Inconel 713LC铸造高温合金微束等离子弧焊接裂纹形成机理及抑制

针对Inconel 713LC铸造高温合金焊接增材时热影响区易产生裂纹这一问题,采用微束等离子弧焊接技术,运用扫描电镜和能谱仪对裂纹的微观形貌、合金元素分布进行分析,探究合金热影响区焊接裂纹的形成机理,研究裂纹抑制技术.结果表明,热影响区焊接裂纹的出现主要是受焊接热输入作用晶间碳化物发生部分溶解和液化形成液相,同时晶粒受热长大推动原始晶界发生移动后与液相交汇形成更大面积的液相,晶粒及晶界中的Nb元素、Mo元素和Ti元素等合金元素向液相偏聚,液相冷却凝固后形成尺寸超过10μm的碳化物,在焊接热应力作用下裂纹萌生于碳化物周围并沿晶界扩展,焊接裂纹数量和尺寸均随着热输入的增大而增大.通过脉冲焊接降低焊接热输入,热影响区的高温停留时间变短,降低焊接过程中热影响区合金元素的偏聚,减少合金中有害碳化物的长大,抑制裂纹生成;对铸态母材进行固溶处理后,合金元素偏聚得到均匀化处理,母材硬度下降,塑性得以改善,减弱了合金元素的富集倾向,降低了焊接时的裂纹敏感性.

超薄镍基合金P-MPAW焊缝成形特征及微观组织演变

为了获得成形良好的超薄镍基合金焊接接头及其细化的微观组织,课题组基于恒定的平均电流,设计不同脉冲电流参数,采用脉冲微束等离子弧焊(P-MPAW)对100μm厚的镍基高温合金板材进行焊接实验。然后借助超景深显微镜对焊缝的宏观形貌及微观组织进行观察,分析脉冲参数下焊缝成形特征,并采用直线截点法计算焊缝中心的平均晶粒尺寸。结果表明:不同脉冲参数匹配下形成5种焊缝形貌,随着基值电流和脉冲频率的增加,焊缝熔池趋于连续均匀变化趋势。当基值电流为0.8 A、占空比为30%以及脉冲频率为100 Hz时,焊缝中心的平均晶粒尺寸最小。因此,脉冲微束等离子弧焊下,较小的占空比和基值电流以及较大频率的脉冲参数匹配,可获得成形良好且晶粒细化的焊缝。

超薄Inconel 718镍基合金板焊接凝固过程中微观组织变化的预测

以不同的占空比、基值电流、峰值电流和脉冲频率对0.1 mm厚Inconel 718合金板进行了脉冲微束等离子弧焊(pulse microplasma arc welding,P-MPAW)。对焊接凝固过程中超薄版的微观组织的变化进行了数值模拟。采用Fluent软件对焊接过程中超薄板的温度场变化进行了模拟,并与采用MATLAB软件建立的微观组织变化模型进行耦合,以预测超薄Inconel 718合金板在脉冲微束等离子弧焊接凝固过程的微观组织变化。结果表明:占空比对焊缝边缘柱状晶二次枝晶和焊缝中心等轴晶一次枝晶的生长均有明显影响;脉冲频率和基值电流均影响柱状晶和等轴晶晶粒的平均尺寸;模拟的和试验获得的柱状晶和等轴晶晶粒平均尺寸相接近,说明采用该模型分析P-MPAW焊接超薄Inconel 718合金板时在凝固过程中微观组织的变化是可行的。

100μm超薄不锈钢板脉冲微束等离子弧焊成形机理

针对100μm超薄不锈钢板的脉冲微束等离子弧焊接,研究焊缝中心不同位置焊接热循环的动态变化机理以及脉冲参数对该动态变化的影响,结合试验获得的不同脉冲参数下的焊缝形貌,探讨焊缝成形与焊接热循环动态变化之间的关系.结果表明,在4个脉冲参数的不同组合下,可形成5种不同的焊缝形貌;频率的增加或基值电流/峰值电流之比的增加,均使得一个脉冲周期行程中的焊缝中心线上各点的焊接热循环趋于一致;低频时随着基值电流/峰值电流之比的增大,这些点的加热最高温度(T_(m))和加热时间t_(8/13)(温度从800 K上升到1300 K所经历的时间)的最大值减小,而最小值增大,t_(8/5)的最大和最小值均增大;随着频率的增大,t_(8/5)和t_(8/13)的平均值均减小;大多脉冲参数(频率不小于5 Hz时或1和2 Hz下分别为0.5和0.9 A基值电流时的脉冲参数)下,试验得到的焊缝成形百分比σ2和理论计算得到的焊接热循环最高温度百分比σ1相等,表明理论计算和试验的结果一致.

超薄板脉冲微束等离子弧焊温度场动态分布特征及成形控制

在模拟计算100μm超薄不锈钢板脉冲微束等离子弧焊过程的基础上,研究了实际热源动态脉冲加载下的熔池温度场动态过程及脉冲参数对该动态过程的影响机制;研究了脉冲参数对焊缝成形的影响,对模拟计算的结果进行验证,并探讨了脉冲参数和焊接速度的匹配与焊缝成形特征的关系.结果表明,超薄板脉冲微束等离子弧焊接的温度场变化具有周期性的波动特征和惯性特征,脉冲频率越高或基值电流/峰值电流之比较小,温度场变化的波动幅度也越大,其相对于脉冲电流变化的惯性也越大;脉冲电流下的焊缝成形有连续和不连续两种形式,这与焊接速度、峰值电流作用时的焊缝长度、脉冲频率三者之间的匹配有关;模拟计算的熔池最高温度超过熔点的持续时间与脉冲周期的比值结果较好地解释了试验得到的焊缝成形的连续程度.

脉冲微束等离子弧焊参数对丝网焊点组织与性能的影响

为了获得具有良好性能的不锈钢丝网焊点,课题组采用脉冲微束等离子弧焊(P-MPAW)的方法,对丝径为0.35mm,孔隙为1.25 mm的方孔状丝网进行脉冲电流对接焊。利用超景深显微镜、显微硬度计和微拉伸机研究不同脉冲频率、占空比和基值电流对丝网焊点显微组织和力学性能的影响,以获得最佳的工艺参数组合。结果表明:在脉冲频率为100 Hz、占空比为50%、基值电流为1.2 A时,焊点处形成的晶粒最为细致且具有802 MPa的最高抗拉强度;当基值电流和占空比不变时,焊点晶粒随脉冲频率的增大而逐渐细化;当频率超过100 Hz时,焊点由细小等轴晶向粗大骨骼状晶转变。当脉冲频率和基值电流不变时,焊点晶粒随占空比的增大先细化后粗大,焊点力学性能先升高后下降;当脉冲频率和占空比不变时,焊点晶粒随基值电流的增大逐渐粗化,力学性能逐渐下降。

超薄板脉冲微束等离子弧焊熔池振荡频率特征

脉冲微束等离子弧焊熔池振荡特征频率与焊件成形质量具有重要联系。传统的检测方法用于超薄板P-MPAW焊接熔池振荡频率实时检测时存在较大误差,因此课题组应用了一种基于激光反射的熔池振荡特征频率检测方法。课题组搭建的熔池振荡实时检测平台实现了超薄板P-MPAW熔池振荡特征信息的采集,并成功提取出熔池振荡特征频率,探讨了脉冲参数对于熔池振荡的影响机制。结果表明:熔池振荡频率随脉冲频率增大呈对数增长,随基值电流和峰值电流差异减小而减小,使用对数增长模型可对熔池振荡特征频率进行合理预测。