超声波焊接工艺及塑胶件设计（活性TIG焊接制造的In）

江苏激光联盟陈长军导读：

在这项工作中对ATIG (UP-ATIG)异种焊件进行了各种机械和冶金学研究。

摘要

介绍了用50% SiO2 50% TiO2复合助焊剂，采用活化钨惰性气体(ATIG)焊接Inconel 600和AISI 316l板的工艺。对未剥皮的ATIG (UP-ATIG)异种焊件进行了各种机械和冶金学研究。结果表明，UP-ATIG焊件的拉伸破坏发生在焊缝区，主要是由于粗晶和金属间化合物的存在。对UP-ATIG异种焊件进行激光冲击强化(LSP)，结果表明，激光冲击强化后的ATIG焊件抗拉强度(630.33±28.02 MPa)高于UP-ATIG焊件(573.11±41.11 MPa)，这是因为激光冲击强化后的ATIG焊件存在压缩残余应力(Cr)。残余应力测试结果表明，UP-ATIG焊件在焊缝区存在拉伸残余应力(TR)，而LP-ATIG焊件则存在CR应力。动态电位极化试验结果表明，LP-ATIG焊件的耐蚀性略高于UP-ATIG焊件。

采用ER2553填料（a和b）的CCGTA焊接件的线图分析；ERNiCu-7填料（c和d）。

1.介绍

镍基超级合金和奥氏体不锈钢因其在酸性、高温和腐蚀性环境中的优异性能，经常用于高温腐蚀环境，如核工业、发电厂、低温发动机等。类似地，包含镍基超级合金（如Inconel 600）和奥氏体不锈钢（如AISI 316L）的异种接头广泛用于制造高温部件。Srinivasan等人报告称，用于在高温下传输高频信号的矿物绝缘电缆包含Inconel 600和AISI 316L双金属接头。类似地，许多研究人员透露，Inconel 600和奥氏体不锈钢的异种接头广泛应用于各种行业。异种焊接的主要问题是选择合适的焊接工艺和填充金属。填充金属和焊接方法选择不当会导致接头失效，以及机械和冶金性能差。

Inconel 657热影响区析出。

Devendranath Ramkumar等人研究了Inconel625和UNS 32205的电子束焊接件的各种性能，并报告了由于焊接件枝晶间区域的钼偏析，焊接区发生了拉伸失效。Gobu和Mahadevan研究了Inconel 600和AISI 304L搅拌摩擦焊件的机械和冶金性能，发现接头的抗拉强度在450℃以上急剧下降，因为高温下的拉伸变形不成比例。Das Neves等人研究了使用Nd:YAG激光焊接制造的Inconel 600和AISI 304焊接件的微观结构，发现焊接区存在小孔。

自动焊接是一种在不使用填充材料的情况下连接相似和不同金属的显著技术。然而，这种方法无法在单道焊中连接较厚的截面，因为其穿透能力较差。在焊接过程中使用活性焊剂是增加单程焊接熔深的首要解决方案。Zhang等人报道，在电子束焊接过程中使用活性焊剂可以显著提高焊缝熔深。此外，作者还指出，活性剂引起的表面张力梯度和氧含量的变化归因于焊缝熔深的增强。Huang报道，在1020碳钢的气体保护金属极电弧焊中使用活性焊剂可增加焊缝熔深，并减少角变形。作者进一步指出，由于氧化物助焊剂的存在，焊接电弧柱延伸至根部开口，从而导致更高的熔深。

（a） Inconel 625焊缝金属和Inconel 718母材之间的界面：显示熔合线附近的富Nb碳化物（b）Inconel 82焊缝金属和310S母材之间的界面（c）310 SS焊缝金属和310S母材之间的界面（d）310 SS焊缝金属和IN-718母材之间的界面。

在制造业中，钨极气体保护焊（GTAW）是应用最广泛的连接技术，因为它能够控制焊道几何形状和接头性能。但这一过程也有局限性，比如生产率低、渗透深度差。因此，许多研究人员研究了GTAW中活性焊剂的使用，称为ATIG焊接，并报告了穿透深度和各种机械和冶金性能的显著改善。同样，许多研究人员研究了ATIG焊接过程中活性剂对焊缝熔深的作用，得出了电弧收缩和marangoni效应的机理。

