1.本發(fā)明屬于激光焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，屬于激光焊接技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

2.鎳基高溫合金和鋁合金使用具有廣泛的交叉性，如何將其連接提高焊縫的抗裂性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善微觀組織和力學(xué)性能，成為制約兩金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用的最大技術(shù)瓶頸。異種材料之間物理化學(xué)、冶金和力學(xué)性能的差異導(dǎo)致其要比同種材料之間的焊接性要差，焊接過(guò)程復(fù)雜。在鋁合金部分代替鎳基合金的應(yīng)用中，鋁合金/鎳基合金異種材料輕質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)焊接是必由之路，勢(shì)在必行，為焊接產(chǎn)品成本、體積、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)更加趨于合理化提供新的解決方案。受母材自身焊接性的影響，鋁合金和鎳基合金采取平板對(duì)接直接熔焊時(shí)，由于不對(duì)稱熔池不能同步熔化，焊后立即開(kāi)裂，限制了接頭有效連接和結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)一步提高，焊接質(zhì)量難以保證。根據(jù)富鋁側(cè)ni-al二元相圖，輕質(zhì)防銹鋁合金/鎳基高溫合金異種材料焊接兩種液態(tài)金屬混合形成同一熔池，接觸界面發(fā)生共晶和包晶相變反應(yīng)，易產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜和形狀不穩(wěn)定的金屬間化合物復(fù)相反應(yīng)層，例如al3ni、al3ni2、alni、al3ni5和alni3。這些脆硬相塑韌性差，降低接頭熱變形能力，是焊縫連接最薄弱部位和裂紋源，殘余應(yīng)力惡化接頭性能，在各種因素綜合作用下，出現(xiàn)脆性斷裂。鋁鎂合金熔池流動(dòng)充分，潤(rùn)濕角小，促進(jìn)鋁熔體在鎳基合金表面流動(dòng)潤(rùn)濕鋪展，導(dǎo)致鎳基合金元素向鋁熔體不均勻擴(kuò)散溶解和界面冶金反應(yīng)。鎳與鋁的晶格類型相同，均為面心立方結(jié)構(gòu)fcc，具有較高的塑性和韌性，高溫液態(tài)相互擴(kuò)散固溶。由于化學(xué)成分梯度、溫度梯度和應(yīng)力梯度，為實(shí)現(xiàn)兩種材料的焊接對(duì)液相快速凝固過(guò)程中焊接冶金化學(xué)反應(yīng)的控制要求苛刻。防銹鋁鎂合金5083h116是航空航天和船舶建造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，軋制態(tài)不可熱處理變形鋁合金，具有密度小，耐腐蝕，強(qiáng)度高和延展性好易加工成型等一系列優(yōu)點(diǎn)。價(jià)格低廉，節(jié)約成本。inconel 718鎳基合金是沉淀強(qiáng)化奧氏體高溫結(jié)構(gòu)材料，價(jià)格昂貴，具有優(yōu)異耐腐蝕，抗高溫氧化，抗高溫蠕變和疲勞等綜合力學(xué)性能和高溫組織穩(wěn)定性。同種材料焊接技術(shù)漸趨成熟，二者的各自焊接性能好。為了兼顧成本和質(zhì)量，如果實(shí)現(xiàn)將高強(qiáng)度防銹鋁鎂合金與鎳基高溫合金異種材料板材連接，用于冷卻散熱系統(tǒng)，可以大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量，無(wú)論在深冷還是高溫條件下能夠保持穩(wěn)定的組織和性能，可滿足有色金屬焊接性能和使用性能多樣化要求，成為技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)方向。從試驗(yàn)角度必須探究鋁合金/鎳基合金異種材料間的組織控制與工藝優(yōu)化，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢(shì)，對(duì)突破5083h116/inconel 718異種材料焊接瓶頸具有推進(jìn)作用和工程應(yīng)用價(jià)值。

3.迄今為止國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁合金/鎳基合金異種材料焊接尚未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道，異種材料常用的焊接方法有激光熔釬焊、激光-電弧復(fù)合熱源熔釬焊、電子束熔釬焊、mig和tig電弧熔釬焊以及cmt冷金屬過(guò)渡熔釬焊等，這些工藝需添加釬料，引起殘留釬料腐蝕和環(huán)境污染，增加成本，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低。擴(kuò)散焊通常在真空或保護(hù)氣氛條件下完成，設(shè)備復(fù)雜，效率低，成本高。而攪拌摩擦焊受接頭形式和焊接尺寸形狀限制，工藝流程復(fù)雜繁瑣。這

