Invar36,合金中厚板K-TIG,焊接头组织及性能分析

刘红兵，宣扬，李一凡，程文浩，华学明，吕正南

（1.200240 上海市 上海交通大学 材料科学与工程学院；
2.201620 上海市 上海工程技术大学 材料工程学院；
3.225200 江苏省 扬州市 江苏诚德钢管股份有限公司）

近年来，Invar36 合金大量应用于航空领域[1]。目前，飞机机翼材料主要为复合材料，在机翼制造过程中，为保证机翼尺寸精确，采用热膨胀系数与复合材料相近的模具极其重要。而Invar36 合金热膨胀系数与复合材料相近，因此成为了飞机机翼模具的首选。在上述应用中，焊接技术是将小部件组装成大部件的关键。

Invar36 合金是具有单相奥氏体组织的低膨胀合金，导热系数低、熔池金属粘性大。焊接时主要存在气孔、裂纹和热膨胀系数不匹配等问题[2]。Invar36合金常用焊接方法有MIG 焊[3]、TIG 焊[4]、激光焊[5]、激光-MIG 复合焊和搅拌摩擦焊（FSW）[6]。传统的MIG 和TIG 焊接Invar36 合金时存在的主要问题是裂纹和焊缝与母材CTE 不匹配。Otte 等[7]通过改变填充金属元素（Ni，Nb，C，Fe），改善了焊缝与母材之间的热膨胀系数失配以及裂纹问题。激光焊、激光-MIG 复合焊和搅拌摩擦焊是较先进的焊接方法；
Zhao 等[8]利用激光焊接了3 mm 厚的Invar36 合金，焊缝性能及热膨胀系数优异，但不适用于中厚板的Invar36 合金焊接；
Jasthi 等[9]研究了Invar36 合金的搅拌摩擦焊（FSW），焊缝消除了气孔和开裂等熔焊焊缝常见的问题。然而，搅拌摩擦焊的三维处理能力较弱。目前，利用上述焊接技术焊接Invar36 合金都具有一定的缺陷和不足。

Keyhole TIG，简称K-TIG 焊接技术是由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）于1997 年开发的一种升级版TIG 焊接技术。其原理是在传统TIG 焊接基础上，通过加大钨极直径，采用大电流（＞300 A）增加电流密度，产生更大的电弧压力，将熔池中液态金属推向两侧，形成一个小孔，从而实现深熔焊[10]。K-TIG 在具有TIG 焊稳定的基础上，极大提高了熔深，最大熔透深度达13～16 mm[2,11]。相比传统的MIG 多层多道焊接，无需填充金属对中厚板进行单道焊接，极大提高了焊接效率，减少了焊接变形[12]。该技术还具有良好的间隙容忍度，解决了激光焊接间隙容忍度低、装配要求高、焊机成本高等缺点。目前，K-TIG 已应用于多种材料的中厚板焊接，如锆[13]、低碳钢[14]、钛[15]和异种金属[16]的焊接。Cui等[17]实现了双相不锈钢水下焊接。在使用K-TIG 焊接时，小孔的稳定性是完成K-TIG焊接的关键。Liu 等[18]研究了K-TIG 工艺中缓降电流边锁孔行为，减少了热输入，提高了质量。

截至目前，关于K-TIG 焊接Invar36 合金的研究鲜有报道，因此本研究选用了飞机机翼复合材料模具常用的10 mm 和19 mm 厚 度的Invar36 合金为试验对象，分别采用K-TIG 焊单面焊双面成型工艺和K-TIG 焊打底结合摆动MIG 填充盖面工艺进行焊接，重点对比研究了焊缝成型、显微组织以及拉伸性能等方面。

试验采用的Invar36 合金材料成分如表1 所示，Invar36 合金具有单相奥氏体结构。MIG 焊采用直径为1.2 mm 的Invar M93 焊丝，焊丝成分及性能与Invar36 合金类似。Invar36 合金尺寸分别为：150 mm×100 mm×10 mm 和150 mm×100 mm×19 mm。10 mm 厚Invar36 合金试板不开坡口，19 mm 厚Invar36 合金试板坡口形式如图1 所示。

图1 19 mm 厚Invar36 合金焊接尺寸Fig.1 Test plate size of 19 mm-thick Invar36 alloy welding joints

表1 Invar36 合金成分(Wt%)Tab.1 Composition of Invar36 alloy

试验采用自主研发的K-TIG 焊机，钨极直径为8 mm，利用循环冷却水冷却钨极，最高可实现800 A 电流焊接。图2 为焊接设备及原理图，图3是2 种厚度的Invar36 合金焊接方法示意图。

图2 K-TIG 焊接设备Fig.2 K-TIG welding equipment

图3 Invar36 合金焊接方法示意图Fig.3 Schematic diagrams of Invar36 alloy welding method

10 mm 厚Invar36 合金采用单面焊双面成型工艺，工艺参数如表2 所示；
19 mm 厚Invar36 合金留有8 mm 钝边和45°V 型坡口，先采用K-TIG 焊完成钝边处打底焊，试板冷却后，再采用摆动MIG工艺完成填充和盖面焊，工艺参数如表3 所示。

