高频微振动辅助激光焊接IN718高温合金

江苏激光联盟导读：In718高温合金的激光焊接接头由于在焊接后存在Laves相和液相裂纹而具有较差的机械性能。上海工程技术大学的研究人员利用高频微振动辅助激光焊接的办法来解决上述问题。依据焊接后的焊缝形貌，其上部类似钉头，而下部类似钉子的身体。结果表明高频微振动辅助的激光焊接可以细化晶粒。微振动可以打破初生的枝晶臂而形成二次枝晶，从而减少胞状晶区域内的外延晶的生长。

微振动会加速包围的枝晶的Nb元素的流动和减少枝晶的分离，这样就可以降低Laves相的形成。枝晶间的Ni，Ti和Nb的组合以及强化相γ′和γ″的析出会得到促进。当振动的加速为50.10m/s2的时候，它可以抑制Laves相自枝晶中的形成和Laves相的体积尺寸被有效的减弱。In718合金中的裂纹生成分布在三个区域，钉子的头部，钉子的身体部位和两者的连接区域。当振动频率为919Hz的时候，液相裂纹的长度可以从180μm降低至110μm。当频率为1331Hz的时候，液相裂纹的扩展会得到增加，其长度为200μm。


图1微振动辅助激光焊接平台的示意图

In718高温合金具有优异的抗氧化性能，热稳定性，耐腐蚀抗力和在工作温度为650到1000°C的工作环境下的高温强度（高温疲劳强度，高温拉伸强度和蠕变强度）。该合金广泛的应用在航空航天，能源，化工和通讯，电子以及汽车制造工业中。

在近年来，不同的焊接办法和工艺参数均应用到In718合金的焊接中。他们发现在焊接IN718的过程中存在一些问题并解释了这些问题产生的原因。Odabasi等人采用激光焊接In718合金的时候，得到了酒形的焊接形貌。In718合金的显微组织由奥氏体枝晶和laves相所组成。在熔合线附近的晶粒呈现出大量的和柱状的形态。枝晶富集元素Ni，Fe和Cr，而Laves相在枝晶中则富集Nb，Mo和Si以及Ti。Wang等人研究了In718合金在凝固的过程中Nb的分离行为。

当熔池连续凝固的时候，在液相中的Nb的分离会促进高Nb析出相的析出。这些析出相的形成会消耗周围区域的Nb相，从而导致周围合金元素的重新分布和液相密度的重新分布。Lertora和Tharappel等人则认为Laves相是形成液相裂纹的主要原因。Laves相的形成主要取决于微裂纹的形成倾向和基体金属的成分。在热影响区的精细的晶粒可以最大程度的限制微裂纹的形成倾向。Ramkumar等人则使用激光焊接IN718合金和AISI416合金，此时的Lave相导致了焊接接头的冲击性能降低。


图2焊接接头的横截面为钉子的形态，焊接参数为P=4000W,v=0.02m/s


图3没有施加振动的时候的激光焊接的显微组织，焊接参数为P=4000W,v=0.02m/s：(a)焊缝；(b)熔化线和胞状晶区域；(c)柱状晶区域；(d)等轴晶区域.

振动辅助焊接作为热处理和焊接后的一种处理方式来提高机械性能而得到了极大的关注和应用。它是在传统的弧焊过程中，将一种循环的施加外部的力到工件待焊接的区域。振动对焊接的影响体现最为明显的就是晶粒的细化和减少了焊接过程中可能出现的裂纹。Anbarasan等人使用机械振动技术（振动频率为50Hz）来焊接IN718合金，结果导致了显微组织的细化和Nb元素偏析的减少。

Wang等人研究了振动辅助的气体钨极电弧焊（GTAW）焊接601H合金的实验，结果发现晶粒的细化效应在低频率振动的时候比较明显。γ′相呈现出一个弥散分布的特性。他们同时相信振动导致的自由晶粒是晶粒细化的主要原因。Thavamani等人则研究了超声辅助振动GTAW焊接IN718合金。结果发现枝晶的长度可以从1256μm下降到89μm，热裂纹敏感性从47.5%下降到13.3%。因此，他们相信枝晶的碎裂和晶粒细化是减少热裂纹发生的主要原因。


图4在施加振动的时候激光焊接In718合金的显微组织，焊接参数为P=4000W,v=0.02m/s,a=50.10m/s2,f=1331Hz：(a)焊缝；(b)等轴晶区域；(c)柱状晶区域,区域S选择用来进行下一步的SEM的分析；(d)胞状晶区域

大多数早先的研究使用超声波辅助焊接技术来减少焊接In718合金过程中的缺陷，如Laves相的形成和液相裂纹的形成，但这一技术在实践的过程中施加起来比较困难。很少有研究人员使用高频率(300~1500Hz)辅助振动的办法来进行焊接，而且这一焊接技术是非常重要且效果是非常显著的。因此，上海工程技术大学的研究人员使用高频率微振动辅助激光焊接In718合金，来减少Laves相的形成和抑制液相裂纹的生成。


图5在熔合线附近Laves相的成分，激光焊接参数为P=4000W,v=0.02m/s：(a,b)f=0Hz;即没有施加振动(c,d)施加振动且频率为f=1331Hz.

