一种分析激光焊接焊缝微观组织形核机制的方法技术

本发明专利技术属于激光焊接相关技术领域，其公开了一种分析激光焊接焊缝微观组织形核机制的方法，所述方法包括以下步骤：(1)对试样1进行激光焊接，即试验焊接，并分析得到的激光焊缝微观组织形貌及分布；同时采用TIG焊接对试样2‑1及试样2‑2分别进行1道预焊接及n道预焊接，接着分别在预焊接形成的焊缝上进行试验焊接，并分别对得到的重叠焊缝进行金相表征；其中，试样1的材质、试样2‑1及试样2‑2的材质相同；n为大于等于3的正整数；(2)对比试样1的激光焊缝与重叠焊缝区域的等轴晶数量与分布，并根据对比结果来预识别焊缝的形核机制；(3)根据预识别结果进行确认，以分析得到形核机制。本发明专利技术提高了识别形核机制的准确性及可重复性。

【技术实现步骤摘要】
一种分析激光焊接焊缝微观组织形核机制的方法
本专利技术属于激光焊接相关
，更具体地，涉及一种分析激光焊接焊缝微观组织形核机制的方法。
技术介绍
焊缝金属的晶粒组织对其焊接时的凝固裂纹敏感性和焊接后的力学性能有着显著影响，均匀细小的等轴晶粒可以减少凝固裂纹的存在并提高焊接接头的显微硬度、强度和延展性等，从而提高焊接结构的使用性能。为了控制晶粒大小，实现晶粒的细化，掌握材料焊接过程中形核机制变得尤为重要。目前认为熔池中形核机制主要有三种：枝晶破碎、枝晶脱离与异质形核。国内外学者通过“重叠”焊接的方法实现了单一方式形核机制的识别，通过研究发现，不同的焊接工艺和不同焊接材料的形核机制是不尽相同的，但目前研究都只针对存在单一形核机制的焊接材料与工艺，对于存在两种及以上形核机制的分析方法还没有被提出。在航空航天领域，用焊接手段代替铆接等机械工艺可以节约能耗、提高装配效率，进一步减少整体质量。目前国内外学者采用了多种焊接手段实现了航空航天领域结构件的连接，其中，激光焊接具有热输入小、能量密度高、变形小、深度比大、接头性能良好等特点，无论是焊接薄板还是厚板都是有效的工艺手段。为更好的减少飞机与火箭的质量，提高运载能力，铝锂合金作为一种新型轻质结构材料开始得到了应用。铝锂合金在降低铝合金密度的同时，可以提高弹性模量，从而显著减少结构件质量。此外，铝锂合金还具有优异的超塑性，较高的比强度与比刚度，良好的耐腐蚀性能与低温性能，它不但能够改进铝合金的高周疲劳性能还可以提高拉伸强度，因此它满足了航空航天领域对轻质结构件的长期需求，且第三代铝锂合金已经开始用于商业大飞机蒙皮与火箭贮箱的制造上。已有的研究表明，在铝锂合金焊接接头融合线附近会形成细小的等轴晶(NDFB)，其形成原因主要受到焊接条件、母材成分以及母材纤维组织影响。其中，在焊缝中发现两种不同形貌的等轴晶，分别为枝晶状等轴晶与非枝晶状等轴晶，形核机制可能不再是单一的形核机制，可能存在两种及以上不同的形核机制。之前的研究只能区分出一种主要的形核机制，对于多种形核机制并存时的分析与鉴别目前没有一种行之有效的方法，亟需一种能够分析多种形核机制并存时微观组织形成原因的方法。现阶段的分析方法主要存在以下几点问题：(1)只能粗略地识别焊缝微观组织形核机制，不能逐一地、单独地明确多种形核机制并存时具体形核机制及其原因。(2)大多针对TIG焊接(非熔化极惰性气体保护电弧焊)，没有针对激光焊接特点的形核机制的分析。(3)在预焊接与试验焊接采用相同焊接方向，焊接速度较慢时不能很好地区分两种焊缝组织。(4)采用EDS(X射线能谱分析)+TEM(投射电子显微镜)的方式分析可能的异质形核，其分析方法成本与设备要求较高，且对于形核点的判断一般基于相的位置，相交于整个三维晶粒，找到的概率较低，时间成本较高。(5)只分析了铝锂合金融合线附近非枝晶状等轴晶形核机制，并没有研究焊缝中心等轴晶形核机制。(6)对于铝锂合金的EBSD(电子背散射衍射)制样大都采用电解抛光的方式，这种方式需要零下的温度，操作不方便且可重复性差。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种分析激光焊接焊缝微观组织形核机制的方法，所述方法能够逐一地确认焊缝微观组织形核机制，可鉴定出多种形核机制并存时所存在的具体形核机制，提高了识别形核机制的准确度与操作的可重复性，为激光焊接工艺调控与微观组织性能改善指明了方向，从而有效地提高激光焊接接头的力学性能与使用寿命，特别地，选用铝锂合金作为典型试验材料，为轻质铝锂合金早日广泛运用于航空航天领域打下了理论与工艺基础。