表2 10 mm 厚Invar36 合金焊接工艺参数Tab.2 10 mm-thick Invar36 alloy welding process parameters

表3 19 mm 厚Invar 合金K-TIG 及MIG 焊接工艺参数Tab.3 K-TIG and MIG welding process parameters of 19 mm-thick Invar alloy

焊接前，利用角磨机和丙酮去除试板表面油污及水分。垂直于焊接方向截取焊接金相试样，利用150#-1 200#砂纸打磨试样，然后使用0.5 μm 金刚石悬浮液对试样进行抛光，最后利用王水溶液腐蚀试样15 s。利用光镜、扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）对焊缝进行组织成分分析，并对焊缝进行拉伸性能测试。

2.1 工艺参数对焊缝成型的影响分析

首先，采用自熔焊方法系统地研究了焊接电流、焊接速度和间隙对焊缝成型的影响。图4（a）—图5（c）对比了不同焊接电流下的10 mm厚Invar36 合金K-TIG 自熔焊焊缝截面形貌。不同焊接电流下焊缝截面形貌差异明显。随着焊接电流的增加，焊缝熔宽变化较小，但熔深增加明显。当焊接电流为200 A 时，焊缝呈现又窄又宽的形貌。此时焊接电流远低于K-TIG 小孔模式焊接的电流，电弧力较小，无法形成小孔。焊接主要通过热传导方式实现熔深的增加，效率低，与传统TIG 焊接相似。当电流为350 A 时，焊缝熔深显著增加。此时焊接电流产生的电弧力足以形成小孔，以小孔模式焊接的方式实现了焊接。焊接电流达到500 A 时，焊缝熔深进一步加大，且焊缝达到了熔透状态，实现了10 mm 厚Invar36 合金的单面焊双面成型。值得注意的是，当焊接电流为200 A 和350 A 时，焊缝出现明显的焊接缺陷；
焊接电流为350 A 时，焊缝小孔区的底部出现较大的工艺型气孔。当K-TIG 以小孔模式进行焊接时，电弧产生了大量等离子流。等离子流是保证小孔侧壁稳定的关键，当等离子流无法从焊缝底部排出时，大量的等离子流在熔池底部受到反作用力，重新向熔池流动，极大地影响了小孔的稳定性，极易造成小孔塌陷。此外，Invar36 合金的粘性较大，塌陷后，液态熔池金属无法及时回流气孔。因此，K-TIG 未实现全熔透焊接时，Invar36 合金焊缝极易形成工艺型气孔，这表明K-TIG 焊接Invar36 合金中厚板时，足够大的电流是保证焊接实现小孔模式焊接及全熔透焊接的关键。

图4（d）—图4（f）对比了不同焊接速度下10 mm 厚Invar36 合金K-TIG 自熔焊焊缝截面形貌。随着焊接速度增加，焊缝熔深和熔宽降低明显。3种焊接速度均实现了小孔模式的焊接，表明K-TIG焊接Invar36 合金时，焊接速度对焊接模式影响远低于电流。随着焊接速度的增加，焊接热输入逐步减小，促使焊缝熔深和熔宽同步降低。当焊接速度减小到一定程度时，焊缝无法实现完全熔透，此时等离子气无法排出，出现工艺型气孔如图4（f）所示。

图4 不同焊接参数焊缝截面图Fig.4 Weld cross-sections of different welding parameters

中厚板焊接过程中，受坡口和钝边的加工精度影响，焊接间隙难以保持一致，间隙的波动将显著影响焊缝成形及小孔的稳定性[19]。图4（g）—图4（i）对比了不同焊接间隙下10 mm 厚Invar36合金K-TIG 对接的焊缝形貌。3 种不同的焊接间隙下，焊缝均成形良好，都实现了全熔透焊接。然而，随着焊缝间隙的增加，焊缝小孔区的焊缝宽度出现了明显的增加，主要原因是焊缝间隙有利于小孔模式的形成[19]，使得电弧能量更加充分作用于焊缝底部，增加了小孔的直径和小孔区宽度。值得注意的是，当焊接间隙达到1 mm 时，由于焊接电弧力充分作用于熔池底部且焊缝间隙较大，使得部分熔池下淌，增大了焊缝背部余高，然而并未出现塌陷，说明K-TIG 焊接Invar36 合金具有良好的间隙容忍能力。这主要是因为液态Invar36 合金中的Ni 含量较大，液体粘性和表面张力较高。