采用（i）ER2553和（ii）ERNiCu-7填料的CCGTA焊接工艺获得的Inconel 718和AISI 316L异种接头的界面微观结构。

在电弧收缩机制中，施加的活化剂在弧柱温度下分解，产生大量正离子。这些离子会吸引弧柱中的自由电子，从而产生电弧收缩，从而导致基底金属熔化，从而加深穿透。在marangoni效应机理中，活性剂的分解为熔池提供表面活性氧元素。氧含量通过改变从熔池边缘到熔池中心的表面张力梯度来改变流体流动模式，从而导致更深的熔透。图1显示了传统GTAW和ATIG焊接工艺的流体流动模式，以及ATIG焊接比GTAW焊接熔深的改善。

图1 流体流动模式示意图。a）GTAW ，b）ATIG焊接。

激光冲击喷丸（LSP）是一种成功的强化技术，可提高金属的强度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。在这种LSP工艺中，高能激光束撞击金属表面，产生高压等离子体，在金属中产生冲击波，产生铬应力。由于铬应力，发生塑性变形，增强了机械和冶金性能。Devendranath Ramkumar等人研究了LSP对异种焊接件的拉伸强度和冲击韧性等机械性能的影响，并报告了LSP工艺可以改善焊接件的拉伸性能。Chandrasekar等人在比较Inconel 600的未喷丸和激光冲击喷丸焊件时报告，激光喷丸焊件显示出比未喷丸焊件更好的机械性能。作者进一步指出，在LSP过程中，未喷丸焊接件的TR应力转化为CR应力，从而提高了机械性能。

从文献中可以看出，关于使用复合焊剂的金属异种焊接以及激光喷丸对镍基超级合金和奥氏体不锈钢异种焊接件的影响，仅有少量信息可用。因此，这项研究工作是在使用50%SiO2 50%TiO2复合焊剂通过ATIG焊接连接Inconel600和AISI 316L板材，并使用LSP工艺强化焊接件的过程中进行的。此外，还对未喷丸和激光喷丸异种焊接件进行了腐蚀、机械和冶金等各种表征。

2.材料和方法

2.1. 基材

在本研究中，使用了Inconel 600高镍铬铁合金和AISI 316L奥氏体不锈钢作为基底金属。为了确定化学成分，对贱金属样品进行了原子发射光谱测试。

2.2. Inconel 600和AISI 316L异种焊接件的制造

焊接前，将50%SiO2 50%TiO2的复合焊剂与丙酮混合，以获得糊状稠度，用于涂覆在板材的上表面。本研究采用标准对接焊接结构。焊接过程中，如图2所示，使用特殊的保护气体供应装置在焊缝的表面和根部供应氩保护气体。同样，在开始焊道之前，给焊炬足够的时间来形成足够的焊坑，这被称为延迟时间。焊接后，根据ASTM标准，使用EDM工艺对焊接接头进行各种机械和冶金试验。图3显示了Inconel 600和AISI 316L的制造异种焊接件。

图2 带反吹扫装置的焊接装置。

图3 采用ATIG焊接的Inconel 600和AISI 316L异种焊接件。

2.3. 冶金表征

制作完成后，在复合区将异种焊件切成30 mm × 10 mm × 5 mm的尺寸，进行各种冶金表征。图4显示了覆盖母材、热影响区（HAZ）和焊接区的切片试样。试样制备和金相检验遵循标准程序。为了清晰地探索微结构，使用了glyceregia (15ml HCL, 10ml甘油和5ml HNO3的混合物)蚀刻剂。为了确定母材和异种焊接件的晶粒度，使用ImageJ软件及其显微图像进行了晶粒度测量。为了确定拉伸和冲击破坏模式，对断裂表面进行了场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）检查。同样，在焊接区进行FE-SEM/EDAX（能量色散x射线分析），以探索各种相和化学元素的存在。

图4 用于各种冶金分析的异种焊件照片a）面侧b）根部侧c）横截面。

2.4. 机械特性

制造的异种焊件被切割成不同尺寸，如图5所示，使用EDM工艺进行各种机械试验。为了检查重复性，在每种情况下使用三个样品进行三次拉伸、冲击和弯曲等所有机械试验。在应变速率为3.3的Instron万能试验机上，对按照ASTM E8/E8M标准制备的样品进行拉伸试验，应变率为3.3 × 10−4 s−1。为了揭示接头的延性，进行了面弯曲和根弯曲试验。、由于异种焊件在焊接区失效，且抗拉强度低于母材，因此对异种焊件进行LSP处理，以提高其机械和冶金性能。

图5 从异种焊接件获得的各种机械和冶金特性的试件示意图。

2.5. LSP工艺的实验过程

图6给出了LSP工艺的示意图和研究中采用的参数。最初，要喷丸的区域使用粗至细等级的金刚砂片抛光，并用PVC胶带粘合，该胶带在LSP工艺中充当牺牲层。该牺牲层提高了激光能量吸收能力，避免了靶表面的热效应。研制了一种XY平移台，通过正交耦合两台伺服电机，使目标金属在聚焦激光束的作用下移动。

