江蘇鐳射聯盟導讀：In718高溫合金的鐳射焊接接頭由於在焊接後存在Laves相和液相裂紋而具有較差的機械效能。上海工程技術大學的研究人員利用高頻微振動輔助鐳射焊接的辦法來解決上述問題。依據焊接後的焊縫形貌，其上部類似釘頭，而下部類似釘子的身體。結果表明高頻微振動輔助的鐳射焊接可以細化晶粒。微振動可以打破初生的枝晶臂而形成二次枝晶，從而減少胞狀晶區域內的外延晶的生長。微振動會加速包圍的枝晶的Nb元素的流動和減少枝晶的分離，這樣就可以降低Laves相的形成。枝晶間的Ni，Ti和Nb的組合以及強化相γ′ 和 γ″ 的析出會得到促進。當振動的加速為50.10 m/s2的時候，它可以抑制Laves相自枝晶中的形成和Laves相的體積尺寸被有效的減弱。In718 合金中的裂紋生成分佈在三個區域，釘子的頭部，釘子的身體部位和兩者的連線區域。當振動頻率為 919 Hz的時候，液相裂紋的長度可以從180 μm降低至110 μm。當頻率為1331Hz的時候，液相裂紋的擴充套件會得到增加，其長度為200 μm。
圖1 微振動輔助鐳射焊接平臺的示意圖
In 718高溫合金具有優異的抗氧化效能，熱穩定性，耐腐蝕抗力和在工作溫度為650到1000 °C的工作環境下的高溫強度（高溫疲勞強度，高溫拉伸強度和蠕變強度）。該合金廣泛的應用在航空航天，能源，化工和通訊，電子以及汽車製造工業中。
在近年來，不同的焊接辦法和工藝引數均應用到In 718合金的焊接中。他們發現在焊接IN 718的過程中存在一些問題並解釋了這些問題產生的原因。Odabasi等人採用鐳射焊接In718合金的時候，得到了酒形的焊接形貌。In718合金的顯微組織由奧氏體枝晶和laves相所組成。在熔合線附近的晶粒呈現出大量的和柱狀的形態。枝晶富集元素Ni，Fe和Cr，而Laves相在枝晶中則富集Nb，Mo和Si以及Ti。Wang等人研究了In 718合金在凝固的過程中Nb的分離行為。當熔池連續凝固的時候，在液相中的Nb的分離會促進高Nb析出相的析出。這些析出相的形成會消耗周圍區域的Nb相，從而導致周圍合金元素的重新分佈和液相密度的重新分佈。Lertora和Tharappel 等人則認為Laves相是形成液相裂紋的主要原因。Laves相的形成主要取決於微裂紋的形成傾向和基體金屬的成分。在熱影響區的精細的晶粒可以最大程度的限制微裂紋的形成傾向。Ramkumar等人則使用鐳射焊接IN718合金和AISI 416合金，此時的Lave相導致了焊接接頭的衝擊性能降低。
圖2 焊接接頭的橫截面為釘子的形態，焊接引數為P = 4000 W, v = 0.02 m/s
圖3 沒有施加振動的時候的鐳射焊接的顯微組織，焊接引數為P = 4000 W, v = 0.02 m/s：(a) 焊縫；(b) 熔化線和胞狀晶區域; (c) 柱狀晶區域；(d) 等軸晶區域.
振動輔助焊接作為熱處理和焊接後的一種處理方式來提高機械效能而得到了極大的關注和應用。它是在傳統的弧焊過程中，將一種迴圈的施加外部的力到工件待焊接的區域。振動對焊接的影響體現最為明顯的就是晶粒的細化和減少了焊接過程中可能出現的裂紋。Anbarasan 等人使用機械振動技術（振動頻率為50Hz）來焊接IN 718合金，結果導致了顯微組織的細化和Nb元素偏析的減少。Wang等人研究了振動輔助的氣體鎢極電弧焊（GTAW）焊接601H合金的實驗，結果發現晶粒的細化效應在低頻率振動的時候比較明顯。γ′ 相呈現出一個彌散分佈的特性。他們同時相信振動導致的自由晶粒是晶粒細化的主要原因。Thavamani等人則研究了超聲輔助振動GTAW焊接IN718合金。結果發現枝晶的長度可以從1256 μm下降到89 μm，熱裂紋敏感性從47.5%下降到13.3%。因此，他們相信枝晶的碎裂和晶粒細化是減少熱裂紋發生的主要原因。
圖4 在施加振動的時候鐳射焊接In718合金的顯微組織，焊接引數為P = 4000 W, v = 0.02 m/s, a = 50.10 m/s2, f = 1331 Hz：(a) 焊縫; (b) 等軸晶區域; (c)柱狀晶區域, 區域S選擇用來進行下一步的SEM的分析; (d) 胞狀晶區域
大多數早先的研究使用超聲波輔助焊接技術來減少焊接In718合金過程中的缺陷，如Laves相的形成和液相裂紋的形成，但這一技術在實踐的過程中施加起來比較困難。很少有研究人員使用高頻率 (300~1500 Hz)輔助振動的辦法來進行焊接，而且這一焊接技術是非常重要且效果是非常顯著的。因此，上海工程技術大學的研究人員使用高頻率微振動輔助鐳射焊接In718合金，來減少Laves相的形成和抑制液相裂紋的生成。
圖5 在熔合線附近Laves相的成分，鐳射焊接引數為P = 4000 W, v = 0.02 m/s：(a,b) f = 0 Hz; 即沒有施加振動 (c,d) 施加振動且頻率為 f = 1331 Hz.