些焊接方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一些缺點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外異種材料焊接合理的焊接技術(shù)有激光焊、電子束焊或等離子弧焊接，這些方法主要集中在兩種途徑，一是添加合適的中間層或母材表面電鍍，防止金屬間化合物產(chǎn)生；二是工藝參數(shù)匹配，調(diào)整兩種材料的熔化量，嚴(yán)格控制接觸界面反應(yīng)產(chǎn)物及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但前者會(huì)引入其他脆硬相和殘余應(yīng)力，工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍狹窄，現(xiàn)有的焊接工藝技術(shù)對(duì)于鋁合金/鎳基合金異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭的制造仍然存在難度。與其他焊接方法相比，激光焊接技術(shù)具有焊縫深寬比大，能量集中精確可調(diào)，熔池尺寸和母材熔化量可控，能量密度高，熱輸入小，靈活方便，高溫停留時(shí)間短，焊接速度快，生產(chǎn)效率高，結(jié)構(gòu)變形和殘余應(yīng)力小，可焊材料范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)和再現(xiàn)性好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為異種材料最有發(fā)展前景的焊接方法之一。能進(jìn)一步拓寬激光焊的應(yīng)用領(lǐng)域，為先進(jìn)制造業(yè)和激光材料加工發(fā)展帶來(lái)前所未有的發(fā)展契機(jī)。鎳基合金對(duì)激光吸收率高，焊縫成型飽滿美觀，鋁鎂合金激光焊高溫熔池內(nèi)部低熔點(diǎn)及低沸點(diǎn)的元素易蒸發(fā)、燒損和飛濺。小孔熔透焊情況下，熔池溫度過(guò)高，液態(tài)金屬表面張力小，黏度低，熔池局部塌陷，液體從焊縫背面流失，影響焊縫成型。小孔熔池不穩(wěn)定，容易形成氣孔和凝固裂紋等缺陷。此外，β(al3mg2)強(qiáng)化相燒損，焊縫化學(xué)成分變化，接頭軟化嚴(yán)重降低性能。鋁合金對(duì)激光反射率高且表面有致密氧化膜，對(duì)常用的工業(yè)激光，如波長(zhǎng)1.06～10.6微米激光吸收率低，深熔小孔焊臨界功率密度閾值大，這是由本身光學(xué)性質(zhì)所決定。只有選用合理的焊接方法，制定正確的焊接工藝，采取適宜措施，各個(gè)參數(shù)之間相互協(xié)同作用，改變?nèi)鄢氐臒彷斎肱c熱應(yīng)力分布，穩(wěn)定焊接過(guò)程，才能獲得滿意的異種材料焊接接頭冶金結(jié)合，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明通過(guò)焊接結(jié)構(gòu)、焊接工藝和焊接冶金一系列有針對(duì)性地措施，改善鋁合金/鎳基合金異種材料焊縫微觀組織和力學(xué)性能，獲得無(wú)表面和內(nèi)部缺陷的焊接接頭，成為低熱輸入高效可行的焊接方法。

5.1.鋁合金/鎳基合金雙金屬異種材料復(fù)合中間層焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是改善焊接性的重要途徑。上下層為鋁合金，中間層為鎳基合金，焊接時(shí)側(cè)吹保護(hù)氣體消除光致等離子體，促進(jìn)自上而下小孔深熔焊，是動(dòng)態(tài)加熱過(guò)程。高溫停留時(shí)間、冷卻速度和反應(yīng)溫度等因素影響合金元素的擴(kuò)散反應(yīng)、界面過(guò)渡層的相分布以及微觀組織。采用這種雙金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)不但獲得彌散分布尺寸細(xì)小的界面金屬間化合物，同時(shí)也增加異種材料焊縫區(qū)接觸界面的面積，協(xié)調(diào)塑性變形，提高抗裂性能。薄板鎳基合金抑制鎳向鋁熔液中的擴(kuò)散，改變焊縫化學(xué)成分，從而起到減少金屬間化合物的作用，焊縫主要是塑性較好的α-al鋁基固溶體和γ-ni鎳基固溶體。隨著鎳元素含量的減少，增加元素間的相容性，鋁元素含量所占比例增加，降低殘余應(yīng)力和接頭脆性，大幅度提高焊接性和接頭力學(xué)性能。同時(shí)多組元鎳基合金中的其他元素，例如ti和mo對(duì)鋁焊縫微合金化，過(guò)冷度增加，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，微觀組織致密。增強(qiáng)固溶體中原子間結(jié)合力，晶界數(shù)量增多，減少應(yīng)力集中，延緩裂紋的萌生和擴(kuò)展。此外，利用反應(yīng)液相層的阻隔延遲效應(yīng)，也弱化了有害脆硬相的生成。減小鎳基合金尺寸，從而消弱鋁合金和鎳基合金兩種材料物理和化學(xué)性能差異對(duì)焊接性的影響。雙金屬?gòu)?fù)合中間層焊接結(jié)構(gòu)是一個(gè)非線性能量耗散體，增加塑性變形、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和微觀組織演變的能耗以及裂紋擴(kuò)善的阻力。

