1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、课题研究的背景及意义：

随着焊接技术的不断进步，相同材料的金属焊接已经不能满足人们在工程及工业上的使用要求，异种金属材料的焊接研究备受人们关注，也成为当今焊接科学研究的热点及难点。由于异种材料在物理、化学及力学性能方面存在巨大的差异，在焊接过程中存在强度低、结构质量大、产生杂质等缺点，主要表现为：①冶金不相容性，界面形成脆性化物相；②由于热物理性能不匹配产生残余应力；③力学性能差异巨大导致连接界面力学失配，产生严重的应力其一行为。这些问题的存在，不仅使材料在焊接过程中难以结合，并且还影响到接头组织性能及力学行为[1]。异种金属焊接不仅能够充分利用各组成材料的优异性能，还能大大地降低工业中的生产成本，节约能源及资源，显著提高了经济效益，因此，异种金属焊接技术应当在航空航天、石油化工、交通运输、电力锅炉等机械工程中得到广泛的推广及应用[2]。

Inconel 625合金是固溶强化型镍基变形高温合金，是以钼、铌为主要强化元素。其具有优良的耐腐蚀性和抗氧化性能，以及优异的疲劳强度和抗氯离子应力腐蚀开裂能力。因此，可广泛用于制造航空发动机零部件、化工设备和特殊的海水用途。由于625合金的Al和Ti含量低，通常并不考虑作为时效硬化超合金来使用[3]。其在固溶处理长期时效过程中要发生介稳的有序γ#8217;#8217;相和δ相沉淀，但在原子密排面上有不同的堆垛次序，即Nb和Ni原子有不同的原子排列次序。所以625合金的力学性能主要是由Mo产生的固溶硬化和应变硬化引起的，因而通常不在650℃使用[4]。SS304不锈钢是一种铬-镍奥氏体不锈钢[5]，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性；冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象（使用温度-196℃～800℃），由于其强大的耐腐蚀性和优异的加工性能而广泛应用于工业技术领域，如汽车和航空航天[6]。

本课题主要研究Inconel 625合金和SS304不锈钢在激光焊接下对接头组织的分析及其性能，通过激光焊接试验以及接头金相制作，对Inconel 625/SS304激光焊接接头组织进行分析，并且进行力学性能试验及焊接接头SEM断口分析，研究Inconel 625/SS304异质接头界面微观组织及其对拉伸强度、冲击韧性的影响。

二、研究现状：

1、激光焊接的基本原理及现状

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种焊接方法。激光焊接的工作原理是通过特定的方式来激励激光活性介质，使其在谐振腔中往复震荡，从而形成受激辐射光束，当光束与工件接触时，其能力被工件吸收，当材料温度到达熔点时便可进行焊接[7]。

激光焊接的聚焦光斑面积较小，其焊接热影响区（HAZ）也比普通焊接工艺的HAZ小，且不需要填充金属，应此焊缝表面成形美观，无气孔、裂纹等焊接缺陷。但激光焊接的线能量较大，金属加热及冷却速度快，熔池的温度梯度变化大，使其接头强度高于母材，而接头的塑性则相对较低[8]。

激光焊接发展迅速，成为21世纪焊接工艺广泛利用的焊接技术，以其独有的特点与优势，在锅炉、管道、汽车、压力容器、船舶等制造行业等到了广泛的应用，成为现代制造行业首选的工艺技术[9]。以下是其优点[10]：①具有较大的功率密度，对难以施焊材料有较好的效果；②可以实现自动化生产，效率较高；③可以获得高质量的接头强度和较大的深宽比，焊缝成形美观。但激光焊接也存在不足之处：①焊接设备昂贵，成本较高；②固体材料对激光的吸收率较低；③激光焊接的聚焦光斑较小，对工件接头的装备精度要求较高[11]。

2、Inconel 625/SS304异种材料的焊接性分析

Inconel 625合金具有较高的热裂纹敏感性。其宏观热裂纹为沿晶开裂型,断面形貌为等轴晶且富含Nb,熔敷金属中的显微裂纹多存在于柱状晶晶界或生长末端,裂纹为结晶裂纹，在裂纹起裂位置有富Nb碳化物析出,增加了热裂纹敏感性[12]。热裂纹又可以分为结晶裂纹、液化裂纹和高温失效裂纹。①在焊道弧坑处容易发生沿着焊缝中心纵向开裂的结晶裂纹；②而液化裂纹大多出现在热影响区（HAZ）及多层焊的前层焊缝中；③高温失效裂纹可能发生在HAZ，也可能发生在焊缝中。热裂纹在高温状态下发生，常温下不再扩展。由于合金在焊接过程中，S、Si等杂质元素会在金属中偏析，形成低熔点共晶；其在凝固过程中会在晶界间形成一层液态薄膜，在应力的作用下凝固时会形成高温低塑性裂纹，促进热裂纹的产生[13]。如图1所示。

