陳偉民

(海南核電有限公司，海南 ?？?572733)

0 前 言

低膨脹高溫GH909 合金以Fe-Ni -Co為基，即便在高溫環(huán)境下，依舊能夠表現(xiàn)出較為突出的力學性能以及較小的熱膨脹系數(shù)，且具備較高的冷熱疲勞和熱沖擊力以及恒定的彈性模量，因此被廣泛應用于航空航天、發(fā)電等精密制造領域。激光焊接是低膨脹高溫GH909 合金的連接工藝首選，應用高能量密度的激光束為熱源，通過激光束的高度聚焦形成高能量的激光脈沖，并在其沖擊的作用力下達到熔融焊接的目的，該種方式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)精準焊接、保證焊接有效性，同時也解決了很多傳統(tǒng)焊接難以完成的焊接難題，激光焊接高溫合金在電廠方面的適用范圍主要表現(xiàn)在汽輪機大軸表面修復和高溫蒸汽儀表管道焊接成形方面，這樣一來，即便在濕蒸汽腐蝕介質(zhì)的苛刻環(huán)境下也依舊能夠表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能。對GH909合金激光焊接接頭典型位置微觀特征進行研究，為實現(xiàn)厚板焊接提供了更多可能，為提升整體焊接質(zhì)量提供了更為有效的參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

試驗選取低膨脹高溫GH909 合金板材，板材規(guī)格為50 mm×50 mm×2 mm，化學成分見表1。

表1 低膨脹高溫GH909 合金板材化學成分100%

1.2 實驗設備

激光器為IPGPhotonics公司生產(chǎn)的YtterbiumFiber laser YLR-4000，該型號的激光器擁有1.07 μm的輸出波長以及4 000 W的最大功率，能夠完成對多種規(guī)格硬化性高溫合金的焊接需求；焊接過程中由瑞士ABB 公司的IRB4400機器人來完成操作，該機器人配備有良好平衡性的雙軸承關節(jié)鋼臂，傳動系統(tǒng)采用優(yōu)化設計，實現(xiàn)了低功耗和高扭矩的兼顧。選取WDW3200 微控電子萬能試驗機完成激光入射角度以及運行軌跡的控制；在進行GH909合金激光焊接接頭典型位置微觀特征觀察的過程中儀器設備選取OLYMPUS GX71金相顯微鏡以及JSM-7001F掃描電子顯微鏡[1-2]。

1.3 實驗方法

1.3.1 焊接

激光焊接利用激光束的高能量實施焊接，焊接過程中低膨脹高溫GH909 合金實驗板材會在高溫下發(fā)生局部熔化，最終在熱傳導的作用下完成連接，焊接實驗前，為保證板材的清潔首先將表面氧化膜的去除，再以C3H6O清洗試樣完成板材表面油垢的去除[3]。焊接工藝參數(shù)見表2：

表2 焊接工藝參數(shù)

焊接過程中直接將激光頭固定在的IRB4400機器人前端鋼臂上，首要完成的就是GH909 合金板材對接面結合的檢查，以防止焊接過程中出現(xiàn)錯邊的現(xiàn)象；實驗過程中在WDW3200 微控電子萬能試驗機的輔助之下完成焊接，以99.99%純度的Ar氣作為保護氣體，并要求其緊隨激光軌跡利用其惰性來防止熔池氧化現(xiàn)象的發(fā)生；為了有效避免“高反”現(xiàn)象的產(chǎn)生，需保證激光頭軸線方向與GH909 合金板材垂直方向呈10°夾角，Ar保護氣體噴嘴軸線方向與GH909 合金板材垂直方向呈45°夾角(見圖1)；另外，連接過程中為了有效減少焊接變形，并實現(xiàn)晶粒過分長大的避免，中間層溫度控制在180 ℃之內(nèi)，并以較小的熱輸入為基準。

