一种电铸镍/GH4169高温合金的低真空激光焊接方法

本发明属于激光加工。

背景技术：

1、异质材料焊接件广泛应用于航空、航天、汽车等领域，在减重和性能提升等方面具有独特的优势。而在异种金属焊接中，由于两种材料存在较大的热物理性能差异，容易生成脆性相、产生较大的残余应力和出现工艺缺陷等。电铸镍是采用电铸方式生产的高纯度镍，具有高强度、耐高温氧化和耐腐蚀等性能，被广泛应用于航空航天、船舶制造及核工业等领域。gh4169是铁-镍-铬基变形高温合金，对应的美国牌号为in718，具有优异的高温强度、耐高温和耐腐蚀能力，能够在-253～650℃环境下服役，通常应用于航空航天、核电、石油化工及冶金工程的关键部件中。

2、电铸镍和高温合金gh4169异质材料焊接时，通常会存在以下问题：(1)在焊接过程中电铸镍一侧容易出现气孔、裂纹和晶粒粗化等问题，并且难以克服；(2)由于ni与s、p元素在化学上较为亲和，凝固时容易因元素偏析而形成低熔点共晶，低熔点共晶在晶界以薄膜形式分布，在受到应力时会沿着晶界开裂，同时低熔点共晶也会促进凝固裂纹的形成，降低焊接接头强度；(3)在大气环境焊接时，即使施加气保护，整个焊接过程难免会与大气接触，从而造成焊缝氧化，发生不利的冶金反应；(4)电铸镍组织主要为单相奥氏体组织，镍侧热影响区容易出现晶粒过度长大，较大的热输入会增加热影响区宽度；(5)在焊接过程中，由于熔池流动性较弱，形成的气体难以及时从熔池中逸出，从而在焊缝中形成气孔缺陷；(6)常规焊接工艺中难以实现大深宽比焊接，在进行大厚度电铸镍与gh4169对接接头焊接时无法胜任。

3、基于上述原因，传统的焊接方法无法实现电铸镍和gh4169的异种金属焊接，会在焊缝及热影响区出现缺陷，导致接头性能弱化，难以达到使用要求。尤其针对大厚度电铸镍和gh4169的焊接，能够采用的焊接方式仅为高能束焊接。然而电铸镍和gh4169性能差异很大，在采用电子束焊接时会出现严重的磁偏吹现象，具体表现为电子束尖端会偏向gh4169一侧，在焊缝底部出现未熔合缺陷；常规激光焊接是在大气环境下进行焊接，焊缝的深宽比较小，在焊接厚板时不能一次焊接成形，而且也会出现裂纹、夹渣和晶粒粗化等问题，接头性能难以达到工程应用需求。所以目前针对大厚度电铸镍和gh4169的焊接暂无可靠的焊接方法。

技术实现思路

1、本发明要解决现有电铸镍与gh4169材料焊接难度大，采用电子束焊接会出现未熔合缺陷，大厚度焊接性能差的问题，而提供一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法。

2、一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

3、一、焊件装配：

4、将电铸镍和gh4169装配使对接表面紧密配合，然后采用激光进行点固，将点固的焊件固定于真空舱室内的低真空激光焊接平台上；

5、二、低真空激光焊接：

6、在真空环境压力为0.1pa～10kpa、氩气气氛、激光功率为2kw～10kw、激光束入射角度为70°～110°、光斑直径为0.4mm～4mm、焊接速度为0.1m/min～2m/min及离焦量为-15mm～0mm的条件下，将焊接激光光斑对中于焊缝的中心线上且无偏移量，激光头沿着焊接路径运动形成焊缝，焊接完成后，将焊件在低真空环境下冷却，取出焊件，即完成电铸镍/gh4169的低真空激光焊接方法。

7、本发明的有益效果是：

8、(1)本发明弥补了传统激光焊接的不足，实现了电铸镍/gh4169厚板焊接，解决了困扰已久的行业问题。采用电子束焊接时，由于磁偏作用，尖端会向gh4169偏转。采用电铸镍/gh4169对接结构，激光聚焦斑点对中于对接界面，在环境压力为10kpa以下的低真空环境下进行焊接，焊缝成型较好，实现了电铸镍和gh4169之间的可靠连接。

9、(2)本发明的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，能在不开坡口的前提下实现大厚度焊接。较低的舱室压力使焊接过程中产生的羽辉大大较少，降低了对激光的衰减作用，增加了焊缝熔深，实现大深宽比焊接。