图6 LSP设置示意图。

在LSP过程中，高能激光束通过聚焦透镜聚焦到目标金属上，聚焦透镜蒸发牺牲层，形成高能等离子体羽流。当冲击波的大小超过屈服强度时，这种等离子体羽流会在金属中产生冲击波，导致高密度的位错阵列和CR应力的感应。这将有助于提高激光喷丸试样的屈服强度和硬度。

LSP后，按照ASTM标准，使用EDM工艺切割试样，进行拉伸、冲击和弯曲试验。为了确定未喷丸和激光喷丸焊接件中存在的残余应力的大小，使用X射线衍射技术和sin2ψ方法进行了残余应力测量。最后，对激光喷丸前后的结果进行了比较。

3.结果和讨论

3.1. 异种焊接件激光喷丸前的冶金研究

贱金属的光学显微镜结果如图7所示。从图7（a）可以推断，Inconel 600板包含退火孪晶，微观结构中存在TiC/TiN偏析。退火过程中产生的退火孪晶确保了接收板的强度。类似地，微观结构中TiC/TiN的偏析证实了所研究的板材为商业级镍合金，因为商业Inconel 600金属在其微观结构中包含TiC/TiN偏析，其形式为圆点。图7（b）显示了AISI 316L的微观结构，清楚地描绘了奥氏体和铁素体相。

图7贱金属a）Inconel 600 b）AISI 316L的光学显微镜结果。

图8显示了UP-ATIG异种焊接件各区域的微观结构。从图8（a–d）可以推断，由于熔池的凝固行为和焊接期间在焊接区产生的高温，焊接区的晶粒度高于母材。熔合区的晶粒粗化已通过晶粒尺寸测量得到证实，结果如图9所示。从图中可以看出，Inconel 600、AISI 316L和UP-ATIG异种焊接件的晶粒度为12.12 ± 0.92 μm，15.78 ± 1.03 μm和18.64 ± 1.24 μm。Sabzi和Dezfuli证实，获得的焊缝金属晶粒尺寸为枝晶尺寸。此外，从图8（a）和（b）所示的焊缝界面微观结构可以看出，熔池边缘的晶粒已向焊缝中心生长。这是由于熔合边界比焊缝中心存在陡峭的热梯度，这有利于晶粒生长，与散热相反。这种晶粒生长被称为柱状枝晶晶粒生长，本研究获得的结果与作者早期的研究非常一致。

图8 UP-ATIG异种焊接件的光学显微镜结果a）Inconel 600的焊接界面和焊接区b）AISI 316L的焊接界面和焊接区c）靠近熔合边界的焊接区d）中心的焊接区。

图9 Inconel 600、AISI 316L、未喷丸和激光喷丸异种焊接件的晶粒度测量结果。

图8（c）显示了靠近焊接界面区域的焊接区微观结构。从图中可以观察到，在界面区域柱状枝晶占主导地位，在焊缝中心存在等轴枝晶。图8（d）显示了焊缝中心线中细等轴树枝晶的存在。正如Reddy等人所报告的那样，由于凝固过程中较高程度的局部过冷，钨极气体保护焊工艺会在焊接区产生等轴枝晶。此外，熔融金属的快速冷却和焊接区较低的热梯度促进了焊接中心等轴枝晶的形成。本研究中获得的微观结构结果与Devendranath Ramkumar等人报告的结果非常一致。从图8（d）可以进一步观察到，由于ATIG焊接过程中产生的热应力，焊接区包含迁移的晶界（MGB）。这些热应力是由于熔合边界和焊缝中心的热梯度不同而产生的，这些热梯度使裂纹沿着晶粒边界形核和扩展。此外，焊缝中粗晶粒的存在有利于MGB的形成。

为了识别焊接区中存在的化学元素和各种相，对UP-ATIG异种焊接件进行了SEM/EDAX分析，结果如图10所示。从图中可以观察到，焊接区的晶界中含有白色斑点，EDAX点分析表明这些斑点富含Mo、Cr和C元素，这些元素可能是Mo2C、Cr23C6、Fe3Mo3C和laves相的金属间相。X射线衍射（XRD）或电子探针显微分析仪（EPMA）分析可用于准确发现本研究中未进行的化合物。正如Sambasiva Rao等人所报告的，焊缝处金属间相的形成受母材化学成分的差异和冷却速度的差异的影响。此外，许多研究人员报告说，钼的原子半径更大，在凝固过程中，钼不能完全溶解在奥氏体基体中。由于上述现象，Mo在枝晶和枝晶间区域偏析，这有助于在熔合区形成金属间相。在本研究中，金属间相的形成是由于Inconel 600和AISI 316l母材的化学成分不同，以及焊缝中心和焊缝界面之间的热梯度的差异导致了凝固行为。