圖1 GH909 合金激光焊接示意圖

1.3.2 線切割-鑲樣

線切割的目的在于完成金相試樣的制取，切割原理為利用電火花放電將工件切割成形，且加工中有著較高加的加工精度，不存在顯著的機械切屑力。本實驗切割過程中沿GH909 合金板材焊縫長度中心處進行，切割后完成鑲樣處理。GH909合金激光焊接接頭典型位置微觀特征觀察的過程中利用顯微分析能夠完成對其顯微組織也就是晶粒的特征觀察，鑲樣的目的在于通過鑲嵌或者夾持來保證試樣的拋磨，方便實驗準確性以及效率的提升。

鑲樣完成后依次采用不同規(guī)格的砂紙對GH909合金試樣的橫截面以及水平面進行打磨，打磨的目的在于保證試樣具備較小的變形和較高的平整度，然后利用機械完成拋光使樣品表面具備光亮平整的特征，整個程序遵循粗磨→細磨→機械拋光的順序[4]；另外，為保證試樣表面應力的消除以及更為清晰地顯示出γ′相的形貌和分布，需用電解液完成試樣的電解拋光，本實驗中的電解液選用1:9體積比的HClO4和C2H5OH；最后，為保證GH909合金焊接接縫組織基體中出γ′相形貌和分布特征的顯示，需進行腐蝕處理，本實驗中以王水稀釋液作為腐蝕液，比例為3:1:4的HCl、HNO3以及H2O，腐蝕的標準為融合區(qū)具備肉眼可見的觀察效果以及基體具備明顯的界限，腐蝕完成后取出試樣并用清水洗凈，經(jīng)酒精擦拭去除殘留腐蝕液后吹干即可。

1.3.3 顯微分析

顯微分析分三步完成：首先，利用光學顯微鏡來完成GH909合金試樣焊縫橫截面以及水平面的整體觀察，觀察分析的重點在于焊接接頭典型位置的分區(qū)以及組織特征；其次，利用掃描電子顯微鏡來完成GH909合金試樣焊接接頭典型位置微觀組織的觀察，并在高倍率基礎之上完成接頭成分偏析以及組織取向的定性分析；最后利用電子背散射衍射技術來保證取向特征的分析，同時完成晶粒生長以及織構特征的定量分析[5]。

2 結果與討論

2.1 橫截面成形

用光學顯微鏡以及BSE模式下的掃描電鏡完成金相觀察，為有效避免經(jīng)過王水腐蝕處理后的亮度差異而影響觀察效果，特將焊接接頭按照區(qū)域微觀組織的差異性進行分區(qū)，主要分為母材區(qū)、熱影響區(qū)以及焊縫金屬區(qū)三個部分。觀察過程中發(fā)現(xiàn)：整個GH909合金試樣焊縫橫截面的形狀為典型的沙漏型，也就是上下部分有著較大的寬度，但中間部分相對而言寬度最小。而經(jīng)過對熱影響區(qū)的進一步觀察發(fā)現(xiàn)：隨著熱熔線的靠近，會逐漸顯現(xiàn)出諸多細小析出相的分布，且該種析出相在中部熔深處有著最寬的分布，而上下兩部分相比較而言析出相的分布較窄，這與整個焊縫橫截面形狀完全相反，產(chǎn)生該種現(xiàn)象的原因在于母材受熱液化而引發(fā)的熱量集中。

另外，不同區(qū)域內(nèi)擁有不同的柱狀晶大小、形態(tài)以及生長方向。母材區(qū)域內(nèi)主要組成為不規(guī)則的塊狀γ相奧氏體，并伴有少量細小質(zhì)點析出相，這些析出相分別為彌散分布的γ′相，以及在晶界以及晶粒內(nèi)部零散分布的黑色沉淀強化析出相，這些沉淀強化析出相以MC 碳化物。相比較母材區(qū)域而言，熱影響區(qū)的奧氏體晶粒表現(xiàn)出了明顯的粗化，基體上表現(xiàn)出了眾多的細小析出相，這是由于焊縫富含碳化物形成元素，故碳在其內(nèi)的活度遠低于碳鋼母材，晶界附近該種析出形態(tài)和不均勻的分布現(xiàn)象也被成為偏析現(xiàn)象，偏析對合金的力學性能、抗裂性能及耐腐蝕性能等有程度不同的損害?？焖倮鋮s的焊縫成分偏析原因與熱輸入量導致的熔池化學反應時間長有關，因為焊接熔池凝固時，隨著柱狀晶體的長大和固‐液界面的推進，會將溶質(zhì)或雜質(zhì)趕向焊縫中心。當焊接速度較大時，成長的柱狀晶會在焊縫中心相遇，因此在焊后通過時效熱處理，對于焊縫組織有更好的均勻化效果。