6.2.焊縫工藝參數(shù)選擇優(yōu)化，調(diào)整焊接熱輸入及分布。過(guò)厚或者過(guò)薄的金屬間化合物層對(duì)焊縫的力學(xué)性能不利，適宜金屬間化合物層的厚度，有利于避免接頭不均勻的應(yīng)力應(yīng)變和不均勻的力學(xué)性能。改變激光功率和焊接速度，精確控制母材焊接熱循環(huán)過(guò)程，各個(gè)參數(shù)之間相互協(xié)同作用，有利于調(diào)節(jié)焊縫熔深、熔池界面峰值溫度、濃度梯度和反應(yīng)時(shí)間等凝固條件，增加金屬間化合物的數(shù)量，改變相的形貌和分布范圍。激光束對(duì)熔池進(jìn)行沖擊攪拌，鋁合金黏度和密度小形成接觸界面流體強(qiáng)制對(duì)流，利用非對(duì)稱熔池流體動(dòng)力學(xué)規(guī)律，驅(qū)動(dòng)流體傳熱傳質(zhì)形成渦流。有助于加劇熔池中的冶金反應(yīng)，導(dǎo)致富鋁金屬間化合物卷入旋渦，在焊縫中細(xì)小彌散分布，具有抗裂性能。促進(jìn)不對(duì)稱熔池內(nèi)部充分流動(dòng)和元素?cái)U(kuò)散反應(yīng)，熱擴(kuò)散充分，元素之間相互作用，形成金屬間化合物層，確保界面結(jié)構(gòu)和冶金結(jié)合。金屬間化合物形核質(zhì)點(diǎn)多，導(dǎo)致尺寸減小，分布不均勻。通過(guò)熔池對(duì)流破碎金屬間化合物和樹(shù)枝晶，使之隨液態(tài)金屬流動(dòng)到焊縫，是焊縫組織和性能改善的決定因素之一。低熱輸入穩(wěn)定熔深，控制焊縫幾何形狀，避免熔池塌陷，改善焊縫成型。避免熔池過(guò)熱劇烈波動(dòng)、合金元素蒸發(fā)和燒損，減少飛濺。采用合適的焊接工藝參數(shù)既保證徹底熔化中間層鎳基合金薄板，兩種液態(tài)金屬混合，又避免全熔透熔池，母材熔化較多，液體背面流失，焊縫凹陷。實(shí)現(xiàn)大部分焊縫以固溶體成分過(guò)渡的漸變過(guò)程，微觀組織結(jié)構(gòu)主要由鋁基固溶體和鎳基固溶體組成，增大焊縫組織塑性，同時(shí)滿足這兩個(gè)條件對(duì)焊接熱輸入要求嚴(yán)格。深熔焊時(shí)激光束引起熔池金屬波動(dòng)，小孔不穩(wěn)定，因此控制熱輸入抑制熔池金屬紊流，同時(shí)減少氣孔缺陷。焊接熱循環(huán)存在一個(gè)最佳的熱輸入范圍工藝規(guī)范，此時(shí)接頭強(qiáng)度較高。

7.3.激光光斑偏移量、激光束傾斜角度和離焦量調(diào)整異種材料稀釋率，控制異種非互溶材料熔體界面析出相動(dòng)態(tài)行為，改善焊接冶金反應(yīng)。激光焊接是局部加熱過(guò)程，極快的加熱和冷卻速度，改善焊接冶金反應(yīng)，從熔池上部到底部金屬間化合物過(guò)渡層厚度小而且分布不均勻。界面溫度分布不均勻，存在強(qiáng)界面反應(yīng)區(qū)和弱界面反應(yīng)區(qū)。通過(guò)相變熱力學(xué)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，改變析出相的形貌、數(shù)量、分布、種類以及析出的先后順序，控制快速凝固過(guò)程中ni-al金屬間化合物的形核與長(zhǎng)大，改善接觸界面組織成分和性能，提高界面結(jié)合力，緩解界面內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中。激光束位置偏移限制中間層鎳基合金的熔化量，實(shí)現(xiàn)兩種材料之間熱量重新分配，增大焊縫中異種材料的熔化尺寸和有效連接面積，促進(jìn)元素相互擴(kuò)散，改變非平衡不均勻過(guò)程焊縫化學(xué)成分和元素分布，避免邊界效應(yīng)，降低裂紋敏感性，進(jìn)而更好的控制熔池凝固過(guò)程中界面反應(yīng)過(guò)程、非平衡相和焊縫組織。鋁母材熔化量較多，鋁元素不停向鎳側(cè)擴(kuò)散，由于鎳基合金板較薄，可避免連續(xù)分布富鋁金屬間化合物層出現(xiàn)。焊縫組織由固溶體和金屬間化合物組成，鋁為軟金屬，塑性好，同步協(xié)調(diào)金屬間化合物引起的變形，可以起到緩解內(nèi)應(yīng)力的作用。通過(guò)減薄鎳基合金板，彌補(bǔ)接觸界面有害富鋁金屬間化合物對(duì)接頭性能的影響，鋁合金焊縫合金化引起的組織細(xì)晶強(qiáng)化作用抵消富鋁脆硬金屬間化合物引起的接頭脆化效應(yīng)。接頭從無(wú)法有效連接到焊縫表面成形連續(xù)美觀，焊縫性能整體提高，得到具有一定強(qiáng)度和塑性的可靠接頭。

8.本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，包括如下步驟：

9.a)采用雙金屬異種材料復(fù)合中間層焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上下層為鋁合金板，中間層為鎳基合金薄板，上下兩層鋁合金板對(duì)接，板材用夾具裝配固定，確保接觸面相互緊密貼合。減小鎳基合金板的厚度，降低熔池中鎳的熔化量。

10.b)激光束傾斜入射減少鋁合金表面對(duì)激光束的反射，同時(shí)也避免焊接過(guò)程中由于

反射率高，對(duì)激光器光學(xué)系統(tǒng)造成損傷。調(diào)節(jié)熱輸入，提高上層鋁合金對(duì)激光能量利用率和焊接效率，降低能量損耗。另外，通過(guò)偏轉(zhuǎn)激光入射角，有助于接觸界面能量分布均勻，改善小孔深熔焊中間層鎳基合金的對(duì)流和熱傳導(dǎo)，在板厚方向上能量有效傳輸，實(shí)現(xiàn)兩種材料深熔焊。

