南昌大学JMR&T 20 mm厚Inconel 690合金超高功率激光深熔焊接实现:工艺优化、微观组织不均匀性及力学性能研究

图1a为Inconel 690合金激光焊接接头的横截面宏观形貌，整个焊接接头内未观察到气孔、裂纹等微观缺陷。如图1b~f所示，沿焊缝深度方向（Z向）从焊缝底部起将接头划分为5个典型区域，分别对应Z=1~2 mm、4~5 mm、7~8 mm、14~15 mm、17~18 mm位置。整体焊缝呈“I”形轮廓，近表面区域（Z=17~18 mm）焊缝宽度较大，中部（7~8 mm）与底部（Z=1~2 mm）宽度较窄。

如各图箭头所示，熔合区内部枝晶生长取向随深度存在明显差异：在Z=17~18 mm与Z=1~2 mm区域，枝晶垂直于熔合线生长，与焊缝中心线处的凝固晶界呈锐角相交；在熔合区中部（6~16 mm），枝晶生长方向近似同时垂直于熔合线与焊缝中心线，该特征由热流方向主导。其机制为：近表面与近底部区域的接头可同时通过大气环境与母材散热，形成朝向大气的附加温度梯度，驱动枝晶向焊缝中心侧向生长；而焊缝中部的热量主要通过母材传导，因此枝晶生长方向垂直于焊缝中心线。

图1g为不同深度区域的熔合区宽度测量结果，5个区域宽度分别为1.7 mm、1.5 mm、1.6 mm、1.5 mm、4 mm，焊缝上下两端（Z=0 mm与Z=20 mm）熔合区最宽，在Z=14~15 mm与Z=4~5 mm处形成双凸起特征，Z=17~18 mm、7~8 mm、1~2 mm处则对应三个颈缩区域。图1h为单侧热影响区再结晶区宽度的变化规律，5个区域宽度分别为0.72 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.21 mm、0.55 mm，Z=14~15 mm与Z=4~5 mm区域热影响区最宽，在6~16 mm深度范围内，热影响区宽度随深度增加呈减小趋势。

熔合区与热影响区的宽度变化表明，超高功率激光深熔焊接过程中，激光束在匙孔内壁的反射会导致匙孔形貌在局部位置产生波动，使得Z=14~15 mm与Z=4~5 mm区域出现液态金属堆积，造成熔合区扩宽并形成双凸起特征，同时这些区域的熔合区液态金属在凝固过程中持续向热影响区传热，导致热影响区再结晶区也呈现对应双凸起特征。

图1. 焊缝的宏观形貌及焊接接头宽度统计。a) 焊接接头横截面的金相显微照片，不同的焊缝背面穿透深度：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) 熔合区宽度统计; h) 单侧热影响区宽度统计

图2为采用电子背散射衍射（EBSD）分析得到的焊接接头不同深度凝固组织的晶体取向与晶粒尺寸特征。如图2a~e所示，熔合区以柱状晶为主，粗大柱状晶间分布有细小晶粒，晶粒生长方向在三维空间内呈现多向性，这是由于激光焊接的高冷却速率引发的大过冷度，使Inconel 690合金的面心立方结构可沿多个取向生长。其中Z=17~18 mm与Z=1~2 mm区域的晶粒优先沿表面法线方向生长，Z=17~18 mm的熔合区中心还存在细小等轴晶组织，且等轴晶区晶粒沿{001}方向优先生长。熔合线旁侧的热影响区晶粒受焊接热输入作用发生再结晶，母材区域则为轧制态典型的粗大柱状晶与大量变形细晶共存的组织特征。

图2f为熔合区沿深度梯度的晶粒尺寸统计结果，统计范围为焊缝中心线处2000×500 μm的矩形区域，结果显示熔合区中部10~100 μm尺寸晶粒占比显著高于表面区域，平均晶粒尺寸沿深度方向呈“大-小-大”变化规律：Z=17~18 mm区域平均晶粒尺寸为57 μm，Z=5~15 mm中部区域平均晶粒尺寸为34~40.6 μm，Z=1~2 mm区域平均晶粒尺寸约79.5 μm。