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，晶粒長大的同時也發(fā)生了一定程度的形態(tài)改變，部分晶界不再保持平直；在焊縫金屬區(qū)內(nèi)，整個GH909合金激光焊接接頭典型位置焊縫以熔合線為基準， 結晶的表現(xiàn)依次為胞狀晶區(qū)、等軸晶區(qū)、枝晶區(qū)以及等軸晶的混合區(qū)[6]，其中靠近熔合線附近區(qū)域表現(xiàn)為眾多細小胞狀晶區(qū)，組織得到明顯細化。母材熔池壁直接生成胞狀晶，焊縫中心的枝晶組織呈“人” 字分布特征，多個奧氏體枝晶在對生長模式下形成奧氏體晶粒[5]。另外，就焊縫奧氏體晶粒生長方向而言，焊縫頂部向上方同一角度生長，交匯處為曲折分界線；焊縫中部呈現(xiàn)水平生長，交匯處有明顯平直分界線；而焊縫底部生成方向向下方同一角度生長交匯處為平直分界線。

2.2 外延生長組織

外延生長的目的在于獲取不同導電類型以及電阻率等指標的全新單晶層，該種新單晶層的生長建立在單晶襯底之上，通過多種方法的輔助保證單晶襯底生長出全新一層的具備一定要求且與襯底晶向相同的單晶層，也就是一個延伸的過程[7]。本次實驗中GH909合金激光焊接接頭典型位置以融合線為基準，通過觀察可以看出，GH909合金試樣融合線分為左右兩個熱影響區(qū)，這兩個熱影響區(qū)存有不同的外延生長組織特征，其中：左側的熱影響區(qū)內(nèi)存在晶界液化以及晶內(nèi)顆粒項液化兩種液化類型，其中產(chǎn)生晶界液化的主要原因在于焊縫當中的溶質(zhì)會通過晶界逐漸完成向熱影響區(qū)的流動，進而呈現(xiàn)出逐漸液化的現(xiàn)象；而產(chǎn)生晶內(nèi)顆粒項液化的主要原因在于NbC以及TiC的顆粒邊緣會發(fā)生一定的元素擴散，擴散之后的元素會同基體形成共晶相，且該共晶相具備較低的熔點。右側影響區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為平面生長的針狀晶，這種針狀晶的最明顯的特征在于它只有主軸，但并無明顯的分枝產(chǎn)生。且該種平面生長針狀晶主要分布在GH909合金激光焊接焊縫區(qū)，其在競爭淘汰機制的作用下能夠促進自身的穩(wěn)定生長，并逐漸生長轉(zhuǎn)化為柱狀樹枝晶。