圖1顯示的為振動輔助焊接的示意圖。在焊接過程中，鐳射束垂直於基材表面。氣體輸送管和鐳射束的角度在鐳射焊接方向呈 45°。鐳射功率5000W的光纖鐳射器進行焊接，波長為1.06 μm。鐳射模式為連續波。振動系統為一個基於磁致伸縮材料的自研製的高頻率振動平臺，該平臺包括一個振動控制系統和一個巨大的磁致伸縮的材料激發器，功率放大器和一個加速感測器。振動的頻率可以在300到1500 Hz之間進行調節。一個磨床裝置用來將焊接區表面的氧化物進行去除。待焊接的板材牢固的固定在夾具上。振動平臺的振動頻率透過頻率掃描在掃描的過程中確保在2A的電流範圍內來搜尋。頻率掃描的結果繪製成頻率和加速之間的曲線。採用三個不同的同步頻率進行實驗，分別為522, 919和 1331 Hz。純的氬氣作為保護氣體。
圖6 加速對析出相的影響：(a) 0 m/s2; (b) 15.10 m/s2; (c) 20.20 m/s2; (d) 50.10 m/s2.鐳射加工引數為：P = 4000 W, v = 0.02 m/s, f = 1331 Hz。
圖2 顯示的為焊接接頭的橫截面。上部的焊接接頭為寬且窄的形態，底部形態為窄且深的形態。這一形態類似釘子。焊接接頭的寬且窄的部分在本文中定義為釘子的頭部，其他部分定義為釘子的身體部分。
圖4 顯示的為In718合金在高頻微振動輔助鐳射焊接後的顯微組織。如圖4 a所示，其顯微組織的分佈在振動的條件下同沒有施加振動的條件下幾乎相似。從圖4 b可以看出，在焊縫區的中央為等軸的晶粒分佈。在晶界處為薄帶形態的γ″ 相，而碳化物相幾乎消失。延長的初生枝晶相在柱狀晶中被破碎和在圖4 c中所得到反應。二次枝晶下降和在晶間彌散。同圖4 d相比較，胞狀晶變窄，等軸晶的生長數量減少。在晶界析出相的密度在沒有振動的時候成網格排列。
.圖7 焊接接頭在不同振動條件下的液相裂紋，(P = 4000 W; v = 0.02 m/s): (a) 0 Hz; (b) 522 Hz; (c) 919 Hz; (d) 1331 Hz.
主要結論
在本研究中，對高頻微振動輔助鐳射焊接In718高溫合金進行了研究。高頻微振動對顯微組織，Laves相的形成以及焊縫中的液相裂紋的擴充套件均進行了研究，主要結論如下：
高頻微振動焊接之後的焊縫形態同沒有施加振動的幾乎類似。焊縫的組成為胞狀晶區域，柱狀晶區域和等軸晶區域。Laves相的晶粒在焊縫中央並均勻分佈。他們的量比較大且在焊縫熔合線附近分佈。
焊縫晶粒的細化可以透過高頻微振動鐳射焊接In718得到實現。細小均勻的等軸晶和彌散的γ′, γ″相可以得到。當振動的加速度為50.10 m/s2, Laves相的脆性和硬的析出相在枝晶間的分佈得到顯著的減少。Laves相在熔合線附近比沒有施加振動的時候要小，他們是獨立的和均勻分佈的。
觀察到裂紋在鐳射焊接In718的三個區域均存在。發現液相裂紋位於釘子頭部的熱影響區和釘子身體的區域。在釘子頭部和釘子身體的連線區域，液相裂紋由於應力集中而擴充套件至胞狀晶的區域，並且由於析出相，如MC型別的碳化物的存在，液相裂紋擴充套件至釘子身體區域的胞狀晶區域，
高溫液相裂紋發生在鐳射焊接IN718合金接頭的熱影響區，並且液相裂紋在施加適當的振動的時候可以得到抑制。在本文中，最佳化後的振動頻率為919Hz，此時可以抑制裂紋的擴充套件，裂紋的長度為 110 μm。當振動頻率為1331Hz的時候，裂紋的擴充套件得到拓展且裂紋的長度達到200 μm.裂紋的寬度變大，尤其是在MC型別的碳化物處。
文章來源：Study of Inconel 718 Welded by Bead-On-Plate Laser Welding under High-Frequency Micro-Vibration Condition，Metals 2019, 9(12), 1335; https://doi.org/10.3390/met9121335