11.c)調(diào)節(jié)激光束偏移量，控制異種材料稀釋率。焊接時(shí)激光光斑照射上層低熔點(diǎn)鋁合金，偏置中間層鎳基合金側(cè)，上層鋁合金板和中間層高熔點(diǎn)鎳基合金薄板接觸界面附近均能充分熔化，形成同一熔池。在上層鋁合金熔池對(duì)流和熱傳導(dǎo)作用下，鋪展浸潤(rùn)接觸面中間層鎳基合金，持續(xù)加熱過(guò)程中鎳基合金和鋁合金母材溶解混合到液相，合金元素相互擴(kuò)散，形成具有一定厚度的金屬間化合物過(guò)渡層。若激光束偏移距離大，中間層鎳基合金熔化量過(guò)多，與上層鋁合金熔池發(fā)生劇烈反應(yīng)，生成大量脆硬金屬間化合物，降低界面結(jié)合強(qiáng)度，焊縫脆性斷裂。若激光束偏移距離過(guò)小，鋁合金熱量在熱傳導(dǎo)過(guò)程中損耗大，不能實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)中間層鎳基合金薄板完全熔化，很難與低熔點(diǎn)上層鋁合金板發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)形成冶金結(jié)合，鎳基合金和鋁合金接觸界面小，元素?cái)U(kuò)散不充分，界面反應(yīng)層厚度薄，材料界面結(jié)合力弱，無(wú)法形成有效連接。

12.d)調(diào)節(jié)激光離焦量，控制中間層鎳基合金薄板熔池合金化。利用激光負(fù)離焦量小光斑尺寸，控制母材熱輸入，增加熔深。激光光斑位于上層鋁合金，偏置鎳基合金側(cè)，激光焦點(diǎn)設(shè)定在上層鋁合金內(nèi)部，激光入射點(diǎn)和加熱位置精確可控。鋁合金和鎳基合金充分熔化，熔池?zé)醾鲗?dǎo)作用下形成同一熔池。兩種液態(tài)金屬混合，中間層鎳基合金薄板元素溶解到液相熔池，相互擴(kuò)散冶金反應(yīng)，對(duì)鋁合金熔池微合金化，改善熔池化學(xué)成分，凝固過(guò)程中細(xì)化焊縫組織，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用。接觸界面大，提高冶金相容性和結(jié)合強(qiáng)度。離焦量過(guò)大時(shí)，光斑尺寸增加，激光可覆蓋更大范圍，單位面積上激光功率密度降低。離焦量過(guò)小時(shí)，光斑直徑小，激光充分聚焦在工件表面附近，焊接熱輸入大，兩種材料熔化量多，增加脆硬析出相的厚度。

13.e)調(diào)節(jié)激光功率和焊接速度，控制熔池流動(dòng)行為。激光束對(duì)熔池?cái)嚢?，減小濃度梯度，破碎接觸界面過(guò)渡層有害富鋁脆硬金屬間化合物層和樹(shù)枝晶，使之細(xì)小彌散分布，減輕元素偏析。獲得所占比例較多且塑性較好的鋁基固溶體，改善焊縫塑性和微觀組織。通過(guò)塑性變形，緩解界面之間熱應(yīng)力，減小應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力，降低接頭貫穿性裂紋脆性斷裂風(fēng)險(xiǎn)，從而增加焊縫抗裂性能，提高異種材料界面結(jié)合力和接頭強(qiáng)度，改變有害析出相的形態(tài)和分布是解決異種材料焊縫ni-al金屬間化合物焊接開(kāi)裂問(wèn)題的有效途徑。激光功率低或焊接速度快，異種材料熔化量不足，有效連接面積小，元素?cái)U(kuò)散不充分，消弱界面結(jié)合強(qiáng)度，不能實(shí)現(xiàn)致密連接，接頭強(qiáng)度低。激光功率大或焊接速度慢，熱輸入過(guò)大，焊縫成型對(duì)熱輸入較為敏感，形成熔透貫穿小孔熔池，液態(tài)鋁黏度、密度和表面張力小，而且導(dǎo)熱快，液態(tài)金屬?gòu)娜鄢乇趁媪魇?，焊縫下榻凹陷，不利焊縫上下表面成型。此外，熔池溫度高，合金元素蒸發(fā)燒損。焊縫晶粒粗化，同時(shí)界面也產(chǎn)生大量有害脆硬金屬間化合物析出相，界面反應(yīng)層厚，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂，承載能力降低，嚴(yán)重影響接頭力學(xué)性能，兩種情況均不利于接頭強(qiáng)度增加。

14.f)為保證焊縫質(zhì)量，焊接過(guò)程采用高純度惰性氣體氬氣保護(hù)覆蓋熔池，散熱條件充分，有助于避免熔池過(guò)熱合金元素?zé)龘p，細(xì)化焊縫組織，抑制元素之間相互擴(kuò)散和界面金屬間化合物長(zhǎng)大。高反射率鋁合金焊接過(guò)程中等離子體不穩(wěn)定影響焊縫表面成形，同步側(cè)

