1.铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于包括如下步骤:
a)将中间层镍基合金薄板(2)放在铝合金板(3)台阶层上,台阶型铝合金板(1)与铝合金板(3)按顺序相互对接,水平放置,夹紧试样装配固定,形成铝合金板(1)‑镍基合金板(2)‑铝合金板(3)两金属三层结构;镍基合金板(2)作为中间层;
b)采用激光焊设备进行焊接,通过优化焊接工艺参数改变焊缝化学成分,上下熔池相互紧密连接,显著减少激光与材料相互作用产生的金属间化合物,兼顾微观组织与结构性能,避免裂纹和气孔焊接缺陷,焊接过程稳定,形成均匀光滑焊缝,改善焊缝表面成形,提高焊接质量;
c)激光束偏转倾斜入射高反射率铝合金表面,降低能量损失,提高激光能量利用效率,避免焊接过程中由于反射率过高,对激光器光学系统造成的损伤,保护光路元件,免受液体熔滴溅射;此外,通过偏转激光入射角度,改变界面垂直方向能量分布,实现深熔小孔焊时中间层镍基合金和上层铝合金界面熔池能量传递和铺展浸润,两种合金熔化并形成同一熔池;激光提供足够热量充分熔化铝合金板和镍基合金板,在上层铝合金熔池热传导和对流作用下,中间层镍基合金熔化,多组元合金体系合金元素由母材溶解到液相,促进元素相互混合扩散,凝固过程中界面形成金属间化合物,实现铝合金/镍基合金接触界面冶金结合;
d)优化激光偏移量和离焦量焊接工艺参数,焊接时倾斜入射激光光斑聚焦在上层铝合金板内部,偏中间层镍基合金薄板侧,熔化位置精确可控,调节焊接工艺参数及焊缝成分,控制不对称熔池几何形状、界面反应过程、界面层化合物生长行为以及界面相结构,热量重新分配,扩大薄板镍基合金和铝合金焊缝界面结合面积,熔化混合充分,加剧合金元素相互扩散,形成稳定熔池,提高接头结合强度;改变焊缝化学成分,增加焊缝中镍元素和铝元素的含量,进而调节界面相变热力学及扩散动力学熔池冶金性能,实现镍和铝熔化量、熔池温度分布、界面结构和相变的控制;此外,薄板镍基合金中的Ti和Mo合金元素对铝合金熔池微合金化,细化焊缝微观组织,对接头细晶强化,增加焊缝塑性和强度,缓解界面内应力和残余应力,降低反应产物脆性,改善微观组织与力学性能;
e)优化激光功率和焊接速度焊接工艺参数,改善厚度方向上热量分布不均匀性,改变熔池流体动力学行为,激光剧烈搅拌高温熔池,强制对流破碎接触界面Ni‑Al脆硬金属间化合物过渡层,这些非平衡析出相随液态金属流动到焊缝,弥散细小不连续分布,减缓非平衡状态界面冶金化学反应及有害Ni‑Al脆硬金属间化合物层厚度,避免焊缝中产生不均匀的应力应变,同时熔池液态金属形成的涡流有利于气泡逸出,降低气孔敏感性;低热输入热循环过程参数匹配,降低界面峰值温度和缩短反应时间两化合物生长驱动力,对界面反应控制,获得比例多塑性较好的α‑Al铝基固溶体和γ‑Ni镍基固溶体,有效抑制有害金属间化合物对焊缝力学性能的影响,也可以降低接头脆性,进一步消除不利因素,能够同时实现d)和e)两方面效果,减弱脆硬析出相的不利影响。
2.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于所述步骤b)中的光纤激光焊设备的优化焊接工艺参数是激光功率2~
3kW,焊接速度0.4~0.8m/min,离焦量‑1~0mm,激光光束偏置距离0~0.7mm,倾斜入射激光束与竖直法线方向夹角5°~10°,高纯惰性气体氩气保护,保护气体流量10~30L/min。
3.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于所述步骤d)中焊接热输入量合理分配,改善强界面反应区和弱界面反应区的温度分布,调节异种材料的熔合比,合金元素相互混合扩散,通过改变熔池化学成分和浓度梯度,两种液态金属形成金属间化合物,实现界面牢固冶金结合;同时熔池微合金化,细晶强化焊缝,增加焊缝薄弱部位塑性和强度,同步协调塑性变形,缓解焊接热应力和残余应力。
4.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于所述步骤e)中,通过激光对熔池搅拌改变接触界面过渡层有害富铝脆硬金属间化合物的种类、数量、形态和分布,使之细小弥散分布,获得比例多塑性较好的α‑Al铝基固溶体和γ‑Ni镍基固溶体,改善两种材料冶金相容性,降低接头脆性,缓解脆硬析出相引起的应力集中和残余应力,提高接头抗裂性能和结构尺寸稳定性,增强连接质量,焊缝无明显表面及内部缺陷,实现深熔小孔铝合金/镍基合金异种材料复合结构低热输入高效可靠焊接。
5.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于所述步骤a)中,铝合金板为2系列铝铜合金、3系列铝锰合金、4系列铝硅合金、5系列铝镁合金、6系列铝镁硅合金或7系列铝锌合金板。
6.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于所述步骤a)中,镍基合金板为定向凝固镍基合金、非定向凝固镍基合金或单晶镍基合金板,镍板为工业纯镍板。
7.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于步骤b)中,激光器类型为CO2气体激光器、Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、准分子激光器或盘式激光器的工业应用激光器。
8.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于所述步骤c)中,激光束倾斜入射角度θ为5°~10°。
9.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于所述步骤d)中,激光光斑焦点位于上层铝合金内部,离焦量‑1~0mm。
10.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于所述步骤d)中,激光光斑辐照在上层铝合金表面偏移上层对接中心线镍侧的距离d为0~0.7mm。
11.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于所述步骤e)中,激光功率为2~3kW。
12.根据权利要求1所述铝合金/镍基合金或镍异种材料复合板材结构过渡接头激光焊接方法,其特征在于所述步骤e)中,焊接速度为0.4~0.8m/min。