YAG激光焊接Be/Al合金的结晶组织分析

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.05.038 第25卷第5期 北京科技大学学报 Vol.25 No.5 2003年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2003 YAG激光焊接Be/Al合金的结晶组织分析 林志” 林均品”王艳丽”郝国建”陈国良”朱颖)李盛和》 1)北京科技人学新金屈材料国家重点实验室，北京1000832)北京航空航天人学，北京100083 3)中国工程物理研究院，锦阳 摘要采用YG激光焊接方法，通过控制激光束的能量密度和焊接速度，对铍铝两种儿乎 完全不相溶的金属进行了焊接并得到了良好的接头组织.焊缝和热影响区的显微组织为典 型的镀铝共品1织 关键词YAG激光犁：铍铝合金：共晶组织 分类号TG457.19 铍和铝具有密度低、比刚度高、热导率大等 的控制变量，包括脉冲形状、脉冲能量、脉冲持续 特点.由于它们优良的物理性能和力学性能，因 时间、脉冲频率及峰值能量，因而对这些变量控 此被广泛用于航空、航天及核工业，作为结构材 制的好坏不可避免地影响到焊接质量， 料铍和铝之间经常需要焊接，而铍的焊接性能很 差.它在室温下是一种脆性材料，延性差，表面吸 1实验 附能高，在高温下极易吸附残余气体与氧、氮反 用YAG激光器对环型焊件分别进行热传导 应生成化合物，与其他许多金属反应可生成脆性 焊接和深熔焊接，主要焊接参数：热传导焊接的 金属间化合物.因此铍的焊接除了对保护性气氛 或真空度有严格的要求外，焊接前必须严格清洗 功率密度为1.2kW/cm2,焊接速度为0.7m/min,吸 收率为10%：深熔焊接的功率密度为22kW/cm, 焊件表面. 焊接速度为1.2m/min,吸收率为70%.在焊件上 由于皱本身的优缺点，目前铍的焊接主要采 随机切取截面样品，金相抛光和化学侵蚀后备 用纤焊和熔焊两种焊接方法.纤焊最常见的问题 用.形貌观察在Cambridge S250扫描电子显微镜 是钎料润湿性差和接头综合强度较低，因此对 上完成 于有一定受力要求的部件采用这种方法是不 可行的.熔焊有TIG焊、MIG焊和电子束焊等， 2实验结果与讨论 熔焊的主要问题是未熔合、焊接裂纹和热影响区 晶粒粗大.因此本文采用了YAG激光焊接方法， 2.1热传导焊接 激光器用于焊接领域是由于它的能量集中，焊接 采用的激光光斑功率密度为1.2kW/cm2,激 的热影响区小，并且工作稳定，易控制.先进的 光将试样表面加热到1289℃以上，焊接时试样表 YAG激光器具有比其他激光器更大的灵活性，可 面将所吸收的激光能变为热能，使试样表面温度 以在脉冲频率达几千赫兹的情况下控制每一脉 升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向试 冲的能量波形、控制熔深、控制熔池的形状和尺 样内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊缝，其 寸等.另外，YAG激光器具有更高的能量耦合 焊接接头区形貌如图1所示，未见夹杂、气孔、裂 效率，更高的峰值能量，更灵活的束传递控制. 纹等缺陷. YAG激光器惟一不足的是在脉冲模式下有较多 2.2深熔焊接 采用激光功率2.2kW/cm2,试样在激光的照 收稿H期20030102林志男，54岁，高级工程帅 射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内升 ★国家自然科学恭金资助项日(No.10176002) 高到沸点，使样品熔化和汽化.当试样汽化时所

第 2 5 卷 第 5期 2 0 0 3 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i ty o f S e i e n e e a n d Te e h n o l o gy 璐e ji in g V b l . 2 5 N o . 5 O Ct . 2 0 0 3 Y A G 激光焊接 B /e A I 合金 的结 晶组织分析 林 志 ” 林 均 品 ” 王 艳 丽 ” 郝 国 建 ” 陈 国 良 ” 朱 颖 ” 李盛 和 ” l )北 京科 技大 学新 金属 材料 国家 重点 实验 室 , 北 京 10 0 0 8 3 2 )北 京航 空航天 大 学 , 北京 10 0 0 8 3 3 ) 中国 1 程物 理研 究 院 , 锦阳 摘 要 采 用 Y A G 激 光焊 接 方法 , 通 过控 制激 光 束 的能量 密 度和 焊接 速度 , 对 被 铝两 种儿 乎 完全 不相 溶 的金属 进 行 了焊 接 并得 到 了 良好 的接 头组 织 . 焊 缝和 热 影 响区 的显微 组 织 为典 型 的被铝 共 晶组 织 . 关键 词 Y A G 激光 焊 ; 被铝 合 金 ; 共 晶 组织 分类 号 T G 4 5 7 . 