吹高純度氬氣，抑制焊接過(guò)程中小孔上方產(chǎn)生光致等離子體對(duì)激光吸收和散射屏蔽作用以及對(duì)小孔熔池能量耦合的影響，減少能量損失，改善焊接過(guò)程穩(wěn)定性以及焊縫表面成形。

15.g)采用光纖激光器設(shè)備進(jìn)行焊接，優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)范圍是激光功率2～3kw，焊接速度0.4～0.8m/min，離焦量-1～0mm，激光光束偏置距離0～0.7mm，傾斜入射激光束與豎直法線方向夾角5

°

～10

°

，高純惰性氣體氬氣保護(hù)，氣體流量20l/min。通過(guò)嚴(yán)格優(yōu)化高能量密度激光焊接工藝參數(shù)，例如激光功率、焊接速度、激光偏移量、離焦量和激光傾斜角度，改善焊接質(zhì)量，獲得無(wú)明顯表面和內(nèi)部缺陷的焊接接頭，實(shí)現(xiàn)鋁合金/鎳基合金異種材料高效率低熱輸入深熔小孔焊接。對(duì)焊接過(guò)程中焊接熱輸入、熔池溫度分布和界面反應(yīng)精確調(diào)節(jié)，控制界面反應(yīng)形成一定數(shù)量的ni-al金屬間化合物層是順利實(shí)現(xiàn)異種材料焊接的必要條件。此外，改善不對(duì)稱焊縫幾何形狀和熔池行為，也降低了焊縫開(kāi)裂傾向。

16.本發(fā)明的有益效果在于：

17.1.通過(guò)焊接結(jié)構(gòu)、焊接工藝和焊接冶金，改善不對(duì)稱熔池微合金化、多元混合體系異種材料微觀組織與接觸界面過(guò)渡反應(yīng)層結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能，合理的熱分配降低非平衡金屬間化合物分布不均勻性，避免焊縫富鋁金屬間化合物開(kāi)裂導(dǎo)致的脆性斷裂，獲得無(wú)裂紋缺陷深熔小孔形狀焊縫，弱化焊縫裂紋敏感性，擴(kuò)展先進(jìn)高功率密度激光焊接的應(yīng)用范圍。

18.2.雙金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)焊縫中鋁合金與鎳基合金有效連接承載面積大，發(fā)生界面擴(kuò)散化學(xué)冶金反應(yīng)，微觀組織細(xì)化致密，界面結(jié)合力大，增加接頭強(qiáng)度，有助于接頭綜合性能進(jìn)一步提高。稀釋熔池中鎳元素的含量，延緩凝固過(guò)程中脆硬析出相形核與長(zhǎng)大，增大焊縫塑性，同步協(xié)調(diào)熱變形，減小界面內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中。低熱輸入焊接工藝參數(shù)具有可控性，兼顧組織與結(jié)構(gòu)性能，凸顯出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景，需求迫切，不可或缺。

19.3.焊接工藝參數(shù)與異種材料焊縫形貌、化合物界面層生長(zhǎng)行為、微觀組織、物相組成和力學(xué)性能相互緊密關(guān)聯(lián)，優(yōu)化影響異種材料焊接性的因素，為航空航天和船舶建造焊接技術(shù)提供新的發(fā)展思路和技術(shù)基礎(chǔ)，從不同角度滿足異種材料復(fù)合結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭焊接質(zhì)量的要求。本方法無(wú)需添加第三種材料，實(shí)現(xiàn)兩種材料在性能上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。較好的解決了既要增加熔深，同時(shí)還要避免大量脆硬金屬間化合物的矛盾。裝配簡(jiǎn)單，易于加工，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定，高效可靠，方法簡(jiǎn)易可行，工藝適用性強(qiáng)，焊接過(guò)程穩(wěn)定。與兩種材料直接對(duì)接激光焊相比，焊縫抗拉強(qiáng)度增加25.4％，斷后延伸率1％，本發(fā)明能夠明顯提高異種材料接頭強(qiáng)度。

附圖說(shuō)明

20.此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本技術(shù)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。

21.圖1本發(fā)明的異種材料激光焊接方法示意圖

22.圖2本發(fā)明激光束作用位置及異種材料復(fù)合結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

23.圖3實(shí)施例1中5083h116/inconel 718異種材料焊縫橫截面宏觀形貌照片

24.其中，1-上層鋁合金板；2-中間層鎳基合金板；3-下層鋁合金板；4-傾斜入射激光束；5-上層對(duì)接中心線；d-激光束與上層對(duì)接中心線距離；θ-激光束與豎直法線夾角

具體實(shí)施方式

25.下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚完整地描述，雖然所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