10、(3)本发明的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，能量密度集中，焊接效率高，热输入小，形成的热影响区更窄，有效抑制热影响区晶粒粗化。

11、(4)本发明的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，舱室残留空气很少，焊缝未出现氧化。此外，本方法在达到指定环境压力后通入氩气一段时间，然后逐渐减少通入的氩气，在预设环境压力下氩气流速与抽真空速度一致，此时舱室的压力恒定不变，然后开始焊接作业。在此过程中，氩气的通入进一步保护了焊接接头，有效防止接头氧化。

12、(5)本发明的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，熔化金属少，冷却速度快，元素偏析小，有效抑制晶间薄弱组织出现。此外在低真空环境进行焊接，材料的沸点降低，而材料的固相线温度变化不大，所以液气相界面和固液相界面十分接近，即液态金属层很薄，焊接过程稳定。

13、(6)本发明的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，焊缝内部无缺陷(气孔、裂纹和晶粒粗化)，有效提升焊缝性能。在低真空条件下，匙孔内部的液态金属的流动模式改变，液态金属的流动方向为沿着匙孔后壁向上流动，这种流动模式有利于将熔池内部气泡的逸出，从而在焊缝内部不易出现气孔缺陷。在同样作为高能束的电子束焊接中，当聚焦电子束对中于焊缝中心线时，由于材料属性差异较大，电子束尖端会向gh4169一侧偏转，在焊缝底部会出现未熔合缺陷，所以电子束焊接往往需要向纯镍一侧偏离。而在本方法中，聚焦激光束对中于焊缝中心线，实现了较厚的电铸镍/gh4169接头的焊接，并且在底部没有未熔合缺陷。

14、即本发明电铸镍/gh4169的低真空激光焊接方法在保证焊缝熔深的同时，消除了传统焊接工艺引起的裂纹、气孔及晶粒粗大等缺陷。

15、本发明用于一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法。

技术特征：

1.一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，其特征在于步骤一中所述的电铸镍和gh4169为丙酮清洗后的电铸镍和gh4169。

3.根据权利要求1所述的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，其特征在于步骤一中所述的电铸镍和gh4169的厚度均为5mm～30mm。

4.根据权利要求1所述的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，其特征在于步骤一中将电铸镍和gh4169装配实现对接接头或锁底对接接头。

5.根据权利要求4所述的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，其特征在于当将电铸镍和gh4169装配实现锁底对接接头时，锁底宽度为2mm～9mm，锁底深度为4mm～28mm。

6.根据权利要求1所述的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，其特征在于步骤一中所述的采用激光进行点固，具体是按以下步骤进行：在常压、激光功率为1kw～3kw及准焦的条件下，将激光作用于焊缝100ms～500ms，即完成点固。

7.根据权利要求6所述的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，其特征在于步骤一中点固过程中焊件和激光头均不移动。

8.根据权利要求1所述的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，其特征在于步骤二中所述的真空环境压力为0.1pa～10kpa及氩气气氛是按以下步骤进行调节：首先打开机械泵，当真空环境压力下降至16kpa以下时打开罗茨泵，真空环境压力达到0.1pa～10kpa时，通入压力为0.2kpa～3kpa的氩气0.1min～3min，真空环境压力上升，下调氩气进气量，直至真空环境压力再次达到0.1pa～10kpa，真空泵的抽气速度与充气速度平衡，舱室环境压力恒定。

9.根据权利要求8所述的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，其特征在于步骤二依次关闭罗茨泵和机械泵，然后打开进气阀，空气进入舱室，使舱室内压强与外界环境压强一致后打开舱门，取出焊件。

10.根据权利要求1所述的一种电铸镍/gh4169高温合金的低真空激光焊接方法，其特征在于步骤二中利用单激光将焊接激光光斑对中于焊缝的中心线上且无偏移量。

技术总结
一种电铸镍/GH4169高温合金的低真空激光焊接方法，本发明属于激光加工技术领域。本发明要解决现有电铸镍与GH4169材料焊接难度大，采用电子束焊接会出现未熔合缺陷，大厚度焊接性能差的问题。方法：一、焊件装配；二、低真空激光焊接。本发明用于电铸镍/GH4169高温合金的低真空激光焊接。

技术研发人员：姜梦,陈曦,杨李军,赵衍华,张中平,谢美蓉,郭盛斌,张晟奎,陈彦宾,李晗,张正浩
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15