1 9 被 和 铝 具有 密度 低 、 比 刚度 高 、 热 导率 大 等 特 点 . 由于它 们优 良的物 理性 能 和 力 学性 能 , 因 此 被 广 一 泛 用 于 航 空 、 航 天及 核 工 _ 业 . 作 为结 构材 料 被和 铝之 间经常 需要 焊 接 , 而 被 的焊 接性 能 很 差 . 它 在 室温 下是 一种 脆性 材 料 , 延性 差 , 表 面 吸 附能 高 , 在 高温 下 极 易 吸 附残 余气 体与 氧 、 氮 反 应 生成 化合 物 , 与其他 许 多金 属 反应 可 生成 脆性 金 属 间化合 物 . 因此被 的焊 接 除 了对 保护 性 气氛 或 真 空度 有 严 格 的要求 外 , 焊 接前 必 须严 格 清洗 焊 件表 面「,一 , , . 由于被 本 身 的优 缺 点 , 目前 被 的焊 接 主要 采 用钎 焊和 熔 焊 两种焊 接 方法 . 钎 焊 最常 见 的 问题 是钎 料 润湿 性 差 和接 头 综 合 强度 较 低 `4] , 因此 对 于 有 一 定 受 力 要 求 的 部 件 采 用 这 种 方 法 是 不 可行 的 . 熔 焊 有 IT G 焊 、 M IG 焊 和 电子 束 焊等 `5 , , 熔 焊 的主 要 问题 是未熔 合 、 焊接 裂纹 和 热影 响 区 晶粒 粗 大 . 因此 本文 采用 了 Y A G 激 光焊 接 方法 . 激光 器用 于焊 接领 域 是 由于 它 的能 量集 中 , 焊接 的热 影 响 区 小 , 并 且 工 作 稳 定 , 易控 制 . 先 进 的 Y A G 激 光器 具有 比其 他激 光 器更 大 的灵 活性 , 可 以在 脉 冲 频 率 达几 千 赫 兹 的情 况 下 控 制每 一 脉 冲 的 能量 波 形 、 控 制 熔 深 、 控 制熔 池 的形 状和 尺 寸 等 ` 67] . 另 外 , Y A G 激 光器 具 有更 高的 能 量祸 合 效 率 , 更 高 的峰值 能量 , 更 灵 活 的束 传 递控 制 . Y A G 激 光 器惟 一 不 足 的是 在 脉冲 模 式 下有 较 多 的控 制变 量 , 包 括脉 冲 形状 、 脉 冲 能量 、 脉冲 持续 时间 、 脉 冲频 率 及 峰值 能量 . 因 而对 这 些 变 量控 制 的 好 坏 不可 避 免地 影 响到 焊接 质 量 . 收稿 日期 20 03 一 01 刁2 林 志 男 , 54 岁 , 高级 工 程 师 * 国 家 自然 科学基 金 资助项 [J (N o . 10 17 6 0 0 2) 1 实验 用 Y A G 激 光 器对 环 型 焊件 分别 进 行 热传 导 焊 接 和深 熔 焊 接 , 主要 焊 接 参 数 : 热 传 导焊 接 的 功 率 密度 为 1 . 2 k w c/ m , , 焊 接速 度 为 .0 7 m /m i n , 吸 收 率 为 10% ; 深熔 焊 接 的 功率 密 度 为 .2 2 k w/ c耐 , 焊 接速 度 为 1 . 2 m m/ in , 吸 收 率 为 7 0% . 在 焊 件 上 随 机切 取 截 面 样 品 , 金 相 抛 光 和化 学 侵 蚀 后 备 用 . 形 貌 观 察在 C a m br idg e 5 2 5 0 扫 描 电子显 微 镜 上 完 成 . 2 实 验 结 果 与讨 论 .2 1 热 传导 焊 接 采 用 的激 光光 斑 功 率密 度 为 1 . 2 k w/ c m , , 激 光 将试 样表 面 加热 到 1 2 89 ℃ 以上 , 焊 接 时试 样表 面 将所 吸 收 的激 光 能变 为热 能 , 使 试样 表 面温 度 升 高而 熔化 , 然 后通 过 热传 导方 式 把热 能传 向试 样 内部 , 使 熔化 区逐渐 扩 大 , 凝 固后 形成 焊 缝 , 其 焊接 接 头 区 形 貌 如 图 l 所 示 , 未 见夹 杂 、 气 孔 、 裂 纹等 缺 陷 . .2 2 深 熔 焊接 采 用 激 光 功率 2 . 2 k w / e m Z , 试样 在 激 光 的照 射 下 被迅 速 加热 , 其表 面温 度 在 极短 的 时 间 内升 高到 沸 点 , 使 样 品熔 化和 汽 化 , 当试 样 汽 化 时所 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 05. 038