26.參見(jiàn)圖1至圖3所示，針對(duì)鋁合金/鎳基合金異種材料焊接兩種液態(tài)金屬混合接觸界面易生成大量連續(xù)分布ni-al脆硬金屬間化合物，焊后立即斷裂問(wèn)題，本發(fā)明采用雙金屬?gòu)?fù)合中間層焊接結(jié)構(gòu)激光焊接方法，通過(guò)優(yōu)化激光功率、焊接速度、激光束偏移量和離焦量等焊接工藝參數(shù)，改變異種材料稀釋率，調(diào)整焊縫化學(xué)成分，優(yōu)化熔池冶金行為和流體流動(dòng)行為，控制金屬間化合物生長(zhǎng)和析出相的種類、數(shù)量、形貌及分布，抑制非平衡富鋁脆硬相。一方面，中間層鎳基合金薄板中的ti和mo等合金元素對(duì)鋁合金熔池微合金化，改變焊縫化學(xué)成分，細(xì)化焊縫晶粒，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，改善微觀組織與性能，冶金因素與力學(xué)因素之間相互協(xié)同，提高接頭的塑形和強(qiáng)度。另一方面，激光束對(duì)熔池?cái)嚢枳饔么龠M(jìn)元素相互擴(kuò)散，減小濃度梯度和偏析，破碎異種材料接觸面富鋁脆硬金屬間化合物層，這些化合物隨強(qiáng)制對(duì)流卷入焊縫中，彌散細(xì)小分布，改善焊縫的塑性，獲得塑性較好的α-al鋁基固溶體和γ-ni鎳基固溶體，減少殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，從而降低接頭脆性，實(shí)現(xiàn)鋁合金/鎳基合金異種材料的焊接。通過(guò)熔池微合金化和非對(duì)稱熔池傳熱傳質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，抑制ni-al冶金反應(yīng)產(chǎn)物脆硬相對(duì)焊縫性能的不利影響，控制微觀組織分布，改善復(fù)合結(jié)構(gòu)接頭薄弱位置塑性和強(qiáng)度，提高焊縫抗裂性能。

27.實(shí)施例1

28.采用本發(fā)明的方法進(jìn)行鋁合金/鎳基合金異種材料的焊接，從焊接結(jié)構(gòu)、焊接工藝和焊接冶金三個(gè)角度改善焊縫塑性，緩解界面內(nèi)應(yīng)力，改善焊縫表面成形，提高焊接質(zhì)量。鋁合金材料為5083h116鋁合金，鎳基合金材料為inconel 718非定向凝固鎳基高溫合金。inconel 718鎳基合金板化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)為ni≤52.38％，cr≤19.3％，nb+ta≤5.07％，mo≤3.12％，ti≤1.02％，al≤0.5％，si≤0.04％，mn≤0.02％，cu≤0.02％，c≤0.02％，fe余量。5083h116鋁合金板化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)mg 4.4％，mn 0.48％，fe 0.34％，si 0.138％，cr 0.065％，cu 0.037％，ti 0.029％，zn 0.012％，al余量。inconel 718鎳基合金薄板厚度為1mm，寬度為5mm，長(zhǎng)度為300mm。臺(tái)階型5083h116鋁合金板厚5mm，底邊長(zhǎng)100mm，上邊長(zhǎng)95mm，臺(tái)階高度為2mm，臺(tái)階寬度為5mm，長(zhǎng)度為300mm。上下兩塊鋁合金板尺寸和材料相同，鋁合金板與鎳基合金板長(zhǎng)度相同，試樣的具體幾何尺寸詳見(jiàn)圖1和圖2所示。

29.首先，將中間層鎳基合金薄板2放在鋁合金板3臺(tái)階層上，臺(tái)階型鋁合金板1與鋁合金板3按順序相互對(duì)接，水平放置，夾緊試樣裝配固定，形成鋁合金板1-鎳基合金板2-鋁合金板3兩金屬三層結(jié)構(gòu)。鎳基合金板2作為中間層。

30.其次，調(diào)整激光束入射角、偏移量和離焦量等焊接工藝參數(shù)，焊接方向平行上表面對(duì)接中心線5，沿材料長(zhǎng)度方向焊接。激光光斑位于上層鋁合金板1，與對(duì)接表面中心線5的距離為d，且偏置鎳基合金板2側(cè)。激光束4與豎直方向法線夾角為θ傾斜入射在上層表面鋁合金板1，光斑焦點(diǎn)位于上層鋁合金板1內(nèi)部。激光加熱位置精確可控，優(yōu)化激光能量輸入位置和分配，控制鎳基合金熔化量和熔池冶金反應(yīng)。

31.然后，調(diào)節(jié)激光功率和焊接速度等焊接工藝參數(shù)，鋁合金板1和鎳基合金薄板2熔化。鋁合金板1先熔化，通過(guò)小孔熔池動(dòng)態(tài)對(duì)流和熱傳導(dǎo)能量傳遞到下面鎳基合金板2，形成異種材料深熔小孔復(fù)合結(jié)構(gòu)焊縫，減少凝固過(guò)程中焊縫界面處大量不平衡脆硬相。改善焊縫表面成形，實(shí)現(xiàn)無(wú)明顯裂紋和氣孔缺陷高質(zhì)量冶金結(jié)合。焊接完成后，形成低熱輸入高效鋁合金/鎳基合金異種材料復(fù)合結(jié)構(gòu)焊縫，如圖3所示。

32.采用光纖激光焊設(shè)備進(jìn)行焊接，優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)是激光功率2.6kw，焊接速度0.6m/min，離焦量-1mm，激光光斑偏置距離d＝0.5mm，傾斜入射激光束與豎直法線方向夾角θ為5

