異種金屬激光焊接關(guān)鍵問題研究

摘要：現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)要求對異種金屬材料進(jìn)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(diǎn)，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(yīng)，機(jī)制復(fù)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(jī)制；熔池凝固過程焊接缺陷及殘余應(yīng)力形成等。圍繞異種金屬激光焊接過程中的關(guān)鍵問題，國內(nèi)外開展了諸多研究工作，對此進(jìn)行了全面闡述。在此基礎(chǔ)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(gòu)件同時(shí)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(diǎn)，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(jì)70年代，目前成為航空航天、船舶制造、汽車制造諸領(lǐng)域重要的先進(jìn)制造技術(shù)之一。

異種金屬激光焊接過程包含多種物理效應(yīng)。具體表現(xiàn)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(dòng)量的傳遞與轉(zhuǎn)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(yīng)以及熔池凝固等。從復(fù)雜物理現(xiàn)象中提取科學(xué)問題，并對這些科學(xué)問題開展研究工作具有重大意義。

2 異種金屬激光焊接關(guān)鍵問題

異種材料激光焊接機(jī)制復(fù)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(jī)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(yīng)力與變形產(chǎn)生等。但其關(guān)鍵問題可歸結(jié)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(jī)制和熔池凝固過程焊接缺陷及殘余應(yīng)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(xiàn)為：異種材料熔點(diǎn)不同，熔點(diǎn)低的材料達(dá)到熔化狀態(tài)時(shí)，熔點(diǎn)高的材料仍呈固體狀態(tài)，這時(shí)已經(jīng)熔化的材料容易滲入過熱區(qū)的晶界，造成低熔點(diǎn)材料的流失、合金元素?zé)龘p或蒸發(fā)，使焊縫的化學(xué)成分發(fā)生變化，力學(xué)性能難以控制，尤其是焊接異種有色金屬時(shí)更為顯著。異種材料線膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致熔池結(jié)晶時(shí)產(chǎn)整較大焊接應(yīng)力與焊接變形，由于焊縫兩側(cè)材料承受的應(yīng)力狀態(tài)不同，容易導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，甚至導(dǎo)致焊縫金屬與母材的剝離。材料的熱導(dǎo)率和比熱容差異使焊縫金屬的結(jié)晶條件變壞，晶粒嚴(yán)重粗化，并影響難熔金屬的潤濕性能。異種材料焊接時(shí)易產(chǎn)生金屬間化合搦，同時(shí)會發(fā)生組織變化，導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能下降，尤其是熱影響區(qū)容易產(chǎn)生裂紋，甚至發(fā)生斷裂。向時(shí)，材料膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和比熱容等熱物性參數(shù)隨溫度變化而變化，導(dǎo)致異種材料激光焊接過程更加復(fù)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(dǎo)率、熔點(diǎn)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(dāng)達(dá)到熔點(diǎn)附近時(shí)，吸收率會出現(xiàn)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(xiàn)偏熔現(xiàn)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(jī)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(yīng)力-應(yīng)變場、溫度場等）、多尺度（時(shí)間尺度10-3～100s）：熔池形成-凝固過程，空間尺度（10-6～10-3m）：微結(jié)構(gòu)-熔池形貌）和多參數(shù)（激光功率、光強(qiáng)分布、移動(dòng)速度等）的特點(diǎn)，如圖1所示。


熔池形成與演化是激光異種金屬焊接中的關(guān)鍵科學(xué)問題，它涉及材料對激光束的吸收、能量與動(dòng)量的輸運(yùn)與轉(zhuǎn)換、固-液-氣的快速相變及相界面移動(dòng)、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(shí)熔池形成的狀態(tài)產(chǎn)生影響。熔池形成后，當(dāng)激光密度達(dá)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(chǎn)生匙孔效應(yīng)。對于異種材料激光焊接，由于熱物性參數(shù)的差異，熔池偏熔嚴(yán)重，匙孔不穩(wěn)定。提高焊接質(zhì)量的關(guān)鍵是對熔池形成過程進(jìn)行準(zhǔn)確描述。