434. 北京科技大学学报 2003年第5期 产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池，金属蒸 连续进行下去，便在液态金属中形成一个细长的 气的逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力， 孔洞.当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力 使熔池金属表面凹陷.当光束在小孔底部继续加 与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再 热汽化时所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的 继续加深，形成一个深度稳定的孔而完成焊接 液态金属使小坑进一步加深，另一方面向坑外飞 其焊接接头区形貌如图2，未见夹杂、气孔、裂纹 出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周.这个过程 等缺陷 1mm 02 图1热传导焊接接头区形貌 图2深熔焊接接头区形貌 Fig.I Microstructure of the welding zone by heat Fig.2 Microstructure of the welding zone by deep transmit welding fusion welding 2.3焊缝及热影响区显微组织的特征 共晶组织.共晶合金偏析小，流动性小，凝固收缩 铍与铝激光焊接接头区的显微组织如图3所 也小，有较好的综合力学性能，由于铍完全不溶 示，由图3可以看出接头区及热影响区的显微结 于铝，铍铝合金实际上是铍相镶嵌在铝基体中的 构变化，焊缝边缘为柱状晶（图3(a),中心为等轴 复合材料，其强度和塑性应满足复合材料的加和 晶（图3(b),远离焊缝区为柱状晶和等轴晶的混 规律.铍铝两相间相互作用产生的附加应力对材 合，晶粒比较细小（图3(c),().因此，可以认为铍 料的性能具有重要影响. 与铝激光焊接接头处的显微组织为典型的Be/Al a (d) 图3铍与铝激光焊缝及热影响区的显微组织.()焊缝边缘：(b)焊缝中心区：(c),(d)热影响区边缘 Fig.3 Microstructures of the welding seam and the heat effected zone by YAG welding

, 4 3 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 5 期 产 生 的金属 蒸 气 以一 定 的速 度 离 开熔池 , 金 属蒸 气 的逸 出对 熔 化 的液 态 金属 产 生一 个 附 加压 力 , 使熔 池 金属 表 面 凹 陷 . 当光 束在 小孔 底 部继 续加 热 汽 化 时 所 产 生 的 金 属 蒸 气 一 方 面 压 迫坑 底 的 液态 金 属 使小 坑 进一 步 加深 , 另 一方 面 向坑 外 飞 出 的蒸 气将 熔化 的金 属 挤 向熔 池 四周 . 这 个 过 程 连 续 进 行下 去 , 便 在 液态 金 属 中形 成 一个 细长 的 孔 洞 . 当光 束 能量 所 产 生 的金 属 蒸气 的反冲 压 力 与液 态 金属 的表面 张 力 和重 力 平衡 后 , 小 孔不 再 继续 加 深 , 形 成 一 个深 度 稳 定 的 孔而 完 成 焊 接 . 其 焊 接 接 头 区 形貌 如 图 2 , 未 见夹 杂 、 气 孔 、 裂 纹 等 缺 陷 . 蘸 馨 图 1 热传 导 焊接 接 头 区形貌 F ig . l M i e or s t r u e t u r e o f t h e w e l d in g z o n e b y h e a t t r a n s m it w e ld i n g .2 3 焊 缝 及 热 影 响 区显 微 组 织 的特 征 被与 铝 激 光焊 接 接头 区的 显微 组 织如 图 3 所 示 . 由 图 3 可 以看 出接 头 区及 热 影 响 区 的显 微 结 梅变 化 , 焊 缝 边 缘 为柱 状 晶 ( 图 3 (a) ) , 中心 为 等 轴 晶 ( 图 3 (b) ) , 远 离 焊 缝 区 为柱 状 晶和 等轴 晶的 混 合 , 晶粒 比较 细 小 ( 图 3 (c), (d) ) . 因此 , 可 以认 为 被 与 铝 激 光焊 接 接 头 处 的显 微 组 织 为 典型 的 B e A/ 1 图 2 深 熔焊接 接 头 区形 貌 F i g . 2 M i e r o s t r u e t u r e o f t h e w e ld i n g z o n e b y d e e P fu s i o n w e ld i n g 共 晶组 织 . 共 晶合金 偏 析 小 , 流 动 性 小 , 凝 固收 缩 也 小 , 有 较 好 的综 合 力 学 性 能 . 由于 被完 全 不 溶 于 铝 , 被 铝 合金 实 际 上是 被 相 镶嵌 在 铝 基 体 中 的 复 合材 料 , 其 强度 和 塑性 应 满 足 复合 材 料 的加 和 规律 . 被 铝 两相 间相 互作 用 产 生 的 附加 应 力对 材 料 的性 能具 有 重 要 影 响 . 图 3 被 与铝 激 光焊 缝 及热 影 响 区的 显微 组织 . (a) 焊缝 边缘 : ( b )焊 缝 中 心 区 ; (c) , (d) 热 影 响 区边缘 F ig . 3 M i e or s t r u c t u r e s o f t h e w e ld in g s e a m a n d t h e h e a t e fe e t e d z o n e b y Y八G w e ld in g