图10 UP-ATIG异种焊接件焊接区的SEM/EDAX分析结果。

3.2. 喷丸前异种焊接件的力学研究

对按照ASTM标准制备的UP-ATIG异种焊接件样品进行了拉伸研究。试验后的拉伸试样如图11所示，值得纪念的是，在所有试验中，由于粗晶结构和焊接区中存在的MGB，焊接区出现断裂。此外，焊接区中存在的有害金属间相促进了焊接区的拉伸破坏。SEM/EDAX分析结果证实了熔合区存在金属间相。焊接区存在TR应力可能会降低抗拉强度，导致焊接区断裂。图12显示了UP-ATIG和LP-ATIG焊接件的残余应力测量结果。从图中可以推断，UP-ATIG焊件具有TR应力，该应力在焊缝中心线处最大，并随着距离焊缝中心的增加而逐渐下降。UP-ATIG焊接件中存在的平均TR应力计算为349  MPa。

图11 试验后UP-ATIG异种焊接件的拉伸试验样品。

图12 UP-ATIG和LP-ATIG异种焊接件的残余应力测量结果。

焊态试样的抗拉强度为585.21 MPa，602.11 MPa和532  MPa。UP-ATIG异种焊接件的平均抗拉强度和延性计算为573.11 MPa，标准偏差为41.11 MPa和50%。图13显示了母材、UP-ATIG和LP-ATIG异种焊件试样的拉伸曲线。UP-ATIG异种焊件的抗拉强度低于母材Inconel 600和AISI 316L，抗拉强度分别为624.90  MPa和585.31  MPa。从断裂面拍摄的FE-SEM图像如图14所示。从图中可以看出，断裂发生在韧性模式中，因为韧性撕裂脊、宏观/微观孔隙聚结和凹陷面在断口图中占主导地位。

图13 拉伸结果a）Inconel 600 b）AISI 316L c）UP-ATIG异种焊件d）LP-ATIG异种焊件。

图14 UP-ATIG异种焊接件拉伸试样的FE-SEM断口图。

对UP-ATIG和LP-ATIG异种焊接件进行维氏显微硬度研究，结果如图15所示。从UP-ATIG焊件的硬度分布可以发现，整个复合区的硬度差异不大。尽管焊接区存在粗晶粒，但由于存在金属间相，熔合区的硬度略高于AISI 316L。SEM/EDAX分析结果表明，焊缝区存在金属间相。计算得到UP-ATIG异种焊件的平均硬度为212.81 HV，高于AISI 316L的187.81 HV，略低于Inconel 600的220.70 HV。

图15 UP-ATIG和LP-ATIG异种焊接件的硬度曲线。

为了确定UP-ATIG焊件对突然载荷的响应，对从焊件上取下的样品进行了夏比V型缺口冲击试验，如图16所示。从图中可以看出，试样经历了明显的塑性变形，而不是完全断裂，三个试样的冲击强度为79.4 J、 75 J和77 分别是J。发现UP-ATIG异种焊接件的平均冲击强度为77.13 J，略低于AISI 316L 83的冲击强度 J，略高于铬镍铁合金600的冲击强度76.1 J.冲击结果与本研究中获得的拉伸结果一致。此外，如图17所示的FE-SEM断口分析结果表明，通过观察凹陷面和韧性撕裂脊，破坏模式为韧性。在UP-ATIG异种焊件上进行180°面弯曲和根部弯曲试验，图18中的结果显示，表面上没有裂纹和裂缝，表明制造的异种焊件具有良好的延展性。

图16 试验后UP-ATIG异种焊接件的冲击试验样品。

图17 UP-ATIG异种焊接件冲击试样的FE-SEM断口图。

图18 UP-ATIG异种焊件180°弯曲试验结果a）面弯曲b）根部弯曲。

3.3. 喷丸后异种焊接件的力学研究

在UP-ATIG异种焊接件上进行LSP工艺，以提高其物理性能。图19显示了LP-ATIG异种焊接件机械特性结果的合并照片。从图19（a）可以推断，由于激光喷丸的影响，断裂发生在AISI 316L侧较弱的母材中，而不是焊缝和其他母材中。激光喷丸焊件的拉伸试验结果如图13所示。在LSP过程中，由于金属的塑性变形，焊接件中产生了CR应力，这导致激光喷丸焊接件具有更高的抗拉强度。图12、图20显示了激光喷丸焊件中存在的CR应力，从图中可以看出，未喷丸焊件具有TR应力，而激光喷丸焊件具有CR应力。此外，图20显示，焊缝表面的CR应力更高，并且随着距离表面深度的增加，CR应力直线下降。

