鎳基變形高溫合金，國(guó)外相近牌號(hào)為HastelloyX（美國(guó)）、Nimonlc PE13（英國(guó)）。該合金具有良好的抗氧化和耐腐蝕性，在900℃以下有中等的持久和蠕變強(qiáng)度，熱加工成型性和焊接性能良好，已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室等高溫部件的生產(chǎn)制造［1-2］。航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類多，批量小的特點(diǎn)，焊接生產(chǎn)主要采用鎢極氬弧焊，鎢極氬弧焊能減小焊接熱影響區(qū)和焊件變形，但對(duì)焊工的技能水平要求高，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定［3-4］。機(jī)器人激光焊接技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)高能束焊接技術(shù)，具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接姿態(tài)多變可控、低人力等特點(diǎn)，長(zhǎng)焦距的激光頭可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離工件焊接，避免了激光頭與工件干涉。若采用機(jī)器人激光焊接方式代替鎢極氬弧焊，可以有效地提高焊接效率，改善焊縫質(zhì)量，降低焊接質(zhì)量對(duì)焊工技能水平的依賴，進(jìn)一步擴(kuò)展激光焊接的應(yīng)用范圍［5］。

趙樹生［6］研究了GH536合金TIG焊接頭組織及力學(xué)性能，結(jié)果表明接頭的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率比母材略低且具有良好的彎曲性能，高溫拉伸性能與母材相當(dāng)，但熱影響區(qū)存在晶粒長(zhǎng)大嚴(yán)重的問(wèn)題。魏振偉［7］等開展了GH536合金TIG焊接頭組織演變規(guī)律的相關(guān)研究，焊縫叢邊緣到中心凝固的過(guò)程中，碳化物在晶界和枝晶間析出，在凝固的初始階段，組織為非外延式生長(zhǎng)的胞狀晶，生長(zhǎng)方向垂直于熔合線；在凝固的中間階段，組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢顦渲В娇拷缚p中心，晶粒尺寸越大，焊縫中心為粗大的等軸狀樹枝晶。方連軍［8］開展了GH536合金薄壁構(gòu)件電子束焊接、超聲沖擊去應(yīng)力的工藝研究，結(jié)果表明該工藝方法能有效控制焊接變形量。目前，對(duì)GH536合金的研究主要集中在TIG焊和電子束焊接接頭組織性能的研究［9-10］，對(duì)GH536合金的激光焊接接頭力學(xué)性能方面的研究較少。此外，目前工業(yè)上對(duì)GH536合金的焊接主要采用的還是鎢極氬弧焊，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代焊接需求。

本文分別采用激光焊和鎢極氬弧焊對(duì)GH536合金進(jìn)行對(duì)接焊，從焊縫成形及焊接接頭的組織性能方面進(jìn)行對(duì)比分析，以研究激光焊接代替氬弧焊焊接GH536的可行性。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為固溶態(tài)GH536合金，尺寸400 mm（長(zhǎng)）×100 mm（寬）×3 mm（厚），鎢極氬弧焊采用Φ 1.2 mm的HGH536焊絲，GH536板材及HGH536焊絲化學(xué)成分如表1所示。分別采用機(jī)器人激光焊和手工鎢極氬弧焊進(jìn)行試片對(duì)接焊，激光焊設(shè)備為TRUMPF Trudisk-6002的6 kW光纖激光器，手工鎢極氬弧焊采用美國(guó)Miller Syncrowave 350LX焊機(jī)。

表1 GH536合金和HGH536焊絲主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Main chemical compositions of GH536 alloy and HGH536 wire（wt.%）

焊前將試片待焊處端面及焊縫兩端正反面約25 mm范圍進(jìn)行機(jī)械清理，打磨至光亮金屬表面，并采用丙酮擦拭待焊處。將試片裝夾在專用焊接夾具上，保證對(duì)接間隙≤0.3 mm，錯(cuò)邊≤0.3 mm。采用平焊方式，分別進(jìn)行鎢極氬弧雙面填絲焊接和激光單面自熔焊接，兩種焊接方法的最優(yōu)參數(shù)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters

采用Olympus GX51金相顯微鏡觀察焊接接頭組織形貌。根據(jù)GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》加工室溫拉伸性能試樣，根據(jù)GB/T228.2-2015《金屬材料拉伸試驗(yàn)第2部分：高溫試驗(yàn)方法》加工高溫拉伸試樣，根據(jù)GB/T2039-2012《金屬材料單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》加工持久性能試樣，采用AG-X plus拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣焊接接頭進(jìn)行室溫拉伸、高溫拉伸和高溫持久試驗(yàn)，室溫拉伸速率為1 mm/min，高溫拉伸速率為0.5 mm/min。每一組試驗(yàn)各拉伸3個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果取3次拉伸測(cè)試的平均值；采用INSTRON液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用應(yīng)力控制，應(yīng)力比為-1，試驗(yàn)頻率40 Hz，試件狀態(tài)均保留焊后原始狀態(tài)，即對(duì)焊縫正反面余高未做處理，每種焊接方式各進(jìn)行6次疲勞試驗(yàn)，結(jié)果取6次試驗(yàn)的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

鎢極氬弧焊和激光焊的焊縫表面狀態(tài)如圖1所示。圖1a為采用激光單面自熔焊的單面焊接雙面一次成形，圖1b為氬弧焊的雙面各一道填絲焊接成形。激光焊接速度是氬弧焊的5倍，并且熱輸入也大幅低于氬弧焊。說(shuō)明在焊接熱輸入量較低時(shí)，激光焊接可以大幅提高焊接效率。