另外，通過觀測可以判斷，熔合線的中部一直到柱狀樹枝晶之間的組織生長具備良好的穩(wěn)定性，因為該部分區(qū)域存在較為明顯的胞狀晶以及胞狀樹枝晶，產(chǎn)生該種現(xiàn)象的主要原因在于焊縫的頂部會存有一定的馬蘭戈尼對流，馬蘭戈尼對流也被稱為馬蘭戈尼效應，產(chǎn)生該種效應的主要原因在于兩種表面張力不同的界面之間表現(xiàn)出一定的張力梯度，而這種披露張力的作用下會促使相應的質(zhì)量移動產(chǎn)生[1]。另外，在γ奧氏體中 Laves相主要部分布在枝晶之間，以不規(guī)則的組織形態(tài)分布，除此之外，GH909合金激光焊接焊縫區(qū)還分布有一定量的γ'-Ni3Al相、η-Ni3Ti相等沉淀析出相，這些沉淀析出相的存在能夠有效地提升GH909合金焊接接頭的力學性能。值得注意的是，光纖激光焊接具備較為快速的冷卻性能，因此金屬原子的擴散凝固速度遠不如其冷區(qū)速度，所以還未完成凝固擴散，就會形成較多的共晶組織，這些共晶組織的表達式為GH909合金γ+Laves。

2.3 晶體分布特征

同樣以熔合線為基準對GH909合金激光焊接焊縫區(qū)晶體的分布特征進行觀察，觀察結果發(fā)現(xiàn)：熱影響區(qū)內(nèi)的晶粒表現(xiàn)出了明顯的粗化生長現(xiàn)象，相應的晶界也發(fā)生了一定遷移，而在焊縫的一側也有諸多全新的晶粒形成，不過根據(jù)∑3晶界分布狀態(tài)來看，熱影響區(qū)內(nèi)聚集的平面晶界一直未發(fā)生明顯的遷移現(xiàn)象，產(chǎn)生該種現(xiàn)象的主要原因在于高溫下該類晶界具備較低的界面性能所以很難實現(xiàn)融化，也就難以完成遷移。另外，在GH909合金激光焊接焊縫區(qū)熱影響區(qū)內(nèi)有著較大的晶界尺寸，靠近焊縫熔合線有著外延生長以及非外延生長兩種生長模式，其中的外延生長模式下晶粒表現(xiàn)為連續(xù)生長外延成為較長的柱狀晶，而非外延生長模式下晶粒呈現(xiàn)細小狀態(tài)并不會產(chǎn)生連續(xù)的生長趨勢。通過對GH909合金激光焊接焊縫接頭處的晶粒取向進行觀測，γ奧氏體相表現(xiàn)為面心立方結構，表現(xiàn)為[100]的生長方向，且熱影響區(qū)內(nèi)的晶粒無集中現(xiàn)象表現(xiàn)出的分散現(xiàn)象較為明顯。γ晶粒[100]方向趨于TD。但該方向上，焊縫中上部的柱狀晶更為集中，且熔合線較為平直，能夠表現(xiàn)出較為明顯的溫度梯度，繼而實現(xiàn)顯著外延生長。

3 結 論

由21世紀以來，激光焊接技術憑借其精度高、適應性強的特點實現(xiàn)了廣泛的應用領域覆蓋，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益和社會效益的雙重促進，成為了眾多精密加工領域不可或缺的技術需求。以光線激光完成焊接，是低膨脹高溫GH909 合金的連接工藝首選，該種方式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)精準焊接、保證焊接有效性，同時也解決了很多傳統(tǒng)焊接難以完成的焊接難題，根據(jù)對GH909合金激光焊接接頭典型位置微觀特征觀察可知：

(1)本次實驗對GH909合金試樣完成光纖激光焊接所選擇工藝參數(shù)之下的焊縫表面平整光亮，無咬邊和焊瘤現(xiàn)象產(chǎn)生，且焊道表現(xiàn)平直無明顯缺陷，說明本次試驗過程中焊接過程較為穩(wěn)定，氣體保護效果良好，參數(shù)選擇較為合理。

(2)GH909合金激光焊接接頭的焊縫橫截面為沙漏型，焊縫區(qū)粗化現(xiàn)象明顯，其中中下部為柱狀晶，頂部為等軸晶區(qū)；

(3)GH909合金激光焊接接頭的外延生長組織熔合線上部變現(xiàn)為針狀晶，淘汰后形成穩(wěn)定柱狀樹枝晶；

(4)GH909合金激光焊接接頭熱影響區(qū)晶界遷移明顯，外延以及非外延伸長并存。