異種金屬激光焊接關鍵問題研究

摘要：現代工程結構要求對異種金屬材料進行。焊接具有密度高、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄以及變形小等特點，成為異種金屬材料焊接的有效方法。異種金屬過程包含多種效應，機制復雜。比如，材料性能差異對焊縫微觀組織與宏觀性能的影響；焊接熔池的形成、演化機制；熔池凝固過程焊接缺陷及殘余應力形成等。圍繞異種金屬激光焊接過程中的關鍵問題，國內外開展了諸多研究工作，對此進行了全面闡述。在此基礎上，指出異種金屬材料激光焊接研究中的不足及發(fā)展方向。

1 引言

異種金屬材料焊接是解決構件同時滿足多方面性能要求的有效途徑。焊接方法有多種，比如氬弧焊(TIG)、電阻焊、摩擦焊、電子束焊以及激光焊等。與其他焊接方法相比，激光焊具有熱源密度集中、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小、可控性好等特點，而且相對電子束焊，激光焊接氣壓要求低，通常不需要真空環(huán)境。異種金屬激光焊接始于20世紀70年代，目前成為航空航天、船舶制造、汽車制造諸領域重要的先進制造技術之一。

異種金屬激光焊接過程包含多種物理效應。具體表現為：金屬材料對激光的吸收；激光材料相互作用引起的材料相變；能量與動量的傳遞與轉換；光致等離子體對激光的散射與吸收；熔池形成及演化；匙孔(keyhole)效應以及熔池凝固等。從復雜物理現象中提取科學問題，并對這些科學問題開展研究工作具有重大意義。

2 異種金屬激光焊接關鍵問題

異種材料激光焊接機制復雜。比如，焊接材料熱物性隨溫度變化差異；異種金屬對于激光的吸收率差異及其隨溫度變化特性；熔池形成及演化機制；凝固過程焊縫熔化區(qū)與熱影響區(qū)組織演化；激光焊接接頭缺陷的形成、焊接殘余應力與變形產生等。但其關鍵問題可歸結為材料性能差異對焊縫微觀組織與宏觀性能的影響；焊接熔池的形成、演化機制和熔池凝固過程焊接缺陷及殘余應力形成。

2.1 材料性能差異對焊接接頭微觀組織與宏觀性能的影響

異種金屬材料具有熱物性差異（常見金屬熱物性見表1所示），這種差異是影響焊接過程的最主要因素。具體表現為：異種材料熔點不同，熔點低的材料達到熔化狀態(tài)時，熔點高的材料仍呈固體狀態(tài)，這時已經熔化的材料容易滲入過熱區(qū)的晶界，造成低熔點材料的流失、合金元素燒損或蒸發(fā)，使焊縫的化學成分發(fā)生變化，力學性能難以控制，尤其是焊接異種有色金屬時更為顯著。異種材料線膨脹系數差異導致熔池結晶時產整較大焊接應力與焊接變形，由于焊縫兩側材料承受的應力狀態(tài)不同，容易導致焊縫及熱影響區(qū)產生裂紋，甚至導致焊縫金屬與母材的剝離。材料的熱導率和比熱容差異使焊縫金屬的結晶條件變壞，晶粒嚴重粗化，并影響難熔金屬的潤濕性能。異種材料焊接時易產生金屬間化合搦，同時會發(fā)生組織變化，導致焊接接頭力學性能下降，尤其是熱影響區(qū)容易產生裂紋，甚至發(fā)生斷裂。向時，材料膨脹系數、熱導率和比熱容等熱物性參數隨溫度變化而變化，導致異種材料激光焊接過程更加復雜。
 
激光焊接過程中激光束與材料吸收的相容性取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導率、熔點溫度等，其中最重要的是吸收率。常溫下金屬對激光的吸收率一般比較?。ㄒ姳?所示），而且同種金屬對于不同波長激光吸收率也具有差異。另外，隨著溫度升高，當達到熔點附近時，吸收率會出現大幅增長。針對吸收率差異較大的金屬材料激光焊接，熔池容易出現偏熔現象，匙孔不穩(wěn)定，給焊接過程建模帶來困難。
 
