GH3039高温合金探索性激光焊接工艺

试验材料

本次试验所选用的材料为GH3039,材料规格为60mmx30mmx1.0mm,其成分见表

焊接过程

焊前准备
试样采用母材的自熔焊和对焊焊接，焊接接头为I型，由于GH3039高温合金对杂质非常敏感，容易形成夹杂物和难熔氧化物，还会导致脆化。这些杂质往往存在于机油、记号笔、切削液和车间粉尘中。因此，在焊接过程中应严格遵守焊接规范。焊接前，应用砂纸仔细打磨样品表面，并用丙酮严格彻底地擦洗焊接接头，然后用白棉布擦干。

焊接设备和参数
焊接选用JHM-1GY-500B多功能数控激光加工机。它由主机系统、电源系统、PA控制系统、伺服系统和制冷系统组成，其结构如图2-10所示。该机采用固体Nd:YAG激光器作为激光光源，额定功率为500W(最大550W)，激光波长为1.06pm，脉冲宽度为0.1ms〜20ms(连续可调)，脉冲频率为1〜500hz(1500 w连续可调)

对于激光焊接，有比一般焊接方法更多的可调参数。主要焊接参数由工作电流、脉冲宽度、频率、散焦、焊接速度、保护气体及其速度和喷嘴高度(方向)决定。因为是探索性试验，具体参数只有在需要正式焊接时才能确定。

探索性激光焊接
为了找出合理的激光焊接工艺，我们对GH3039高温合金进行了两次激光焊接试验，即母材自焊和试板对接焊。
(1)首次单独焊接母材。
研究了焊接电流、离焦量、焊接速度、脉冲宽度、脉冲频率和保护气体流量等焊接工艺参数对激光焊缝成形的影响。试验方式为在GH3039试验板上平焊，尺寸为60mmx30mmx1.0mm，试验时一次只改变一个工艺参数，其他参数保持不变。试验的目的是以正面和背面外观、焊缝宽度和熔深为参考值，探索工艺参数与焊缝表面成形的关系及其对接头性能的影响。最后，选择焊缝成形良好的几组参数进行对接焊接试验。

参照之前GH3030高温合金激光焊接的焊接参数进行测试(正散焦，是100mm透镜、90mm/min焊接速度、1.5L/min气体流速> 90度喷嘴角度、约23mm喷嘴距离)和GH3039与GH163高温合金异质结激光焊接的焊接参数(正散焦、100mm透镜、90mm/min焊接速度、90mm/min ar气体保护、气体流速3。喷嘴角度为90度，喷嘴距离约为16mm)，因此决定在此基础上进行调整，以避免焊接正面出现较大的坡口不连续，焊缝明显下沉，飞溅，有时甚至出现整体焊透。

在初步了解焊机性能后，决定在焊接过程中保持喷嘴与工件表面的距离和气体流量不变。通过查阅资料，我们知道了保护气体流量影响焊接的原因:激光焊接时会产生小孔效应和等离子体效应，吹保护气体的目的是维持等离子体效应(等离子体被气体压入熔池)(还有一种观点认为，由于等离子体吸收了部分激光能量，使到达焊件的有效能量降低， 从而阻碍焊接过程的正常进行【透镜效应】，应从侧面吹入惰性气体，将等离子体驱离熔池或抑制其产生。 但比如在第一个尝试性实验中，过度吹气(包括气体流速过快，喷嘴过近无法焊接，导致气流层压缩，相当于加快了气体流速)会导致等离子体被强力压入熔池，对金属产生强烈冲击，导致熔透过度，甚至烧穿。

母材的自熔焊参数和初步焊接效果如下表2-2所示。
1.喷嘴到工件的距离为22mm，Ar气保护，气体流量约为3L/分钟，喷嘴角度为90度，透镜为100mm。
2.焊缝呈鱼鳞状波浪状，除17号外焊缝表面出现黑色氧化物。
3.13号是电流比较，46号是脉宽比较，79号是焊接速度比较，1012号是频率比较，1317号是离焦比较。

为了获得合理的焊接参数，对试样进行了金相制备(以便进一步研究焊接情况)，得到的焊缝形貌如图2.2所示。
从图2-2可以看出，对于本次试验，电流的变化对熔宽的影响很小；当脉冲宽度减小时，会出现穿通现象。随着焊接速度的增加，熔化宽度增加；当频率降低时，表面塌陷；使用负散焦时，焊缝美观，但没有熔透。

表2-2和图2-2表明，焊接时，采用不同的实验参数可以获得不同的焊缝成形效果。从试板的焊缝可以看出，焊缝正面比背面好，焊缝背面不规则，即焊道粗糙，鱼鳞不平，边咬，根部不规则。这些缺陷的影响因素可能是焊接时没有背面保护，采用负散焦时出现未焊透现象，这种现象在某些焊缝中最为常见。焊缝正面明显凹陷，背面也明显凹陷。本实验还发现GH3039高温合金的焊缝上出现了黑色的氧化物覆盖层。
如果自熔焊时有明显的焊痕或刚好熔透或接近熔透，对接焊时有间隙，基本熔透即可形成焊接接头。通过以上试验，初步决定采用12号、16号和9号试样的焊接参数，并在此基础上进行微调。

(2)第二次测试-测试板的对接激光焊接。GH3039合金对焊工艺参数见表2-3。

1号和2号试样表面成形良好，焊缝呈鱼鳞状，全熔透，背面凹陷，飞溅小，熔化宽度宽，无变形。(整体效果不错)
3号样品频率增加，焊接表面良好，氧化发黑，背面焊痕明显，焊缝宽度宽，无变形。
在2号的基础上，4号试样频率降低，焊接面比2号试样多黑色氧化物，未焊满，熔化宽度比1号和2号试样窄，无变形。
5号和6号样品进一步降低频率，调整焦距。表面成型良好，表面黑色氧化较多，刚焊完全，背面有飞溅，熔化宽度比1号小，无变形。(最适合本次试验)
在4号的基础上增加了7号试样的频率，7号试样表面有黑色氧化，未焊透，熔化宽度减小，变形严重。
8号试样提高了焊接速度，调整了喷嘴到工件的距离，表面良好，未焊透，无变形。
9号样品脉宽已调整，表面状况一般，未焊透，有变形。
10号试样焊接速度为90mm/min，表面状况较差，背面接近熔透，有少量飞溅和变形。

根据实验中的各种现象，确定了GH3039高温合金的主要焊接参数:工作电流、脉宽、频率、离焦量、焊接速度、保护气体流量和喷嘴高度。在微调中，尽量不要改变气体流量和喷嘴高度(稍有变化就会导致焊接规格的大范围变化)，主要调整集中在离焦、脉宽、频率和焊接速度。
1.在激光焊接过程中，不应出现飞溅或少量飞溅。飞溅大说明焊接熔池移动剧烈，容易产生表面沟槽(有时是颗粒状表面)。
2.频率对焊缝表面影响很大，频率越高，表面会越美观；频率越低，表面成型越差，越容易焊透。
3.保护气体喷嘴离焊接表面越近，焊接深度就越深。如果太远，激光喷嘴会烧坏。
4.激光焊接的焊接间隙在0.35mm左右，过大或过小都会影响焊接过程的稳定性，焊接定位需要准确，防止激光束偏移。
5.焊接参数良好时，焊接产生的噪音多为沉闷，有清脆的声音时，焊接失败，可以初步判断焊接成功与否。
该试验是在低功率、低焊接速度下进行的，与高功率、高焊接速度不同，两种方法不能适用。另外需要注意的是，因为气嘴不能侧吹，散焦量会增加。