Vol.25 No.5 林志等：YAG激光焊接B/Al合金的结品组织分析 435· 3结论 rupture behaviour of Be/Al composite material Albement 162 [J].Mater Sci Technol,2000,16:551 采用YAG激光焊接方法焊接Be/Al,通过控 3 Tzeng Y F.Parametric analysis of the pulsed Nd:YAG las- 制激光束的能量密度和焊接速度在本实验条件 er seam-welding process [J].J Mater Proc Technol,2000, 下严格真空度和严格清洗焊件表面后可以消除 102:40 其他方法容易产生的焊接缺陷，得到良好的接头 4 Cotton J D,Field R D.Microstructural features of crack- ing in autogenous beryllium weldments [J].Metal Mater 显微组织.铍铝合金的焊接组织为典型的共晶组 Trans,1997,A(28A):673 织. 5陈铮等编。材料连接原理M),哈尔滨：哈尔滨工业 参考文献 大学出版社，2001 6 Wang H M,Chen Y L,Yu L G.In-situ weld-alloy/laser 1 Song S G,Garosshen T J,Nardone VC.Temperature in- beam welding of SiCp/6061 Al MMC [J].Mater Sci Eng, duced worksoften of Be/Al composite materials [J].Mater 2000,A293:1 Sci Eng,2000,A282:67 2 Song S G,Garosshen T J,Nardone V C.Creep and stress 7张鹏程.铍HR】不锈钢扩散焊和钎焊及其界面特 性研究[D].北京：北京科技大学，2001 Analysis of Condensation Structure in a YAG Laser Welded Be/Al Alloy LIN Zhi,LIN Junpin",WANG Yanli,HAO Gongjian,CHEN Guoliang",ZHU Ying,LI Shenghe 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beihang University,Beijing 100083,China 3)Chinese Research Academy of Physics Engineering.Miangyang,China ABSTRACT The two completely immiscible metals beryllium and aluminum were welded by controlling the laser beam energy and the welding speed.A satisfactory welding joint microstructure were obtained.The micro- structure of the joint and heated effected zone is typical eutectoid structure. KEY WORDS YAG laser welding;beryllium/aluminum alloy;eutectoid structure

Vb l . 2 5 N 0 . 5 林志 等 : Y A G 激光 焊接 B e A/ 1合金 的结 晶组织 分 析 3 结 论 采 用 Y A G 激 光 焊接 方 法焊 接 B e A/ 1 , 通 过控 制 激 光 束 的 能 量密 度 和 焊 接 速 度在 本 实验 条件 下 严 格 真 空度 和 严 格 清 洗 焊 件 表 面 后 可 以 消 除 其 他方 法 容易产 生 的焊 接 缺 陷 , 得 到 良好 的接 头 显微 组 织 . 被 铝合 金 的焊接 组 织 为典 型 的共 晶组 织 . 