2.2 異種金屬材料激光焊接熔池形成與演化機制

異種金屬激光焊接熔池形成與演化過程具有多場（激光場、熔池流場、固體應力-應變場、溫度場等）、多尺度（時間尺度10-3～100s）：熔池形成-凝固過程，空間尺度（10-6～10-3m）：微結構-熔池形貌）和多參數（激光功率、光強分布、移動速度等）的特點，如圖1所示。


熔池形成與演化是激光異種金屬焊接中的關鍵科學問題，它涉及材料對激光束的吸收、能量與動量的輸運與轉換、固-液-氣的快速相變及相界面移動、熔池中熱-力場及梯度分布與演化規(guī)律、混合界面各相濃度分帶等。其中，較大梯度的溫度、壓力與濃度變化以及表面張力變化時熔池形成的狀態(tài)產生影響。熔池形成后，當激光密度達到闊值，就會形成氣體蒸發(fā)和等離子體，伴隨很大的壓力與濃度梯度，產生匙孔效應。對于異種材料激光焊接，由于熱物性參數的差異，熔池偏熔嚴重，匙孔不穩(wěn)定。提高焊接質量的關鍵是對熔池形成過程進行準確描述。

2.3 熔池凝固過程焊接缺陷及殘余應力的形成

激光異種金屬焊接存在多場藕合，焊縫熔化區(qū)凝固過程及熱影響區(qū)徽結構演化復雜。在熔池凝固過程中，熔池的快速冷卻、凝固的不均勻傳熱過程會產生很大熱應力。在熱應力與相變應力共同終用下會引起塑性變形、生成微缺陷、形成殘余應力。其中接頭典型缺陷主要有熱裂紋、氣孔以及有害相等。在焊接過程中，由于低熔物的形成，擴大了焊縫的結晶溫度范圍，在焊接熔池凝固后期，熔池中大部分金屬已凝固，在晶界的少部分低熔物還在液態(tài)狀態(tài)下，激光接應力作用下，易成為裂紋萌生和開裂的地方。激光焊接氣孔是由焊接過程中形成的匙孔不穩(wěn)定將保護氣體卷入焊接熔池，以及匙孔底部金屬蒸發(fā)間歇產生大量氣泡所導致。有害相的形成是由于焊接過程中的非平衡凝固導致焊接過程中元素的偏析所至。

3 異種金屬激光焊接研究進展

3.1 異種金屬材料的激光焊接

3.1.1 異種鋼激光焊接

目前國內外異種鋼激光焊接主要集中在不銹鋼、低碳鋼。異種鋼熱物性差別主要是出于其金相組織的不同。印度先進技術中心Kaul等采用鎢極氬弧焊和激光方法對奧氏體鋼與鐵素體鋼進行焊接，將焊接結果進行了對比分析，發(fā)現激光焊較鎢極氬弧焊可以得到更小的焊縫熔化區(qū)和熱影響區(qū)，從而獲得較好的微觀結構。愛爾蘭都柏林(Dublin)城市大學Anawa等利用CO2激光器對不銹鋼AISI316與不銹鋼AISI1008進行焊接，也得到了鐵素體和奧氏體鋼焊接能夠成功使用激光焊接的結論，并設計實驗來優(yōu)化焊接參數，得到了小的殘余應力和熱影響區(qū)，并發(fā)現殘余應力與輸入能量有直接關系，具體體現在工藝參數中的焊接速度和激光功率。

