异种金属激光深熔焊接

1、| 维晋资讯 庞铭第28卷第9期焊 接 学 报Vol. 28No.92 0 0 7 年 9 月TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONSeptember 2007K418与42CrMo异种金属激光深熔焊接庞铭，郑彩云，刘秀波，虞钢（中国科学院力学研究所*匕京100080摘 要：研究了连续波N&YAG激光焊接功率、速度、离馆诫和側吹保护气流量对激光 深熔焊接KS8与42CrMu异种金属焊魅形貌、焊缝熔深的影响，讨论了悍缝区热裂纹产 生机制口结果表明*獭定功率为3 kW的Nd:YAG激光深熔焊接K418与42CrMo 种金 属由于它们的物理化学性质

2、的差异焊建需近42CrMo侧易出现未熔合;激光光斑向 42GMo侧偏移可以减少焊缝靠近42CrMu侧未熔合乐;通过优化侧吹保护气流呈和离儒 量町以增加熔裸由于K418灌态金属的流动性差，导致焊缝靠近K418侧对诡传热不 充分，使烬罐靠近K418 Wig合线呈现锯齿形。焊缝区热裂纹的产生主要是由于焊缝区 元蠹偏析形成的低熔物导致。关援词：激光焊接：深熔焊：W;热裂纹中图分类号：TG456.7文献标识码；A 文章编号：0253-360X（2007）09 - 08304| 维晋资讯 | 维晋资讯 0序 言保轮增压器转子的焊接是发动机制造的一项关 键技术，而涡轮增压器转子一股是由鎳基铸造高温 合金K4

3、I8涡轮盘和合金调质钢42CrMo涡轮轴焊接 而成，二者的热物理性能、髙温力学性能差异很大， 属于典型的异种金属的焊接。目前对这两种金属 的焊接方法有电子束焊接和摩擦焊焊接。电子束焊 接需要真空室和产生X射线，而摩擦焊焊接常任熔 合线附近发现缺陷*合格率较低。由于口前焊接 方法的不足，中国科学研究院力学研究所激光智能 制造与工艺力学试验室采用额定功率为3 kW的Nd： YAG固体激光器焊接这两种异种金属文中考察了澈光焊接工艺参数（激光功率P、激 光焊接速度叭离焦量纭侧吹保护气流量Q对焊 缝形貌、焊缝熔深Dh的影响，并分析了焊缝区域热 裂纹产生机制及硬度分布，为激光焊接K4I8与 42CrMo异

4、种金属的生产应用提供参考。1试验材料和方法材料为谋基铸造高温合金K418和合金调质钢 42CrMoT厚度7 mmfX化学成分见表I、表2试验设 备采用了 NdtYAG固体激光器，额定输出功率 3kW,光束模式多模勺聚焦镜镜头焦距200 mm,激收稱日期；2006-119光从焦点半径R到光斑半径变为迈/?的距离为 1-6 mm（瑞利长度），激光在瑞利长度范围内近似平 行。侧吹保护气体为髙纯度的鼠气，侧吹保护气 角度35。,侧吹保护气吹气方向和焊接方向相反. K418与42CMo采用对接连续徼光焊接，中间不留 间隙，焊前用丙酮对试样清洗。激光焊接对工作台 的精度要求很高，试验通过干分表调整工作台的

5、水 平和垂苴精度，使其误差范围在0.04 mm内。焊后 切取焊缝横截面，抛光后用王水腐蚀焊缝和K418. 用硝酸酒精腐蚀42rMo,用光学显微镜及扫描电镜 观察焊缝组织并测量焊缝熔深，用能谱仪分析焊缝 区域成分，用硬度仪测量焊缝区域硬度。文中的焊 缝熔深是指焊缝横截面K418与42CrMo都熔合上的 深度，2结果分析2,1焊缝形貌图i是在其它焊接参数相同的条件下改变激 光光斑的偏移駅，图w激光光斑在接头中心，图ib 42OMg侧占激光光斑2/3“在图1中焊缝左边是 42CrMoT右边是K4I8a从图U可以看出焊缝靠近 42CrMo侧出现了未熔合，这是由于42CrMo的热扩 18率比K418高，