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种分析激光焊接焊缝微观组织形核机制的方法，所述方法包括以下步骤：(1)对试样1进行激光焊接，即试验焊接，并分析得到的激光焊缝微观组织形貌及分布；同时采用TIG焊接对试样2-1及试样2-2分别进行1道预焊接及n道预焊接，接着分别在预焊接形成的焊缝上进行试验焊接，并分别对得到的重叠焊缝进行金相表征；n为大于等于3的正整数；(2)对比试样1的激光焊缝与重叠焊缝区域的等轴晶数量，并根据对比结果来预识别焊缝的形核机制；(3)若预识别结果认为存在枝晶破碎，则对试样4-1依次进行2n道预焊接及试验焊接，并对此次得到的重叠焊缝进行金相表征；接着，对1道焊接对应的叠层焊缝区域及n道焊接对应的叠层焊缝区域与2n道焊接对应的叠层焊缝区域的等轴晶数量进行比较，并根据比较结果确认是否存在枝晶破碎；若预识别结果认为存在枝晶脱离，则对试样4-2及试样4-3分别进行熔透焊接及非熔透焊接，并获取焊接过程中的熔池流场流体特征，再将获得的熔池流场流体特征与得到的焊缝的纵截面微观组织进行比较，进而根据比较结果确认是否存在枝晶脱离；若预识别结果认为存在异质形核，则通过母材的元素及错配度关系确认可能的形核相，并确认相应形核相组成元素存在的富集点，进而进行熔炼以确认是否存在异质形核。进一步地，预焊接的焊接方向与试验焊接的焊接方向相反。进一步地，采用离子刻蚀方法对板材进行刻蚀处理以得到试样1、试样2-1、试样2-2、试样4-1、试样4-2及试样4-3，采用的加速电压为2.7Kv～3.0Kv，时间20min～30min，离子束入射角度为70°～80°；所述试样1的材质、试样2-1的材质、试样2-2的材质、试样4-1的材质、试样4-2的材质及试样4-3的材质相同。进一步地，试验焊接采用的激光头偏转角度为10°，焊接速度为50mm/s,焊接功率为2500W，保护气流量为15L/min。进一步地，预焊接采用的焊接参数为：焊接速度0.75mm/s，焊接电压11.5V，焊接电流75A。进一步地，采用熔炼的方式将相应的相溶解掉，再对熔炼试验后的试样界面进行微观组织分析，并依据分析到的晶粒大小及数量变化来确认是否存在异质形核及相应的异质形核点。进一步地，所述试样1的材质为工业铝锂合金或第三代铝锂合金。进一步地，步骤(3)中，采用EDS与EPMA分析元素Ti以及元素Zr在母材中团聚出现后，通过温控感应加热炉将温度分别加热到900℃、1500℃以及1650℃，并保温15-30min，之后随炉冷冻。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的分析激光焊接焊缝微观组织形核机制的方法主要具有以下有益效果：1.本专利技术通过单独逐一确认形核机制，进一步提高了识别焊接形核机制的准确率与操作的可重复性，而且可以识别两种及以上形核机制并存时所形核机制，此方法可成功运用于第三代铝锂合金，为铝锂合金组织调控打下基础，从而可以实现铝锂合金在航空航天领域的广泛运用。2.本专利技术考虑了激光深熔焊特有的流场流动特点，实现了对激光焊接焊缝微观组织形核机制的研究，填补了这方面的空白，为有效的扩展激光焊接组织调控打下基础。3.本专利技术根据形核相特征，通过EDS或EPMA确认元素团簇的存在，通过感应加热炉来控制相溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分析激光焊接焊缝微观组织形核机制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n(1)对试样1进行激光焊接，即试验焊接，并分析得到的激光焊缝微观组织形貌及分布；同时采用TIG焊接对试样2-1及试样2-2分别进行1道预焊接及n道预焊接，接着分别在预焊接形成的焊缝上进行试验焊接，并分别对得到的重叠焊缝进行金相表征；n为大于等于3的正整数；/n(2)对比试样1的激光焊缝与重叠焊缝区域的等轴晶数量，并根据对比结果来预识别焊缝的形核机制；/n(3)若预识别结果认为存在枝晶破碎，则对试样4-1依次进行2n道预焊接及试验焊接，并对此次得到的重叠焊缝进行金相表征；接着，对1道焊接对应的叠层焊缝区域及n道焊接对应的叠层焊缝区域与2n道焊接对应的叠层焊缝区域的等轴晶数量进行比较，并根据比较结果确认是否存在枝晶破碎；/n若预识别结果认为存在枝晶脱离，则对试样4-2及试样4-3分别进行熔透焊接及非熔透焊接，并获取焊接过程中的熔池流场流体特征，再将获得的熔池流场流体特征与得到的焊缝的纵截面微观组织进行比较，进而根据比较结果确认是否存在枝晶脱离；/n若预识别结果认为存在异质形核，则通过母材的元素及错配度关系确认可能的形核相，并确认相应形核相组成元素存在的富集点，进而进行熔炼以确认是否存在异质形核。/n...