图1显示的为振动辅助焊接的示意图。在焊接过程中，激光束垂直于基材表面。气体输送管和激光束的角度在激光焊接方向呈45°。激光功率5000W的光纤激光器进行焊接，波长为1.06μm。激光模式为连续波。振动系统为一个基于磁致伸缩材料的自研制的高频率振动平台，该平台包括一个振动控制系统和一个巨大的磁致伸缩的材料激发器，功率放大器和一个加速传感器。振动的频率可以在300到1500Hz之间进行调节。一个磨床设备用来将焊接区表面的氧化物进行去除。待焊接的板材牢固的固定在夹具上。振动平台的振动频率通过频率扫描在扫描的过程中确保在2A的电流范围内来搜索。频率扫描的结果绘制成频率和加速之间的曲线。采用三个不同的同步频率进行实验，分别为522,919和1331Hz。纯的氩气作为保护气体。


图6加速对析出相的影响：(a)0m/s2;(b)15.10m/s2;(c)20.20m/s2;(d)50.10m/s2.激光加工参数为：P=4000W,v=0.02m/s,f=1331Hz。

图2显示的为焊接接头的横截面。上部的焊接接头为宽且窄的形态，底部形态为窄且深的形态。这一形态类似钉子。焊接接头的宽且窄的部分在本文中定义为钉子的头部，其他部分定义为钉子的身体部分。

图4显示的为In718合金在高频微振动辅助激光焊接后的显微组织。如图4a所示，其显微组织的分布在振动的条件下同没有施加振动的条件下几乎相似。从图4b可以看出，在焊缝区的中央为等轴的晶粒分布。在晶界处为薄带形态的γ″相，而碳化物相几乎消失。延长的初生枝晶相在柱状晶中被破碎和在图4c中所得到反应。二次枝晶下降和在晶间弥散。同图4d相比较，胞状晶变窄，等轴晶的生长数量减少。在晶界析出相的密度在没有振动的时候成网格排列。


.图7焊接接头在不同振动条件下的液相裂纹，(P=4000W;v=0.02m/s):(a)0Hz;(b)522Hz;(c)919Hz;(d)1331Hz.

主要结论

在本研究中，对高频微振动辅助激光焊接In718高温合金进行了研究。高频微振动对显微组织，Laves相的形成以及焊缝中的液相裂纹的扩展均进行了研究，主要结论如下：

高频微振动焊接之后的焊缝形态同没有施加振动的几乎类似。焊缝的组成为胞状晶区域，柱状晶区域和等轴晶区域。Laves相的晶粒在焊缝中央并均匀分布。他们的量比较大且在焊缝熔合线附近分布。

焊缝晶粒的细化可以通过高频微振动激光焊接In718得到实现。细小均匀的等轴晶和弥散的γ′,γ″相可以得到。当振动的加速度为50.10m/s2,Laves相的脆性和硬的析出相在枝晶间的分布得到显著的减少。Laves相在熔合线附近比没有施加振动的时候要小，他们是独立的和均匀分布的。

观察到裂纹在激光焊接In718的三个区域均存在。发现液相裂纹位于钉子头部的热影响区和钉子身体的区域。在钉子头部和钉子身体的连接区域，液相裂纹由于应力集中而扩展至胞状晶的区域，并且由于析出相，如MC类型的碳化物的存在，液相裂纹扩展至钉子身体区域的胞状晶区域，

高温液相裂纹发生在激光焊接IN718合金接头的热影响区，并且液相裂纹在施加适当的振动的时候可以得到抑制。在本文中，优化后的振动频率为919Hz，此时可以抑制裂纹的扩展，裂纹的长度为110μm。当振动频率为1331Hz的时候，裂纹的扩展得到拓展且裂纹的长度达到200μm.裂纹的宽度变大，尤其是在MC类型的碳化物处。

文章来源：StudyofInconel718WeldedbyBead-On-PlateLaserWeldingunderHigh-FrequencyMicro-VibrationCondition，metals2019,9(12),1335