a）焊缝纵向开裂裂纹 b）焊缝热裂纹显微图

图1-Inconel 625热裂纹

Inconel 625合金在焊接的过程中容易氧化，形成难熔的Cr的氧化物，在焊接的过程中使得焊缝表面液态流动性变差，影响焊缝的成形。由表1可知镍基合金的固有特性，Inconel 625合金的液态焊缝金属流动性较差，采用过大的焊接电流会使熔池温度升高，增加了热裂纹的敏感性，出现气孔，因此一般采用焊接过程中摆动工艺，使得熔化的焊缝金属填满，同时焊接时尽肯能地采用短的电弧。

表1 Inconel 625合金的化学成分

合金	%	镍	铬	钼	铌	铁	铝	钛	碳	锰	硅	钴	磷	硫
Inconel 625	最小	余量	20	8	3.15
最大	23	10	4.15	5	0.4	0.4	0.1	0.5	0.5	1	0.015	0.015

表2 Inconel 625 在常温下合金的机械性能的最小值

合金状态	抗拉强度 Rm N/mm	屈服强度 　RP0.2 N/mm	延伸率 　A5 %	布氏硬度 HB
固熔态	760	345	30	≤220

由于In-conel625合金热容大，热导率低，导致其在焊接热循环作用下，高温区停留时间长，会出现可见明显的晶粒粗化现象[14]。因此焊接Inconel 625合金时采用高的热输入会在热影响区（HAZ）产生退火和晶粒增大。还有可能产生过度的偏析、碳化物的沉淀或其他的有害的冶金现象，从而引起热裂纹。但温度升至敏化温度区间（482℃～816℃）时，晶界会析出碳化物，从而使材料敏化，在硫酸或氯离子的环境下，材料会出现应力腐蚀倾向。因此，在焊接过程中要采用小的热输入并控制层间温度，缩短焊缝金属在高温存在的时间，减少接头过热和组织的不均匀[15]。

对于304不锈钢来说， Ni元素非常重要，直接决定304不锈钢的抗腐蚀能力及其使用价值。304不锈钢中最为重要的元素是Ni、Cr，但是又不仅限于这两个元素。具体的要求由产品标准规定。行业常见判定情况认为只要Ni含量大于8%，Cr含量大于18%，就可以认为是304不锈钢。由表3可知，奥氏体不锈钢的物理特性，导热系数小，线膨胀系数大，因此SS304具有较高的热裂纹敏感性，在焊缝及靠近焊缝区具有产生热裂纹你的可能性。热裂纹可以分为凝固裂纹、液化裂纹和高温失效裂纹。其中：①凝固裂纹主要是弧坑裂纹大多发生在焊缝区；②而在靠近熔合线的近缝区会出现液化裂纹；③高温失效裂纹通常发生在焊缝金属凝固结晶完成的高温区。

表3 SS304物理性能图

304不锈钢物理性能
抗拉强度σb（MPa）	≥520
条件屈服强度σ 0.2（MPa）	≥205
伸长率δ 5（%）	≥40
断面收缩率ψ（%）	≥60
硬度	≤187HB;≤90HRB;≤200HV
密度ρ (kg/dm3)	7.93
熔点（℃）	1398~1454
比热容（KJ /(kg#183;K)	0.50
热导率（W#183;m-1#183;K-1）	(100℃) 16.3,(500℃) 21.5
线膨胀系数	(0~100℃) 17.2, (0~500℃) 18.4
电阻率(Ω#183;m)	0.73
纵向弹性模量(KN/mm2)	193

由于奥氏体不锈钢焊缝容易形成方向性强的粗大柱状晶组织，一些杂质元素及合金元素会在晶间形成低熔点共晶的液态薄膜，在焊接过程中的不均匀加热及冷却条件下，焊接接头在高温下停留时间较长，容易在焊缝处产生热裂纹[16]。一次结晶的奥氏体组织的焊缝，容易产生热裂纹，而其中有适量的铁素体相，可以提高抗裂性，由于δ相打乱了奥氏体柱状晶的枝晶方向，阻碍其粗化，同时析出的δ相还能溶解S、P等杂质元素，提高了SS304焊缝抗热裂纹的性能。焊缝金属中δ相以3%～8%为宜[17]。S、P等有害元素是奥氏体不锈钢焊接热裂纹形成的敏感元素，这些元素会在焊缝中形成低熔点共晶，在枝晶间形成液态薄膜，增大了热裂纹的倾向。控制S、P含量的有效办法是使焊缝形成奥氏体 铁素体双相组织，可以避免出现焊接热裂纹。因此，在Inconel 625合金和SS304进行焊接时要避免出现热裂纹的倾向。

