Incoloy800H镍基合金激光焊接的组织及力学性能
Incoloy800H是采用固溶强化的奥氏体高温合金'.该材料具有良好的高温抗氧化、抗腐蚀和抗蠕变性能，在石化.冶金、电站和核工业领域得到广泛的应用。Incoloy80oH在工业领域的应用,首先要解决的是材料的焊接问题,国内焊接Incoloy800H的主要方法是手工电弧焊和钨极氩弧焊。板厚较厚时使用这些方法就显得效率低，成本高。激光焊接与传统焊接方法相比具有能量密度高﹑焊缝深宽比大﹑热输入量小、易于实现自动化等特点,在工业领域中得到广泛应用‘近十几年来,随着激光加工技术中参杂光纤传输技术的日益成熟,光纤激光器的输出功率得到了显著提高,激光焊接技术获得更广泛的推广和应用。
本文采用光纤激光焊接器对厚度为7.5mm的Incoloy800H钢板采用不同的激光焊接参数进行焊接。研究了焊接接头的组织和性能特点-为将来Incoloy800H钢激光焊接的应用提供理论依据。
试验方案
1.1试验材料
本试验所用材料是由钢铁冶金总院研制的In-coloy800H钢板,扎制后退火处理,用线切割将试样切成80mm×35mm×7.5mm.Incoloy800H的室温抗拉强度为531MPa,其化学成分见表1。
1.2试验过程
本试验采取激光焊,平板对接,选取5组试样。采用不同的焊接工艺,焊接过程中采用氩气作为保护气体，流量为1.5 L/min,气体压力0.5MPan空冷。试验工艺参数如表2。
2试验结果分析
2.1焊缝的宏观检测与分析
图1给出了不同焊接工艺条件下的焊缝宏观形貌。从图可以看出,在焊接速度一定的条件下,当激光功率较低时,如图1(a)所示,焊缝未能焊透.当激光功率增加到5kW时,如图1(b)所示,焊缝焊透且成形美观;继续增加激光功率达到6kW,如图1(c)所示,焊缝虽焊透但成形不美观,表面飞溅较多。在激光功率较低时,提高焊接速度,如图1(d)所示,由于焊接速度的提高导致热输入降低,焊缝未能焊透.在激光功率较高时,提高焊接速度,如图1(e)所示,焊缝能焊透,成形较美观。
由此可知,要焊透Incoloy800H7.5mm试样,热输入P/V必须达到一定数值,但焊缝是否熔透并不完全取决于名义上的热输入,激光功率的影响比焊接速度更大一些。
2.2接头显微组织分析
截取焊接接头横截面,经金相砂纸逐级打磨后在抛光机上进行抛光,最后使用王水对试样进行侵蚀。使能够清晰观察到金相组织。利用金相显微镜分别对焊接接头的焊缝和热影响区的组织进行观察。
图2( a)为Incoloy 800H母材显微组织,为奥氏体固溶组织.并有钛的氮化物、碳化物和铬的碳化物析出。
图2(b)为熔合线两侧组织.熔合线非常明显、右侧为焊缝,左侧为热影响区,热影响区晶粒明显长大。熔合区狭窄,晶粒长大不明显,这是由激光焊接加热集中,快速冷却造成的。
图2(c)和(d)为焊缝区显微组织,为典型的单相奥氏体组织·主要由柱状晶和树枝晶构成,具有一定的方向性,晶粒大小均匀,这种细小均匀的组织是由激光焊接快速冷却的特点决定的。图2(c)和(d)为不同焊接工艺条件下的焊缝显微组织,随着热输入的增大,焊缝区组织有粗化的趋势。
2.3焊接接头显微硬度分析
图3为不同焊接工艺条件下焊接接头硬度曲线.由图可知,焊缝硬度略高于母材,这主要是由于硬度与晶粒度等因素有关,焊缝晶粒更细小。从图中两条曲线可以看出试样5焊缝硬度明显高于试样3焊缝硬度,这与前面讨论的焊缝区的组织分布特点密不可分,随着焊接线能量的增大,焊缝晶粒粗化.从而使硬度降低.热影响区未出现软化。
2.4接头的力学性能
表3所示为不同焊接工艺参数条件下的接头抗拉强度。从表中可以看出,激光功率和焊接速度对焊接接头的拉伸性能有很大的影响。当激光功率6kW,焊接速度30mm/s时,所得到的接头拉伸性能最好,其抗拉强度达515MPa,为母材的97%。
硬度值与金属的拉伸性能之间近似成正比关系,前面硬度测试试验结果焊缝硬度明显高于母材,这预示焊缝的抗拉强度应该高于母材。但拉伸结果表明接头断口均在焊缝,这可能是由于焊接缺陷导致的,如气孔,焊缝组织晶界间低熔点化合物等。
图4为激光焊接头室温拉伸的断口形貌。接头室温拉伸时断裂在焊缝处,拉断部分有明显的锁口现象。由图可见断口表面有大量韧窝,是典型的韧性断裂.韧窝尺寸较小,这与焊缝区晶粒大小及析出第二相粒子分布有关。
3结论
(1)采用激光焊方法可实现Incoloy800H的连接,随着焊接线能量输入的增大,焊缝熔透率及熔宽增加。激光功率比焊接速度对焊缝熔透率影响更大。
(2)焊缝金属由奥氏体柱状晶和树枝晶构成,热影响区组织发生明显粗化。随着线能量输入的增大.焊缝区组织有粗化的趋势。
(3)热输入对焊接接头的抗拉强度具有明显的影响,接头抗拉强度最大值为515MPa,断裂均发生在焊缝处,断裂具有韧性断裂特征。
