JMRT2026 I 南昌大学 I 实现20毫米厚Inconel 690合金的超高功率激光深熔焊:工艺优化、微观组织不均匀性及力学性能研究!
Journal of Materials Research and Technology-JMR&T｜6.7｜新锐分区1区｜ Q1｜
导读
由于累积焊接热输入高和热变形大，采用传统电弧焊焊接厚板面临巨大挑战。超高功率激光焊接凭借其高熔深、高精度和高效率，成为厚壁结构极具前景的焊接方法。本工作利用30 kW光纤激光焊机，对20 mm厚Inconel 690合金的焊接工艺参数进行了系统研究。探究了焊接参数对厚板焊缝成形的影响，发现激光功率和焊接速度决定了液态金属的重量，而离焦量则影响液态金属在熔池内的迁移距离。通过工艺优化，有效解决了焊缝根部下垂和过熔透等焊接缺陷，获得了成形良好的焊接接头。射线检测结果表明，在核级验收标准下，焊缝质量优异，无气孔和裂纹。基于熔池动力学，系统研究了微观组织与性能之间的相关性。沿焊缝厚度方向，焊缝微观组织呈现显著的不均匀性：靠近焊缝正面和背面的晶粒尺寸较大，而中间区域的晶粒较小。在焊缝中部枝晶间观察到了更多细小的TiN析出相，而正面和背面则较少。这与硬度的分布趋势相一致。熔合区（FZ）中间区域的硬度达到205 HV，比表面区域高出约20.6%。
主要图表
图1. 超高功率激光束焊接系统及其组件。
图2. 厚板的焊接准备及工艺流程。a) 厚板夹紧工艺；b) 正反面保护性气体装置；c) 厚板的30 kW激光焊接工艺。
图3. 微观结构与拉伸试样。a) 采样位置；b) 微观结构试样规格；c) 拉伸试样规格。
图4. 不同激光束功率下焊缝的宏观形貌。
图5. 不同激光焊接速度下焊缝的宏观形貌。
图6. 不同激光离焦距离下焊缝的宏观形貌。
图7. 焊接形态及无损检测。a) 焊缝正面；b) 焊缝背面；c) 焊接侧面；d) 放射检测。
图8. 超高功率激光束焊接的高速摄影图像。
图9. 焊缝的宏观形貌及焊接接头宽度统计结果。a) 焊接接头横截面的光学显微镜（OM）图像，显示从焊缝背面不同穿透深度处的截面情况；b) Z = 17–18 mm区域；c) Z = 14–15 mm区域；d) Z = 7–8 mm区域；e) Z = 4–5 mm区域；f) Z = 1–2 mm区域；g) 焊缝区（FZ）宽度统计；h) 单侧热影响区（HAZ）宽度统计。
图10. 不同深度焊接接头中的晶粒特征：a) Z = 17–18 mm 区域；b) Z = 14–15 mm 区域；c) Z = 7–8 mm 区域；d) Z = 4–5 mm 区域；e) Z = 1–2 mm 区域；f) FZ 区域不同深度焊接接头的晶粒尺寸统计；g) HAZ 区域不同深度焊接接头的晶粒尺寸统计。
图11. 焊接接头在距焊缝底部不同深度处的微观结构特征：a) Z = 17–18 mm区域；b) Z = 14–15 mm区域；c) Z = 7–8 mm区域；d) Z = 4–6 mm区域；e) Z = 1–2 mm区域；f) 不同深度处焊接接头的次生枝晶臂间距（SDAS）。
图 12. 焊接接头不同深度处的元素分布。a) Z = 17–18 mm 区域；b) Z = 7–8 mm 区域。
图 13. 焊接接头不同区域中析出相的组成与结构。a)-c) 热影响区（FZ）中的析出相；d) 奥氏体化区（HAZ）中的析出相；e)-f) 焊缝金属（BM）中的析出相。
图 14. 焊接接头沿横向和纵向的硬度梯度分布。a) 焊缝横截面的硬度分布图；b) 焊缝组织区（FZ）沿深度方向的硬度分布；c) 不同深度处的焊缝硬度分布。
图 15. 焊接接头的拉伸性能。a) 焊接接头的拉伸应力-应变曲线；b) 焊接接头的屈服强度、拉伸强度和延伸率统计数据；c) 拉伸试验后的断裂试样。
图 16. 抗拉断裂特性。a) BM试样；b) 室温下的焊缝试样；c) 350°C下的焊缝试样；d) 450°C下的焊缝试样；e) 550°C下的焊缝试样；f) 断裂中的析出物。
图17. 彩色反转后的熔池流动灰度图像：蓝色区域的灰度值接近0，黄色和红色区域的灰度值大于0。
图18. 熔池不同位置处的作用力。a) 回弹涡流区；b) 聚集涡流区；c) 焊缝底部。Fs为金属蒸气与熔池之间的表面张力，Ff为金属蒸气与熔池之间的摩擦力。Fv为激光束传递至键孔后壁的回弹压力。Pm表示熔池压力，F表示激光回弹力，G表示熔融金属的重力，N表示氩气保护压力。
图 19. 超高功率激光焊接厚板的熔池流动形成机制。a) 激光功率系列参数；b) 焊接速度系列参数；c) 聚焦偏移距离系列参数。
图20. 焊缝中晶粒及沉淀物尺寸与分布的示意图。
图 21. 拉伸断裂机制。a) 细小析出物在室温下的拉伸断裂机制；b) 粗大析出物在室温下的拉伸断裂机制；c) 细小析出物在高温下的拉伸断裂机制；d) 粗大析出物在高温下的拉伸断裂机制。
主要结论
本研究首次采用30 kW超高功率激光束焊接，在氩气保护环境下实现了20 mm厚Inconel 690合金的单道自熔焊接，验证了超高功率激光束焊接应用于厚截面Inconel 690的可行性。主要结论如下：
研究了不同焊接功率、离焦量和焊接速度对20 mm厚Inconel 690合金板材大功率激光自熔焊接成形的影响。获得了优化的焊接工艺参数：激光功率24 kW、焊接速度1.2 m/min、离焦量−15 mm。利用该参数组合，实现了20 mm厚Inconel 690合金的单面焊双面成形，且焊接接头两侧表面成形质量优异。X射线检测结果表明，焊缝质量符合ASME III NB核电设备标准。
建立了Inconel 690合金厚板的超高功率激光焊接熔池模型。焊接接头呈现出独特的“工”字形双凸起形貌。其中，焊缝中部（Z = 4–5 mm和14–15 mm）存在的两个反向旋转涡旋是由熔池重力、表面张力及激光反冲力共同作用所致。在这两个反向旋转涡旋区域，由于局部驱动和液态金属积聚引起的熔池搅拌效应，该区域析出相的密度显著增加，且晶粒尺寸相对细化。
由于超高功率激光束焊接接头沿深度方向析出相和晶粒尺寸的不均匀性，焊缝中间区域硬度达到最大值205 HV，比近表面及底部区域的170 HV高出约22%。激光焊接接头具有良好的力学性能，其抗拉强度比较传统弧焊接头高出20%–40%，这主要归因于激光焊缝中弥散分布的TiN网状结构，其有效抑制了晶界滑移并增强了晶界结合力。
主要信息
Achieving of ultra high power laser deep welding for 20 mm thick Inconel 690 alloy: Process optimization, non-uniformity of microstructure and mechanical properties
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2026.02.072
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