2.3 熔池凝固過程焊接缺陷及殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)演化復(fù)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(chǎn)生很大熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力與相變應(yīng)力共同終用下會引起塑性變形、生成微缺陷、形成殘余應(yīng)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(kuò)大了焊縫的結(jié)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(yīng)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(hù)氣體卷入焊接熔池，以及匙孔底部金屬蒸發(fā)間歇產(chǎn)生大量氣泡所導(dǎo)致。有害相的形成是由于焊接過程中的非平衡凝固導(dǎo)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(jìn)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(nèi)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(jìn)技術(shù)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(jìn)行焊接，將焊接結(jié)果進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)。愛爾蘭都柏林(Dublin)城市大學(xué)Anawa等利用CO2激光器對不銹鋼AISI316與不銹鋼AISI1008進(jìn)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(jié)論，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化焊接參數(shù)，得到了小的殘余應(yīng)力和熱影響區(qū)，并發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力與輸入能量有直接關(guān)系，具體體現(xiàn)在工藝參數(shù)中的焊接速度和激光功率。

3.1.2 鋁鋼激光焊接

鋁/鋼熔點(diǎn)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(dǎo)系數(shù)的特點(diǎn)，在焊接過程中難以形成匙孔，焊接時(shí)需要較高的能量密度。北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院左鐵鏹等對高強(qiáng)鋁合金的激光焊接性能進(jìn)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(nèi)外對鋼鋁異種材料填充的激光焊接技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)應(yīng)用，如德國的“空中客車”飛機(jī)的機(jī)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(shí)驗(yàn)室的Mathieu等對鋁鋼材料進(jìn)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(shù)學(xué)院Nishimoto等運(yùn)用激光壓力焊對鋁合金A6061及低碳鋼SPCC進(jìn)行焊接，焊接過程如圖2所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)透過控制激光能量與材料的作用時(shí)間，可以減小界面反應(yīng)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(qiáng)度、較好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)。鎂是比鋁還輕的一種有色金屬，也具有較高的比強(qiáng)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(dǎo)系數(shù)大，易產(chǎn)生裂紋和氣孔等焊接缺陷，且極易產(chǎn)生金屬間化合物，從而顯著降低了焊接接頭的力學(xué)性能。


日本長岡(Nagaoka)理工大學(xué)Borrisutthekul等通過有限元分析，提出用一個(gè)支撐塊作為散熱片，減小中間層厚度，提高焊接質(zhì)量。大連理工大學(xué)三束材料改性實(shí)驗(yàn)室劉黎明等采用激光-TIG復(fù)合焊對鎂鋁異種金屬進(jìn)行焊接，TIG-激光復(fù)合熱源利用激光增加TIG能量利用率，同時(shí)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(dǎo)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(jié)果表明復(fù)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睿哦纳屏水惙N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(xué)院冶金系Phanikumar等用連續(xù)CO2激光器對銅鎳異種材料進(jìn)行焊接，對焊縫/母材微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)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(cè)有著完全不同的微觀組織；對焊接熔池形貌以及兩側(cè)不同微觀結(jié)構(gòu)的演化過程進(jìn)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(shù)研究院Mai等采用無釬激光焊對鋼-鎳鈷合金、銅-鋼、銅-鋁進(jìn)行焊接，且認(rèn)為兩種材料的熔化比例是控制焊接結(jié)果無裂紋的關(guān)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(dòng)機(jī)以及柴油機(jī)渦輪增壓器等設(shè)備中。鈦及鈦合金由于其化學(xué)活性大、熔點(diǎn)高、熱容最小、熱導(dǎo)率小、冷冽傾向大、易產(chǎn)生氣孔等原因使得可焊性非常差。北京航空航天大學(xué)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(jìn)行研究，通過掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)對接頭組織進(jìn)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(yàn)中，隨著保溫時(shí)間的延長，接頭強(qiáng)度略有提高，但變化不大；在970℃15min時(shí)生成了TiCu，TiC，TiNi和Fe4Cu3相；在970℃30min和970℃60min時(shí)，生成了TiCu，TiC，TiNi，TiAl和Fe4Cu3相。