6、在42GMo侧散失的热量多，熔化 42CrMo母材所需的能量临界值比K418侧爲。K418 与42CM。热物性参数见文献4,5。当作用在焊缝 处的能嚴介于K418与42CrMo熔化临界值时，焊缝84焊接学报第28卷表1 K4個的优学成分质分数Table 1 Chemical oomposhkxi of K41BcCrMftNbAlTiZrB0.08-0.1611.5 13.5J.84.818-2.55.5 - 6.4Q.5 - 1.00.06-0.15MnSiPSFeHjBi3304500.0150,0100,0001余僦表2 42CrM0的优学咸分（质分数，鳴）Table 2 Chemica

7、l composition of 42CrMoCCrKIqMnKP$Fe0.M-0.450.90- 1 .200.15-0.250 50-0.800.200r40O.CMO0.040就发生偏移。对比图i茲h可以看出徼光光斑偏向 斗2CrMo侧可增加焊缝熔深和减少焊縫下侧的未熔 合量，这是由于徼光光斑偏向竝CrM增加了 42CrMo侧的煤输人值灯圈1焊缝観面Fig. 1 Cross sectkxi o* weld2.2激光功率的影响图2是徼光焊接速度15离焦量-1 mm,测吹保护气流M15 L/min.可以看岀，焊缝熔深随 激光功率的增加而增大。徼光功率对熔深的影响是 由干激光功率的增加，增加了

8、激光作用在焊縫处的 能量。2.3焊接速度的影响图d是激光功率3 k昭离焦M -1 num测吹探 护气流量15 L/min（可以看出，焊缝熔深随激光焊 接速度的增加而减少。速度对熔深的影响是由于随 激光焊接速度的增加，惟用在焊缝处的徽光焊接热 输人减少。图3速度与悍缎熔深的关系Fig.3 Influence of welding vefocity on weld depth2.4离焦的影响图4是徽光功率3 kW、速度ID mm/s.侧吹保护气 流量5iyminy定义焦平面在工件董面，离焦量为0;| 维晋资讯 融光功隼rnw-5-4-34-10离魚 it/nn| 维晋资讯 | 维晋资讯 图2功率与

9、悍纯熔深的关系Hg,2 Influence of User power on weid depth离焦与輝缝博深的关系Fig+4 Influence c# defocusing distance on wetl depth| 维普资讯 h ttp:/85庞铭，等；K418与42CrMo异种金属激光深熔焊接90Q _-1A-1.5 -LD -0.5Q.0 g L0质平面在工件内部,离焦筑为负。从图4可以看出 离焦量从1 mm变到-2 mm,熔深增加；从-2 mm变 到- 5 mm,熔诛减少。离條量对熔探的影响是曲诫 光束的传输持性决宦的。25测吹保护气流矗的影响图5關吹保护气潦对焊线熔深的影晌F

10、ig. 5 Influence of side - blow sfiielding gas flow rate on weldEHS 號wfffi雜3焊接接头组织与力学性能图&沿焊堰横敲面的礎度分布Fig, 6 Hardness as function of distance from johL interlace00 7 42CrMo隔热影响区Fig.7 Heat affected zone rf 42CrMo图吕焊塑区域裂纹Fig.8 Weld region crack图5是徼光功率3 IcW,連度Ki rrnn/s,离焦屋血 激光焊接侧吹保护气柞用是吹散焊缝正面的等离子 云减少等离子云对

11、激光的吸收、散射和折射 从图5可以看出，有一个临界侧吹保护气流量使埠 縫熔深达到堆大克侧吹保护气流屋对焊缝熔深的影 响咼由侧吹保护气减少焊缝正面的等离子云及侧吹 保护气流量的变化对谏熔焊接熔池和匙孔稳定性的 影响的综合作用。图9焊缝与K41B交界Rg.9 I nteriace between weW and K410从图6可以看出焊缝区硬度介于母材K418与 42CrMo砸度之间,42CrM（）侧热影响区硬度出现了硬 化，K418侧热影响区硬度略低于母材c 42CrMo侧 热影响区硬化是由于在42CrMo侧热影响区岀现了 针状马氏体，如图7所示。焊缝区域硬度低于K41& 母材这是由于K418的