°

，焊接過(guò)程采用氬氣保護(hù)，保護(hù)氣體流量20l/min。測(cè)試異種材料接頭室溫拉伸性能，根據(jù)國(guó)標(biāo)gb/t 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》，拉伸試驗(yàn)中接頭斷裂在上層鋁合金焊縫，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到82mpa。

33.實(shí)施例2

34.本實(shí)施例焊接方法與實(shí)施例1不同的是，激光光束偏置距離為0.7mm，其他與具體實(shí)施例1方式相同，按照規(guī)范流程完成異種材料焊接。焊縫表面無(wú)明顯缺陷，內(nèi)部無(wú)氣孔和裂紋，拉伸試驗(yàn)中接頭斷裂在上層鋁合金焊縫，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到67mpa。

35.實(shí)施例3

36.本實(shí)施例焊接方法與實(shí)施例1不同的是激光功率2.2kw，焊接速度0.4m/min，其他與具體實(shí)施例1方式相同，按照規(guī)范流程完成異種材料焊接。焊縫表面無(wú)明顯缺陷，內(nèi)部無(wú)氣孔和裂紋，拉伸試驗(yàn)中接頭斷裂在上層鋁合金焊縫，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到69mpa。

37.以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。技術(shù)特征：

1.鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于包括如下步驟：a)采用雙金屬中間層復(fù)合結(jié)構(gòu)，上下層為臺(tái)階型鋁合金板，中間層為鎳基合金薄板，上下兩層鋁合金板對(duì)接，板材裝配固定，接觸緊密，水平放置。b)采用激光焊設(shè)備進(jìn)行焊接，通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)改變焊縫化學(xué)成分，上下熔池相互緊密連接，顯著減少激光與材料相互作用產(chǎn)生的金屬間化合物，兼顧微觀組織與結(jié)構(gòu)性能。避免裂紋和氣孔等焊接缺陷，焊接過(guò)程穩(wěn)定，形成均勻光滑焊縫，改善焊縫表面成形，提高焊接質(zhì)量。c)激光束偏轉(zhuǎn)傾斜入射高反射率鋁合金表面，降低能量損失，提高激光能量利用效率。避免焊接過(guò)程中由于反射率過(guò)高，對(duì)激光器光學(xué)系統(tǒng)造成的損傷。保護(hù)光路元件，免受液體熔滴濺射。此外，通過(guò)偏轉(zhuǎn)激光入射角度，改變界面垂直方向能量分布，實(shí)現(xiàn)深熔小孔焊時(shí)中間層鎳基合金和上層鋁合金界面熔池能量傳遞和鋪展浸潤(rùn)，兩種合金熔化并形成同一熔池。激光提供足夠熱量充分熔化鋁合金板和鎳基合金板，在上層鋁合金熔池?zé)醾鲗?dǎo)和對(duì)流作用下，中間層鎳基合金熔化，多組元合金體系合金元素由母材溶解到液相，促進(jìn)元素相互混合擴(kuò)散。凝固過(guò)程中界面形成金屬間化合物，實(shí)現(xiàn)鎳基合金/鋁合金接觸界面冶金結(jié)合。d)優(yōu)化激光偏移量和離焦量等焊接工藝參數(shù)，焊接時(shí)傾斜入射激光光斑聚焦在上層鋁合金板內(nèi)部，偏中間層鎳基合金薄板側(cè)，熔化位置精確可控。調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)及焊縫成分，控制不對(duì)稱熔池幾何形狀、界面反應(yīng)過(guò)程、界面層化合物的生長(zhǎng)行為以及界面相結(jié)構(gòu)。熱量重新分配，擴(kuò)大薄板鎳基合金和鋁合金焊縫界面結(jié)合面積，熔化混合充分，加劇合金元素相互擴(kuò)散，形成穩(wěn)定熔池，提高接頭結(jié)合強(qiáng)度。改變焊縫化學(xué)成分，增加焊縫中鎳元素和鋁元素的含量，進(jìn)而調(diào)節(jié)界面相變熱力學(xué)及擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)等熔池冶金性能，實(shí)現(xiàn)鎳和鋁熔化量、熔池溫度分布、界面結(jié)構(gòu)和相變的控制。此外，薄板鎳基合金中的ti和mo等合金元素對(duì)鋁合金熔池微合金化，細(xì)化焊縫微觀組織，對(duì)接頭細(xì)晶強(qiáng)化，增加焊縫塑性和強(qiáng)度，緩解界面內(nèi)應(yīng)力和殘余應(yīng)力，降低反應(yīng)產(chǎn)物脆性，改善微觀組織與力學(xué)性能。e)優(yōu)化激光功率和焊接速度等焊接工藝參數(shù)，改善厚度方向上熱量分布不均勻性，改變?nèi)鄢亓黧w動(dòng)力學(xué)行為。激光劇烈攪拌高溫熔池，強(qiáng)制對(duì)流破碎接觸界面ni-al脆硬金屬間化合物過(guò)渡層，這些非平衡析出相隨液態(tài)金屬流動(dòng)到焊縫，彌散細(xì)小不連續(xù)分布。減緩非平衡狀態(tài)界面冶金化學(xué)反應(yīng)及有害ni-al脆硬金屬間化合物層厚度，避免焊縫中產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力應(yīng)變。同時(shí)熔池液態(tài)金屬形成的渦流有利于氣泡逸出，降低氣孔敏感性。低熱輸入熱循環(huán)過(guò)程參數(shù)匹配，降低界面峰值溫度，縮短反應(yīng)時(shí)間等化合物生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力，對(duì)界面反應(yīng)控制。獲得比例多塑性較好的α-al鋁基固溶體和γ-ni鎳基固溶體，有效抑制有害金屬間化合物對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響，也可以降低接頭脆性，進(jìn)一步消除不利因素。本發(fā)明能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)d)和e)兩方面效果，減弱脆硬析出相的不利影響。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于所述步驟b)中的光纖激光焊設(shè)備的優(yōu)化焊接工藝參數(shù)是激光功率2～3kw，焊接速度0.4～0.8m/min，離焦量-1～0mm，激光光束偏置距離0～0.7mm，傾斜入射激光束與豎直法線方向夾角5