發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)熱裂紋敏感性強(qiáng)；渦輪軸材料42CrMo由于高的碳含量，焊接時(shí)熱淬性高，且焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)易出現(xiàn)脆化。二者可焊接很差。中國科學(xué)院力學(xué)研究所激光熱工工藝力學(xué)實(shí)驗(yàn)室龐銘等針對這一問題，提出了K418與42CrMo激光深熔焊方法。實(shí)驗(yàn)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(dāng)離焦量在瑞利長度范圍內(nèi)時(shí)，焊縫正面寬度變化很??；當(dāng)離焦量超出瑞利長度范圍時(shí)，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(shù)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(jī)制，即“K418與42CrMo異種金屬熱物性參數(shù)的差異會導(dǎo)致激光深熔焊接的臨界功率密度范圍有差異；當(dāng)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(dāng)在匙孔底部的激光功率密度介于K418與42CrMo熱傳導(dǎo)焊接下臨界功率密度范圍之間時(shí)焊縫會發(fā)重偏移”。

3.2 激光焊接熔池演化機(jī)制

3.2.1 激光焊接熔池行為

國內(nèi)外針對激光焊接的實(shí)驗(yàn)研究還是以同種材料為主。典型的是日本大阪(Osaka)大學(xué)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(dòng)狀態(tài)，如圖6所示。鎢顆粒的運(yùn)動(dòng)基本上可以代表熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)規(guī)律。


3.2.2 熔池?zé)徇^程及流動(dòng)特性數(shù)值模擬

采用實(shí)驗(yàn)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(dòng)的形態(tài)。數(shù)值模擬是分析激光焊接過程中溫度分布和流動(dòng)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(jìn)行研究以來，激光焊接數(shù)值模擬經(jīng)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(dòng)等方面做了很多研究工作。美國密西根州立大學(xué)Mazumder用有限差分法計(jì)算三維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)激光傳熱模型較具代表性。埃塞克斯(Essex)大學(xué)Dowden等系統(tǒng)地研究了激光深熔焊接過程小孔周圍的流動(dòng)，首次分析了小孔內(nèi)等離子體逆韌致輻射的效果；使用點(diǎn)線組合熱源模擬了深熔焊接時(shí)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(shù)大學(xué)高能束技術(shù)系Kaplan建立了以小孔不對稱為基礎(chǔ)的激光深熔焊接數(shù)學(xué)模型，通過逐點(diǎn)計(jì)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(xué)Lampa對Kaplan這一模型又進(jìn)行了改進(jìn)，研究了小孔內(nèi)的表面張力梯度，提出了小孔的熱毛細(xì)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(shù)值模擬逐步發(fā)展起來，比較典型的是英國利物浦(Liverpool)大學(xué)工程學(xué)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(xiàn)采用湍流模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)更為吻合。

對K418與42CrMo異種金屬激光熱傳導(dǎo)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(dǎo)致激光熱傳導(dǎo)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(yīng)力形成機(jī)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(jié)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(kuò)大了焊縫的結(jié)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(yīng)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(cè)焊縫的氣孔比靠近K418側(cè)氣孔密集。這是因?yàn)?2CrMo導(dǎo)熱系數(shù)比K418高，熔池在靠近42CrMo鍘凝固速度比K418側(cè)高，導(dǎo)致靠近42CrMo熔池中的氣孔逸出時(shí)間比靠近K418側(cè)短。研究發(fā)現(xiàn)氣孔率隨焊接速度的變化而波動(dòng)，氣孔數(shù)隨焊接速度的增加而減少；氣孔率和氣孔數(shù)隨離焦量的改變而發(fā)生波動(dòng)。


實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(diǎn)是硬而脆，且熔點(diǎn)低。Laves相的形成擴(kuò)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(xiàn)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(jìn)行焊接，并使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法，分析采用不同工藝參數(shù)情況下焊接街頭中殘余應(yīng)力的大小，得到優(yōu)化的焊接參數(shù)從而達(dá)到控制殘余應(yīng)力的目的。

4 結(jié)論

激光焊接異種金屬材料從異種鋼擴(kuò)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(jìn)展，獲得了具有一定熔深與強(qiáng)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(fù)雜。對焊接熱源模型、匙孔模型、溫度場以及熔池流動(dòng)等問題從數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行了深入研究，特別是考慮熱傳導(dǎo)焊熔池流動(dòng)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(yīng)力形成機(jī)制方面，深入分析了凝固過程中熱裂紋、有害相、氣孔的產(chǎn)生機(jī)制，并從工藝角度對殘余應(yīng)力進(jìn)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(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究比較缺乏；熔池形成、凝固過程力學(xué)精確建模仍存在困難。另外，需要對激光釬焊，TIG-激光復(fù)合焊等焊接機(jī)制進(jìn)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。