12、主要强化相是字，激光焊接 的快速凝固可以抑制焊缝区域的*产生使焊缝区 域的丫数量减少図。焊缝区通过扫描电镜观察到 热裂纹，如图8所示。对焊缝区域1和裂纹处区域2 能谱分析表明裂纹处元素聚集，如表 3和图8所示，这些元素的聚集易在焊缝屮形成 + F共晶及其它的低熔物在焊接应力作用 下扱易成为裂纹萌生和扩展的地方9J0在金相显 微镜下观寫到焊缝与K418交界呈锯齿形，如图9所 示这是由于K418熔化金属的流动性差，导致焊缝 靠近K418侧熔池金厲对流传热不充分。| 维普资讯 h ttp:/| 维普资讯 h ttp:/焊接学报第28卷| 维普资讯 h ttp:/表3焊缝区域成分分析(质分数闕) Ta

13、ble 3 EDS analysis results erf laser weldFCtMoA)NbnMn区域154.268632.02607.644 31.89070 826 02.322 80.SS2 00 139 7K237.92927,?39 3S.753 26.0600L. B57 712.9594.SOS 50| 维普资讯 h ttp:/| 维普资讯 h ttp:/Email:panging imedi-ac-cn4结 论(1) K418与异种金属激光深熔焊接”宜 采用徼光光斑備向42GMo侧，以克服它们的物理化 学性质的差异导致焊缝靠进420陋。侧出现的未熔 合。(2) 随激光焊

14、接速度的减少和激光功率的增 加，激光作用在焊缝处的能量升离，焊缝熔深增加。通过优化侧吹保护气流最可以增加焊缝熔 深.激光焊接厚板K41吕和42CrMo异种金属， 为了获得较大熔深.宜利用激光光束的传输特性釆 用接近瑞利长度范围内的负离焦。(5)焊缝区热裂纹的产生主要是由于焊缝区元 素的偏析在聶界形成的低熔物导致。養考文抵：I Lee J W. InerlM bictioit welding日 ptw dirhine n*x_ J,毋風吨 Review httmaiiondi J9W. 11(4) j B9 - 192,2社密更，何 莉.曹 肯，等一 K4侶網轮找和竝轴章擦 焊接头的强化J -两

15、北工业大学学M,2004,22( 1):112- 115.口吕百达槪光光学-澈光束的传输传输变换抑光柬质蹴控制 M.敢庆個川丈学出版R.19W(4丄程材料其用手冊编辑委员会-工程材料实用手册 北克主中国林准出版社J9A9.31谭真，韩广文一丄程合金熄物杵M.北京：冶金丄业出版 HJ9M6 虞脂.虞柯擁.鱼成比激光智能加工工程械一北京：冶金 工业出歆杜.2001.7 麗牌*虞詢刘兆,.K4|8与竝CrMfi异种金属的激光穿透2006 J38)： 1122- DMS I Shar N Ci Read R Cr Power beam wilding of ihick yettian nidcfd b

16、a网 $upenallo J . Scierier and Ttchnology of Wldinf and Joinings 2X/2r7(2)：77-.f9j Raihakrishna Qh, FmZ Rao K-Tlw Furmatirm and ctmird of lavrji phtwe tn Aiperullm 7IS wdds J . Jotrnul of Matriah Scif?flcL, 1997,32；1977 - 94.10冯钟潮于尔妬皋濟麹.等.旖造操越合金槪化裂螃J.烁接 学 #149832)-86,件者简介：廉 铭，男.1990年出生+博土研究生主規从聽厳花 焊隈

17、试验与数值模拟研覽发表论文| 维普资讯 h ttp:/| 维普资讯 h ttp:/上接第82页8 矗比 王成”陈武拄，等，两种规林超细晶粒钢的滋光 焊接J.却接学报，2D0U 22(1)1 31-35,9 23iang Xudorig.,. Ghen Wuzhnj, Wang Qiengs 樣 cwL Micm哄hi停 srd tougHinrHs of wekl metd cf ultra Diw grained ferritic Stwl by laser wlding J. Journal of Matmats Sei & TiTind常201M, 20(6)： 755-759.io赵ML陈武柱.张旭紀 新-代超低碳贝氏体审激光炜接热 勒响区的组织和件能Jh中国激)L 200&，33(3) ： 4(fi-4l2.J I QiarTuinxiryw S An ChemysJwv* T A, Blinov V fit W- Hot cnrkiinK wfwm wddinfr hih - mlnon austenilic sIf