【技术特征摘要】
1.一种分析激光焊接焊缝微观组织形核机制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对试样1进行激光焊接，即试验焊接，并分析得到的激光焊缝微观组织形貌及分布；同时采用TIG焊接对试样2-1及试样2-2分别进行1道预焊接及n道预焊接，接着分别在预焊接形成的焊缝上进行试验焊接，并分别对得到的重叠焊缝进行金相表征；n为大于等于3的正整数；
(2)对比试样1的激光焊缝与重叠焊缝区域的等轴晶数量，并根据对比结果来预识别焊缝的形核机制；
(3)若预识别结果认为存在枝晶破碎，则对试样4-1依次进行2n道预焊接及试验焊接，并对此次得到的重叠焊缝进行金相表征；接着，对1道焊接对应的叠层焊缝区域及n道焊接对应的叠层焊缝区域与2n道焊接对应的叠层焊缝区域的等轴晶数量进行比较，并根据比较结果确认是否存在枝晶破碎；
若预识别结果认为存在枝晶脱离，则对试样4-2及试样4-3分别进行熔透焊接及非熔透焊接，并获取焊接过程中的熔池流场流体特征，再将获得的熔池流场流体特征与得到的焊缝的纵截面微观组织进行比较，进而根据比较结果确认是否存在枝晶脱离；
若预识别结果认为存在异质形核，则通过母材的元素及错配度关系确认可能的形核相，并确认相应形核相组成元素存在的富集点，进而进行熔炼以确认是否存在异质形核。


2.如权利要求1所述的分析激光焊接焊缝微观组织形核机制的方法，其特征在于：预焊接的焊接方向与试验焊接的焊接方向相反。


3.如权利要求1所述的分析激光焊接焊缝微观组织形核机制的方法，其特征在于：采用离子刻蚀方法对板材进行刻蚀处理以...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩楚，蒋平，耿韶宁，米高阳，李宇强，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42