3.1.2 鋁鋼激光焊接

鋁/鋼熔點差異大，易形成金屬件化合物的異種材料，并且鋁/鋼合金具有高反射率和高熱傳導系數的特點，在焊接過程中難以形成匙孔，焊接時需要較高的能量密度。北京工業(yè)大學激光工程研究院左鐵鏹等對高強鋁合金的激光焊接性能進行了深入探索，研究了填充合金粉末對鍋合金高功率CO2激光焊接功率閾值、焊縫成形和焊接過程穩(wěn)定性的影響。

國內外對鋼鋁異種材料填充的激光焊接技術進行了大量研究，并實現了生產應用，如德國的“空中客車”飛機的機翼和隔板T型接頭的激光焊接。法國酷彩(Le Creusot)公司激光材料處理實驗室的Mathieu等對鋁鋼材料進行了Zn基釬料激光焊，指出釬焊可以限制脆硬相的生成。日本阿南(Anan)國立技術學院Nishimoto等運用激光壓力焊對鋁合金A6061及低碳鋼SPCC進行焊接，焊接過程如圖2所示。實驗發(fā)現透過控制激光能量與材料的作用時間，可以減小界面反應層的厚度，有效控制中間相的生成。


3.1.3 鎂鋁及鎂鋁合金焊接

鋁及其合金具套良好的耐蝕性、較高的比強度、較好的導電性及導熱性等優(yōu)點。鎂是比鋁還輕的一種有色金屬，也具有較高的比強度和比剛度及良好的抗震能力。鎂鋁焊接的主要問題在于母材本身極易氧化，熱傳導系數大，易產生裂紋和氣孔等焊接缺陷，且極易產生金屬間化合物，從而顯著降低了焊接接頭的力學性能。


日本長岡(Nagaoka)理工大學Borrisutthekul等通過有限元分析，提出用一個支撐塊作為散熱片，減小中間層厚度，提高焊接質量。大連理工大學三束材料改性實驗室劉黎明等采用激光-TIG復合焊對鎂鋁異種金屬進行焊接，TIG-激光復合熱源利用激光增加TIG能量利用率，同時利用TIG增加激光的吸收率，適合于焊接激光低吸收率、高熱導率的金屬焊接，焊接接頭如圖3所示?？梢姾附咏宇^沒有宏觀裂紋。研究結果表明復合焊由于其焊速高以及對熔池的快速攪拌作用，使鎂鋁形成的金屬間化合物由連續(xù)的層狀變?yōu)閺浬?，放而改善了異種金屬鎂鋁的焊接性。

3.1.4 銅與其他金屬及舍念焊接

鋼焊接的主要困難在于高反射率。印度科技學院冶金系Phanikumar等用連續(xù)CO2激光器對銅鎳異種材料進行焊接，對焊縫/母材微觀組織結構進行了研究，指出異種金屬焊接熔池形狀是不對稱的，焊縫兩側有著完全不同的微觀組織；對焊接熔池形貌以及兩側不同微觀結構的演化過程進行了深入研究，所測焊縫區(qū)銅元素含量如圖4所示。新加坡制造技術研究院Mai等采用無釬激光焊對鋼-鎳鈷合金、銅-鋼、銅-鋁進行焊接，且認為兩種材料的熔化比例是控制焊接結果無裂紋的關鍵因素。

 
3.1.5 高溫合金激光焊接

高溫合金有鈦合金、鎳基合金等，主要用于航空發(fā)動機以及柴油機渦輪增壓器等設備中。鈦及鈦合金由于其化學活性大、熔點高、熱容最小、熱導率小、冷冽傾向大、易產生氣孔等原因使得可焊性非常差。北京航空航天大學朱穎等針對采用Ti基快速凝固釬料對TiAl基合金和42CrMo鋼的真空釬焊進行研究，通過掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)對接頭組織進行了分析，確定了快速凝固釬精在界面層中的生成相。指出：在TiAl基合金和42CrMo鋼的真空釬焊試驗中，隨著保溫時間的延長，接頭強度略有提高，但變化不大；在970℃15min時生成了TiCu，TiC，TiNi和Fe4Cu3相；在970℃30min和970℃60min時，生成了TiCu，TiC，TiNi，TiAl和Fe4Cu3相。