奥氏体不锈钢在450～850℃时，过饱和的碳向奥氏体晶粒边界扩散，与晶界的铬化合形成碳化铬，由于铬在奥氏体中的扩散速度小于碳的扩撒速度，使晶界的铬得不到及时补充，造成奥氏体边界贫铬。当晶界附近的金属含Cr量低于12%时，就会失去了抗腐蚀能力，即产生晶间腐蚀[18]。为了减少和防止晶间腐蚀，一般控制含碳量，在焊接时采用含碳量小于0.03%的焊条，也可以进行固溶处理或添加一些与碳的亲和力比铬强的元素如Ti、Nb等。根据周峰，赵霞，查向东[19]等人对镍基耐蚀合金与304奥氏体不锈钢异种金属焊接接头的组织和力学性能的研究，他们得出结论：镍基合金与304不锈钢焊接时，镍基合金一侧熔合区未发现焊接缺陷，而304不锈钢一侧有铁素体析出。铁素体中富含Cr而贫Ni，且奥氏体不锈钢一侧及焊缝重熔区附近的热影响区晶粒长大明显，由于Mo等元素的强化作用，镍基合金有着较好的强度和稳定性，还指出这种镍基合金在超临界水氧化使用的温度范围内异种金属焊接的焊接性较好。

3、Inonel 625/SS304异种金属激光焊接的难点

异种金属激光焊接过程包含多种物理效应[20]，表现为：金属材料对激光的吸收；激光材料相互作用引起的材料相变；光致等离子体对激光的散射与吸收；熔池形成及演化；匙孔效应以及熔池凝固等[21]。而异种金属激光焊接的关键问题在于材料性能差异对焊缝微观组织与宏观性能的影响；焊接熔池的形成、演化机制和熔池凝固过程焊接缺陷及残余应力形成。

应当考虑到Inconel 625与SS304线膨胀系数差异导致熔池结晶时产整较大焊接应力与焊接变形，由于焊缝两侧材料承受的应力状态不同，容易导致焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝金属与母材的剥离。在熔池凝固过程中，熔池的快速冷却、凝固的不均匀传热过程会产生很大热应力。在热应力与相变应力共同终用下会引起塑性变形、生成微缺陷、形成残余应力。其中接头典型缺陷主要有热裂纹、气孔以及有害相等[22]。在焊接过程中，由于低熔物的形成，扩大了焊缝的结晶温度范围，在焊接熔池凝固后期，熔池中大部分金属已凝固，在晶界的少部分低熔物还在液态状态下，激光接应力作用下，易成为裂纹萌生和开裂的地方。在激光焊接条件下，要选择较小的焊接线能量，尽量减小接头过热和组织不均匀带来的影响，还要考虑到杂质的影响及控制层间温度，保证其有效地防止焊接热裂纹的产生，才得到符合使用要求及标准的焊接接头[16]。

本课题基于上述Inconel 625/SS304异种材料焊接焊接性及难点分析，重点研究Inconel 625/SS304激光焊接接头焊接冶金问题及其力学性能。

三、课题研究的内容：

本课题主要研究Inconel 625合金和SS304不锈钢在激光焊接下对接头组织的分析及其性能，利用激光焊接方法对Inconel 625/SS304异种材料进行焊接，根据Inconel 625/SS304异种材料焊接面临的问题、难点，通过力学性能试验及焊接接头SEM断口金相实验，分析Inconel 625/SS304异质接头焊接冶金问题及其力学性能。重点研究Inconel 625/SS304异质接头界面微观组织及其对拉伸强度、冲击韧性的影响。

四、参考文献:

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、选题背景及意义：

异种金属材料的焊接研究备受人们关注，也成为当今焊接科学研究的热点及难点。异种金属材料的焊接不仅能够充分利用各组成材料的优异性能，还能大大地降低工业中的生产成本，节约能源及资源，显著提高了经济效益，因此，这种异种金属焊接技术应当在航空航天、石油化工、交通运输、电力锅炉等机械工程中得到广泛的推广及应用。