图2g为热影响区的晶粒尺寸统计结果：近表面（Z=17~18 mm）与近底部（Z=1~2 mm）热影响区平均晶粒尺寸分别为18.4 μm与16.6 μm，大于中部（Z=5~15 mm）的14.1~15 μm，中部热影响区超过98%的晶粒尺寸处于10~30 μm区间，而上下表面附近热影响区尺寸大于30 μm的晶粒占比明显更高。

图2. 不同深度焊接接头的晶粒特征。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 区不同深度焊接接头的晶粒尺寸统计；g) HAZ 区不同深度焊接接头的晶粒尺寸统计

图3为焊接接头不同深度的元素分布特征。可见Ni、Fe元素在晶内偏聚，Cr、Ti元素沿晶界偏析，这是由于金属凝固过程中Cr、Ti优先向晶界扩散，形成MC、M23C6、TiN、Ti(C,N)等析出相，可提升晶界的抗晶间腐蚀开裂性能。图3b为图11c中Z=7~8 mm枝晶区域的元素扫描结果，与近表面区域规律一致，Ni、Fe在晶内偏聚，Cr、Ti沿晶界偏析，S元素无明显偏聚；但与Z=17~18 mm区域相比，该区域晶界处Ni、Fe浓度显著降低，Cr、Ti浓度明显升高。

上述结果表明，超高功率激光焊接接头的元素分布沿焊缝深度方向存在一定不均匀性：近表面区域冷却速率过高，抑制了元素扩散，基体中Cr、Ti等溶质元素难以向晶界迁移；而Z=7~8 mm中部区域冷却速率较低，溶质元素可充分扩散至晶界，因此不同深度区域晶界处Cr、Ti的偏析程度存在差异，进而导致析出相密度不同：Z=17~18 mm与Z=1~2 mm区域晶界Cr、Ti偏析程度较低，析出相密度更小；焊缝中部（Z=5~15 mm）晶界偏析程度更高，析出相密度更大。

图3. 焊接接头不同深度的元素分布。a) Z = 17-18 mm 区域；b) Z = 7-8 mm 区域

图4为Inconel 690合金母材与焊缝在不同温度下的拉伸性能对比结果。图4a的应力-应变曲线显示，室温下母材与焊缝的弹性变形行为相近，塑性变形均始于约500 MPa应力水平；母材的塑性变形阶段更长，在应变0.56%时发生屈服，而焊缝屈服应变为0.28%；高温拉伸曲线呈现明显的锯齿状塑性变形特征。

图4b的强度统计结果显示，焊接接头室温屈服强度与抗拉强度分别为500 MPa与680 MPa，达到母材（500 MPa、750 MPa）强度的90%以上，焊缝断后伸长率（23%）低于母材（41%）。在350 ℃、450 ℃、550 ℃高温条件下，焊接接头屈服强度分别为420 MPa、410 MPa、400 MPa，抗拉强度分别为550 MPa、545 MPa、540 MPa，伸长率分别为20%、21%、20%，强度与伸长率均随拉伸温度升高呈小幅下降趋势。

与现有电弧焊接头性能对比可知：本研究的激光焊接头室温抗拉强度较电弧焊接头（580 MPa）高约17%，高温（350~550 ℃）抗拉强度较电弧焊接头（450~530 MPa）高2%~22%，强度优势显著。图4c的断口位置分析显示，不同温度下的焊接接头拉伸试样均断裂于焊缝区域。

图4. 焊接接头的拉伸性能。a) 焊接接头的拉伸应力-应变图；b) 焊接接头的屈服强度、抗拉强度和伸长率统计；c) 拉伸试验后的断口试样。