發(fā)動機渦輪增壓器渦輪葉盤材料鎳基沉淀高溫合金(K418)由于高的Al，Ti含量，焊接時熱裂紋敏感性強；渦輪軸材料42CrMo由于高的碳含量，焊接時熱淬性高，且焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)易出現脆化。二者可焊接很差。中國科學院力學研究所激光熱工工藝力學實驗室龐銘等針對這一問題，提出了K418與42CrMo激光深熔焊方法。實驗表明，K418與42CrMo激光穿透焊接有X形和T形兩種典型的焊縫形貌，且焊縫形貌是不對稱的。隨著焊接速度的提高，焊接線能量降低，焊縫尺寸變小，且焊縫上部尺寸變化比下部尺寸變化慢，焊縫形貌由X形過渡到T形。當離焦量在瑞利長度范圍內時，焊縫正面寬度變化很小；當離焦量超出瑞利長度范圍時，在足夠高的激光功率密度下，焊縫正面寬度快速增加。通過工藝參數優(yōu)化獲得焊縫形貌如圖5所示。


提出了K418與42CrMo異種金屬激光焊接焊縫底部局部未熔合機制，即“K418與42CrMo異種金屬熱物性參數的差異會導致激光深熔焊接的臨界功率密度范圍有差異；當在匙孔底部的激光功率密度范圍介于K418與4ZCrMo臨界氣化功率密度范圍之間，匙孔會發(fā)生偏移；當在匙孔底部的激光功率密度介于K418與42CrMo熱傳導焊接下臨界功率密度范圍之間時焊縫會發(fā)重偏移”。

3.2 激光焊接熔池演化機制

3.2.1 激光焊接熔池行為

國內外針對激光焊接的實驗研究還是以同種材料為主。典型的是日本大阪(Osaka)大學Matsunawa等在熔池中放入直徑0.1～0.4mm鎢顆粒，通過X射線可清楚地觀察到匙孔作用下熔池的流動狀態(tài)，如圖6所示。鎢顆粒的運動基本上可以代表熔池中液態(tài)金屬的流動規(guī)律。


3.2.2 熔池熱過程及流動特性數值模擬

采用實驗方法難以確定焊接過程中的溫度分布、冷卻速度和熔池流動的形態(tài)。數值模擬是分析激光焊接過程中溫度分布和流動狀態(tài)的有效途徑。

自從1973年Swift-Hook等開始對激光焊接溫度場進行研究以來，激光焊接數值模擬經歷了30多年的發(fā)展歷史。各國研究者們在同種材料激光焊接熱源模型、匙孔模型、溫度場以及熔池流動等方面做了很多研究工作。美國密西根州立大學Mazumder用有限差分法計算三維準穩(wěn)態(tài)激光傳熱模型較具代表性。埃塞克斯(Essex)大學Dowden等系統(tǒng)地研究了激光深熔焊接過程小孔周圍的流動，首次分析了小孔內等離子體逆韌致輻射的效果；使用點線組合熱源模擬了深熔焊接時的接頭形貌，解釋了深熔焊縫截面呈“釘頭”狀的原因。澳大利亞維恩(Wien)技術大學高能束技術系Kaplan建立了以小孔不對稱為基礎的激光深熔焊接數學模型，通過逐點計算小孔前后壁的能量平衡而獲得小孔形狀沿板件厚度方向的變化規(guī)律。瑞典呂勒奧(Lulea)理工大學Lampa對Kaplan這一模型又進行了改進，研究了小孔內的表面張力梯度，提出了小孔的熱毛細模型。

隨著異種金屬激光焊接的工程需求，異種材料激光焊接數值模擬逐步發(fā)展起來，比較典型的是英國利物浦(Liverpool)大學工程學系Chakraborty等研究了銅鎳異種金屬激光焊接熔池中的湍流行為。研究發(fā)現采用湍流模擬結果與實驗更為吻合。