图19 样品LP-ATIG异种焊接件机械特性结果的合并照片a）拉伸试验b）冲击试验c）180°面弯曲和根部弯曲试验。

图20 UP-ATIG和LP-ATIG异种焊件的深度残余应力测量结果。

3.4. 腐蚀研究

图21（a–d）显示了Inconel 600、AISI 316L、UP-ATIG和LP-ATIG异种焊接件的动电位循环极化试验结果。在动电位循环极化试验中，可使用Ecorr和Icorr值评估样品的腐蚀敏感性。Igual Munoz等人使用Icorr值来表征三种不锈钢的腐蚀行为，即EN 14311、EN 14429和EN 14462。作者报告说，由于最低的Icorr，EN 14429和EN 14462的总体耐腐蚀性更高。类似地，Kangazian等人利用Stern–Grary方程确定了使用镍基和不锈钢填充丝制造的镍基合金和超双相不锈钢异种接头的腐蚀行为。

图21 动电位极化结果a）铬镍铁合金600 b）AISI 316 L c）UP-ATIG焊件d）LP-ATIG焊件在室温下置于3.5%的NaCl溶液中。

从图21（c）可以看出，UP-ATIG异种焊接件的钝化率低于母材Inconel 600。这是由于焊接区存在粗晶结构和氧含量。Liu等人报告说，腐蚀敏感性随着晶粒尺寸的增加而增加，Alsabti等人指出，ATIG焊接件中的氧气会恶化接头的机械和腐蚀性能。在本研究中，未喷丸焊接件的晶粒度高于母材（见图8、图9），焊接区的氧气含量较高（见图10）。此外，从图21（c）可以看出，UP-ATIG异种焊接件的Icorr远低于母材AISI 316L，因为焊缝区域中存在高镍和低铁含量，表明未喷丸焊接件的腐蚀敏感性低于母材。

图21(d)为LP-ATIG异种焊件的动电位极化结果。从图中可以看出，激光喷丸焊件的循环极化曲线相对于未喷丸焊件有正向偏移。激光喷丸焊件的Icorr为0.19±0.02 mA/cm2，略高于未喷丸焊件的0.21±0.05mA/cm2，这是由于激光喷丸焊区内存在CR应力和细长强钝化层。激光喷丸过程中，在焊件中产生CR应力，其原因可能是强化了焊接区钝化层，提高了腐蚀电位。

4.结论

本文介绍了采用ATIG焊接工艺对Inconel 600和AISI 316L板进行异种焊接的方法。清楚地阐述了焊接件的机械、冶金和腐蚀特性。LSP处理前，熔合区发生拉伸断裂，抗拉强度低于母材。LSP处理后，拉伸断裂发生在远离焊缝的地方，位于较弱的金属AISI 316L侧。本研究的结果如下。

•采用50%SiO2的ATIG焊接工艺，可成功制备Inconel 600和AISI 316L异种接头   50%TiO2复合助焊剂。

•显微研究表明，由于熔合区温度升高和母材热性能差异，焊接件具有粗晶粒和MGB。

•SEM分析表明焊缝区存在金属间化合物，EDAX测试表明金属间化合物富含钼、碳和铬元素。

•喷丸前，由于金属间化合物的存在，焊接件在焊接区失效，而在LSP工艺后，由于熔合区中诱发的CR应力，焊接件在较弱的母材AISI 316L侧失效。

•硬度研究证实，由于铬应力，激光喷丸焊接区的硬度高于未喷丸熔合区。

•冲击研究表明，激光喷丸焊接件的韧性低于未喷丸焊接件。

•动电位极化研究表明，由于激光喷丸焊接区存在CR应力和细长的强钝化层，LSP工艺后制造的异种焊接件的耐蚀性略有提高。

来源：Investigation on un-peened and laser shock peened dissimilar weldments of Inconel 600 and AISI 316L fabricated using activated-TIG welding technique，Journal of Manufacturing Processes，doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.09.004

参考文献：H. Naffakh, M. Shamanian, F. Ashrafizadeh，Dissimilar welding of AISI 310 austenitic stainless steel to nickel-based alloy Inconel657，J Mater Process Technol, 209 (2009), pp. 3628-3639

江苏激光联盟陈长军原创作品！

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