°

～10

°

，高純惰性氣體氬氣保護(hù)，保護(hù)氣體流量10～30l/min。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于所述步驟d)中焊接熱輸入量合理分配，改善強(qiáng)界面反應(yīng)區(qū)和弱界面反

應(yīng)區(qū)的溫度分布。調(diào)節(jié)異種材料的熔合比，合金元素相互混合擴(kuò)散，通過(guò)改變?nèi)鄢鼗瘜W(xué)成分和濃度梯度，兩種液態(tài)金屬形成金屬間化合物，實(shí)現(xiàn)界面牢固冶金結(jié)合。同時(shí)熔池微合金化，細(xì)晶強(qiáng)化焊縫，增加焊縫薄弱部位塑性和強(qiáng)度，同步協(xié)調(diào)塑性變形，緩解焊接熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于所述步驟e)中，通過(guò)激光對(duì)熔池?cái)嚢韪淖兘佑|界面過(guò)渡層有害富鋁脆硬金屬間化合物的種類、數(shù)量、形態(tài)和分布，使之細(xì)小彌散分布，獲得比例多塑性較好的α-al鋁基固溶體和γ-ni鎳基固溶體，改善兩種材料冶金相容性，降低接頭脆性，緩解脆硬析出相引起的應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力，提高接頭抗裂性能和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性，增強(qiáng)連接質(zhì)量。焊縫無(wú)明顯表面及內(nèi)部缺陷，實(shí)現(xiàn)深熔小孔鋁合金/鎳基合金異種材料復(fù)合結(jié)構(gòu)低熱輸入高效可靠焊接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于所述步驟a)中，鋁合金板為2系列鋁銅合金、3系列鋁錳合金、4系列鋁硅合金、5系列鋁鎂合金、6系列鋁鎂硅合金或7系列鋁鋅合金板。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于所述步驟a)中，鎳基合金板為定向凝固鎳基合金、非定向凝固鎳基合金或單晶鎳基合金板，鎳板為工業(yè)純鎳板。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于步驟b)中，激光器類型為co2氣體激光器、nd：yag(摻釹釔鋁石榴石)固體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、準(zhǔn)分子激光器或盤式激光器等工業(yè)應(yīng)用激光器。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于所述步驟c)中，激光束傾斜入射角度θ為5

°

～10

°

。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于所述步驟d)中，激光光斑焦點(diǎn)位于上層鋁合金內(nèi)部，離焦量-1～0mm。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于所述步驟d)中，激光光斑輻照在上層鋁合金表面偏移上層對(duì)接中心線鎳側(cè)的距離d為0～0.7mm。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于所述步驟e)中，激光功率為2～3kw。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料復(fù)合板材結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭激光焊接方法，其特征在于所述步驟e)中，焊接速度為0.4～0.8m/min。

技術(shù)總結(jié)

鋁合金/鎳基合金或鎳異種材料激光焊接方法，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。利用非線性能量耗散復(fù)合結(jié)構(gòu)和優(yōu)化激光束偏移量、離焦量、激光功率和焊接速度等工藝參數(shù)，通過(guò)相變熱力學(xué)、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)調(diào)整鋁合金/鎳基合金異種材料界面組織與結(jié)構(gòu)演變、熔池冶金反應(yīng)和相變過(guò)程，控制不對(duì)稱熔池幾何尺寸、稀釋率和界面濃度梯度，限制有害非平衡Ni-Al復(fù)相反應(yīng)層析出相。增加界面有效連接面積，形成塑性較好α-Al鋁基固溶體和γ-Ni鎳基固溶體，協(xié)調(diào)塑性變形，緩解界面內(nèi)應(yīng)力，減小焊縫殘余應(yīng)力。熔池微合金化對(duì)焊縫的細(xì)晶強(qiáng)化作用與脆硬金屬間化合物析出相引起的脆化效應(yīng)相互抵消，提高抗裂性能，解決鋁合金/鎳基合金焊后脆性斷裂問(wèn)題，用于航空航天和船舶建造。于航空航天和船舶建造。于航空航天和船舶建造。

技術(shù)研發(fā)人員：高志國(guó)

受保護(hù)的技術(shù)使用者：安陽(yáng)工學(xué)院

技術(shù)研發(fā)日：2022.03.05

技術(shù)公布日：2022/5/17