参 考 文 献 1 S o n g S G , G a r o s s h e n T J , N ar d o n e V C . eT m P e r at u r e i n - d u e e d w o kr s o fl e n o f B e A/ 1 c o m P o s i t e m at e r i a l s [J」 . M at e r S e i E n g , 2 0 0 0 , A 2 8 2 : 6 7 2 S o n g S G , G ar o s s h e n T J , N ar d o n e V C . C er e P an d s tr e s s r u Pt u r e b e h va i o u r o f B e / A I e o m P o s i t e m aet r i a l A lb e m e n t 1 62 [J I . M at e r s e i eT e h n o l , 2 0 0 0 , 16 : 5 5 1 T z e n g Y .F P ar am e tr i e a n a ly s i s o f th e P u l s e d N d : Y A G l a s - e r s e am 一 w e l di n g P r o c e s s 「J ] . J M at e r Pr o e eT e hn o l , 2 0 0 0 , 1 0 2 : 4 0 C Ot o n J D , F i e ld R D . M i e r o s tur e tu ar l fe a l t l er s o f e acr k - i n g i n a u t o g e n o u s b e yr ll i u m w e ldm e in s I J] . M e t a l M a t e r T r a n s , 1 9 9 7 , A ( 2 8A ) : 6 7 3 陈 铮等 编 . 材 料连 接 原理 [M ] . 哈尔 滨 : 哈尔 滨工 业 大学 出版 社 , 2 0 01 认伯n g H M , C h e n Y L , uY L G . I n 一 s i t u w e ld 一a l l o y/ l a s e r b e a m w e ldi n g o f S IC P /6 0 6 1 A I M M C 【J ] . M at e r S e i E n g , 2 0 0 0 , A 2 9 3 : l 张鹏 程 . 被沮R 一 1 不 锈钢 扩 散焊 和钎 焊及 其 界面特 性 研究 [ D ] . 北京 : 北 京科 技 大学 , 2 0 01 A n a l y s i s o f C o n d e n s a t i o n s t ur e utr e i n a Y A G L a s e r W七l d e d B e A/ 1 A ll o y 乙石v hZ i ,气刀 N uJ nP in , ), 恻刃 G aY n li , ), 产丈4 0 G o n舒 ia n ,气C月五刀 G u o lia 铭 , ), Z H U 儿 n犷 ) , IL hS e 馆h召, l ) S t aet K 盯 L a b o art o yr fo r A d v an e e d M e t a l s an d M at ier al s , U n i v e r s ity o f S e i e n e e an d eT e hn o l o gy B e ij ign , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h i n a 2 ) B e il an g U n i v e rs i ty, B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h in a 3 ) C h i n e s e R e s e acr h A e a d e m y o f P h y s i e s E n g i n e e r i n g , M ian gy an g , C h i n a A B S T R A C T hT e tw o e o m P l e t e ly im m i s e i b l e m e at l s b e ry l l i um an d a l um i n u r o w e r e w e l d e d by e o n tr o lli gn ht e l a s e r b e a m e n e gr y an d t h e w e l d i n g s P e e d . A s at i s af e t o ry w e l d i n g j o i nt m i c r o s tru c t u r e w e re o b t a i n e d . hT e m i e or - s tru c trU e o f th e j o i n t an d h e at e d e fe e t e d z o n e i s ty P i e a l e ut e e t o i d s tru c tu re . K E Y W O R D S Y A G l a s e r w e ld ign : b e ry lli u n 岁a l um i num a ll o y : e ut e e t o id s tru c t u r e