對K418與42CrMo異種金屬激光熱傳導焊接模擬表明，隨激光焊接速度的增加和激光功率的降低，焊縫正面熔池逐漸由橢圓形過渡到淚滴形，再演變到月牙形，焊縫形貌的不對稱性增加（如圖7所示）。焊縫熔池的這種變化規(guī)律是由于K418與42CrMo熱物性的差異導致激光熱傳導焊接的臨界功率密度的差異。


3.3 熔池凝固過程中焊接缺陷及殘余應力形成機制

針對K418與42CrMo異種金屬激光深熔焊接接頭組織，在掃描電鏡下，在焊縫區(qū)域觀察了結晶裂紋（如圖8所示）。對焊縫枝晶核1和裂紋處區(qū)域2能譜分析表明裂紋處Mo，Al，Nb，Ti元素聚集，如表3所示，這些元素的聚集易在焊縫中形成Laves，γ+γ＇共晶及其他的底熔物。由于底熔物的形成，擴大了焊縫的結晶溫度范圍，在焊接熔池凝固后期，熔池中大部分金屬已凝固，晶界的少部分低熔物還在液態(tài)狀態(tài)下，在焊接應力作用下，易成為裂紋萌生和開裂的地方。


另外，從觀察到焊縫根部氣孔，并且焊縫靠近42CrMo側焊縫的氣孔比靠近K418側氣孔密集。這是因為42CrMo導熱系數比K418高，熔池在靠近42CrMo鍘凝固速度比K418側高，導致靠近42CrMo熔池中的氣孔逸出時間比靠近K418側短。研究發(fā)現氣孔率隨焊接速度的變化而波動，氣孔數隨焊接速度的增加而減少；氣孔率和氣孔數隨離焦量的改變而發(fā)生波動。


實驗表明K418與42CrMo異種金屬激光焊接焊縫區(qū)域的組織主要是枝晶組織，并且首次發(fā)現在焊縫區(qū)域彌散分布著針狀的MC碳化物和顆粒狀的Laves相（如圖10所示）。Laves相是一種密排六方相，其特點是硬而脆，且熔點低。Laves相的形成擴大了焊縫區(qū)域凝固溫度范圍，提高了焊縫區(qū)域的熱裂紋敏感性。研究發(fā)現通過提高焊接速度可以抑制Laves相的形成。


Anawa等利用CO2激光器對不銹鋼AISI316與不銹鋼AISI1009進行焊接，并使用正交試驗設計和分析方法，分析采用不同工藝參數情況下焊接街頭中殘余應力的大小，得到優(yōu)化的焊接參數從而達到控制殘余應力的目的。

4 結論

激光焊接異種金屬材料從異種鋼擴展到了有色金屬及其合金，特別是鋒對鎂鋁合金、鈦鋁合金以及鎳基高溫合金的激光焊接已取得進展，獲得了具有一定熔深與強度的焊接接頭。異種金屬激光焊接熔池的形成與演化過程復雜。對焊接熱源模型、匙孔模型、溫度場以及熔池流動等問題從數值模擬與實驗兩方面進行了深入研究，特別是考慮熱傳導焊熔池流動中的湍流問題，繪出了鎳基高溫合金與合金鋼焊接匙孔發(fā)生偏移的條件。熔池凝固過程中接頭組織演變、燼縫缺陷以及殘余應力形成機制方面，深入分析了凝固過程中熱裂紋、有害相、氣孔的產生機制，并從工藝角度對殘余應力進行控制。

目前，異種金屬激光焊接熔池行為，特別是等離子體與匙孔效應的實驗研究比較缺乏；熔池形成、凝固過程力學精確建模仍存在困難。另外，需要對激光釬焊，TIG-激光復合焊等焊接機制進行深入研究，以期解決異種金屬性能差異帶來的可焊性問題。