圖1 焊縫表面形貌Fig.1 Weld surface appearance

2.1 拉伸性能對(duì)比

氬弧焊和激光焊接頭試片高溫拉伸斷裂部位如圖2所示，試片均斷裂于母材部位。拉伸性能結(jié)果如表3所示，兩種焊接方法焊后接頭室溫及高溫下的抗拉強(qiáng)度均相近，拉伸斷裂位置均為母材，拉伸性能超出母材設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。結(jié)果表明，采用激光焊方法，其接頭拉伸強(qiáng)度與鎢極氬弧焊結(jié)果相當(dāng)。

圖2 不同焊接方式高溫拉伸斷后試片F(xiàn)ig.2 Test results after high temperature tensile in different welding methods

表3 焊接接頭拉伸性能對(duì)比Table 3 Tensile performance comparison of welded joints

2.2 持久性能對(duì)比分析

對(duì)于長(zhǎng)期工作在高溫中的零件，高溫持久拉伸是檢驗(yàn)零件在高溫工作中的重要指標(biāo)，試驗(yàn)溫度為815℃。鎢極氬弧焊和激光焊接頭的持久性能如表4所示，在相同試驗(yàn)條件下，激光焊接接頭的持久性能延伸率略低于鎢極氬弧焊，但平均持久壽命略高于鎢極氬弧焊，兩種焊接接頭的高溫持久性能均高于母材性能設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表4 焊接接頭高溫持久性能對(duì)比Table 4 Endurance performance comparison of welded joints

2.3 疲勞性能對(duì)比

鑒于兩種接頭拉伸和持久性能相近，為進(jìn)一步檢測(cè)它們的性能差異，進(jìn)行了進(jìn)一步的疲勞性能檢驗(yàn)。激光焊和鎢極氬弧焊焊接接頭的疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，激光焊接接頭疲勞測(cè)試的應(yīng)力幅值略大于鎢極氬弧焊，疲勞壽命是后者的兩倍以上。結(jié)果表明激光焊接接頭的疲勞性能大幅優(yōu)于鎢極氬弧焊。

表5 焊接接頭疲勞性能對(duì)比Table5 Fatigue property comparison of welded joint

兩種焊接接頭的宏觀斷口形貌如圖3所示，激光焊接疲勞斷裂的主要位置在母材平行段，鎢極氬弧焊疲勞斷裂的主要位置在焊縫熱影響區(qū)。

圖3 不同焊接方式疲勞試驗(yàn)后斷裂位置Fig.3 Fraction location after fatigue test in different welding type

研究表明，激光焊接接頭抗拉強(qiáng)度及持久性能可以達(dá)到氬弧焊接頭性能，而其疲勞性能卻遠(yuǎn)優(yōu)于氬弧焊接頭，原因是鎢極氬弧焊熱輸入大，其接頭過(guò)熱嚴(yán)重，影響其疲勞性能。

2.4 金相組織對(duì)比

為了解接頭的熱輸入對(duì)其組織的影響，對(duì)接頭金相組織進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。激光焊和鎢極氬弧焊接頭金相形貌和SEM形貌如圖4、圖5所示。兩種焊縫區(qū)組織均為呈柱狀晶的γ固溶體+白色富Mo的M6C，呈現(xiàn)灰色富Cr的M23C6；過(guò)熱區(qū)組織均為呈等軸晶的γ固溶體+白色富Mo的M6C，呈現(xiàn)灰色富Cr的M23C6。兩種焊接接頭的組織組成一致，但在組織分布及晶粒尺寸方面有明顯差異。首先，相對(duì)于氬弧焊接頭，激光焊接頭的焊縫區(qū)和過(guò)熱區(qū)組織均更加均勻，晶粒更加細(xì)小；其次，對(duì)比兩種焊接熱影響區(qū)寬度發(fā)現(xiàn)，激光焊熱影響區(qū)窄，鎢極氬弧焊由于焊接速度慢，試板采取正反兩面焊接，熱輸入大，因此熱影響區(qū)寬；再次，在焊縫形貌方面，鎢極氬弧焊由于有焊絲的填入，正反面余高較高，在焊趾位置焊接應(yīng)力集中嚴(yán)重，而激光焊焊縫正反面較平整、光滑。因此，由于鎢極氬弧焊熱輸入大，熱影響區(qū)寬，晶粒粗大，焊趾位置受焊縫余高影響，應(yīng)力集中大，導(dǎo)致其接頭疲勞性能嚴(yán)重降低。

圖4 不同焊接方式獲得的接頭金相組織Fig.4 Metallographic morphology of joints with different welding methods

圖5 不同焊接方式接頭SEM形貌Fig.5 Scanning morphology of joints with different welding methods

3 結(jié)論

（1）對(duì)于3 mm厚GH536合金，采用氬弧焊焊接需要雙面填絲焊接成形，而采用激光自熔焊接可以實(shí)現(xiàn)單面焊接雙面成形；在熱輸入較低的同時(shí)，激光焊接速度可以達(dá)到氬弧焊的5倍，大幅提高焊接效率。

（2）激光焊接頭在室溫和1 000℃高溫條件下平均抗拉強(qiáng)度分別為740 MPa和77 MPa，接頭持久壽命可達(dá)母材的75%，均與氬弧焊接頭拉伸強(qiáng)度和持久性能相當(dāng)。

（3）由于激光焊接熱輸入較低，其接頭組織更加均勻、晶粒更細(xì)小，焊縫形貌平整、光滑，焊趾應(yīng)力集中較小，是其疲勞性能優(yōu)于氬弧焊接頭的主要原因，相同條件下其疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到氬弧焊接頭的兩倍以上。

（4）激光自熔焊接在不填絲情況下可以獲得與氬弧填絲焊接接頭相當(dāng)甚至更好的組織性能，表明了激光焊接可以替代氬弧焊用于焊接GH536合金。