2.2 10 mm 厚Invar36 合金对接焊缝形貌与显微组织分析

图5 为10 mm 厚的Invar36 合金K-TIG 对接焊缝截面形貌图。焊缝饱满、成形良好，表面及背面余高适中，如图5（a）所示。K-TIG 焊未添加填充金属且采用了背部保护气，充分避免了S、P 等杂质元素的进入熔池，且焊缝较宽，冷却缓慢，有利于杂质金属逸出表面，避免柱状晶中心线裂纹的形成。从图5（a）、图5（b）可以观察到焊缝和热影响出现了明显的晶粒粗化现象，母材及热影响区的平均晶粒尺寸分别为38 μm 和178 μm。母材、热影响区和焊缝分别为细小奥氏体等轴晶、粗大奥氏体等轴晶和奥氏体柱状晶，未发生相变[20]。Invar36 合金较高的Ni 含量扩大了奥氏体区，使合金常温状态下为单相奥氏体。

图5 10 mm 厚Invar36 合金显微组织Fig.5 Microstructure of 10 mm-thick Invar36 alloy

由于K-TIG 焊接过程中焊缝过冷度低且冷却速度慢，焊缝熔合线附近出现明显联生结晶现象，如图5（c）所示；
同时，还可观察到半融化晶粒[21]。此外，焊缝热影响区可观察到退火孪晶，如图5（d）所示，这是因为Invar36 合金具有面心立方结构、层错能低、易出现退火孪晶[22]。图6 为接头EDS分析结果，母材、焊缝和热影响区的Ni 焊缝量分别为36.15%，36.73%和36.68%，Fe 含量分别为60.78%,61.64%和 62.10%。从焊缝到母材，Fe 元素及Ni 元素含量基本保持不变，说明焊缝的热膨胀系数保持基本不变。

图6 K-TIG 焊缝EDS 分析Fig.6 EDS analysis of K-TIG weld

2.3 19 mm厚Invar36合金焊缝形貌与显微组织分析

对于Fe 基材料而言，K-TIG 焊接最大的熔透深度为13～16 mm[13]，该焊接方法无法完成19 mm厚板材单面焊双面成型。为此，本研究开设了坡口和钝边，利用K-TIG 和摆动MIG 焊接分别完成了打底、填充和盖面焊。

图7 为19 mm 厚Invar36 合金焊缝截面形貌。如图7（a）所示，焊缝成形良好，无明显焊接缺陷。与10 mm 厚Invar36 合金焊缝相比，19 mm 厚Invar36 合金K-TIG 焊缝一侧与10 mm 厚 Invar36合金K-TIG 焊缝成形基本保持不变，然而焊缝下半部分的小孔区发生了明显的变化。10 mm 厚Invar36 合金K-TIG 焊缝，小孔区主要呈现U 型，而19 mm厚Invar36合金呈现V型。K-TIG 焊接19 mm厚Invar36 合金时，较大的板厚加大了焊接能量损失，无法熔化更多的金属，使得钥匙孔半径线性缩小，呈现V 型。19 mm 厚Invar36 合金焊缝在此区域内，柱状晶粒生长方向呈一定角度倾斜向焊缝中心生长，见图7（e）。对于10 mm 厚Invar36 合金K-TIG 焊缝，其底部柱状晶生长方向垂直于焊缝中心线，见图7（a）。与10 mm 厚的情况相同，19 mm 厚Invar36 合金焊缝也呈现奥氏体柱状晶，见图5（d），不同的是19 mm 厚Invar36 合金的热影响区晶粒尺寸相对较小（～150 μm）。这主要是因为19 mm 厚Invar36 合金较大的板厚消耗了更多的能量，热影响区受热循环时间减少。

图7 19 mm 厚 Invar36 合金焊缝显微组织Fig.7 Microstructure of 19 mm-thick Invar36 alloy weld

MIG 焊一侧焊缝第1 层的晶粒生长方向主要是倾斜向中心线方向生长，第2 层生长方向几乎垂直向上生长，见图7（f）—图7（g）。这主要取决于熔池散热方向，柱状晶的生长方向与散热最快的方向相反，垂直于等温线。MIG焊缝组织与K-TIG焊缝组织相同，均为奥氏体柱状晶，不同的是相比于K-TIG 焊缝一侧，MIG 焊一侧的热影响区晶粒有所降低（～131 μm）。焊接过程中焊丝成分与母材相同，未加入其他金属元素，因此推测与K-TIG焊缝侧相同，也未发生相变。

MIG 焊缝EDS 成分结果如图8 所示，Fe 元素和Ni 元素含量基本保持不变。焊接过程中焊丝的成分与Invar36 合金成分相同，因此焊接过程中出现合金元素的变化，焊缝金属成分保持不变。值得注意的是，Fe-Ni 合金中Ni 元素含量是合金保证合金低膨胀系数的关键，说明合金的热膨胀系数基本保持不变。

图8 MIG 焊缝EDS 分析结果Fig.8 EDS analysis of MIG weld

2.4 拉伸性能测试

图9 展示了10 mm 和19 mm 厚Invar36 合金接头拉伸试验位移-载荷曲线图。10 mm 焊缝抗拉强度为427 MPa，19 mm 焊缝抗拉强度为452 MPa，其中母材的抗拉强度为441 MPa。后者强度高于前者是因为19 mm 厚Invar36 合金接头内填充了部分金属产生了余高，该部分焊缝金属将会提供额外的断裂载荷。10 mm 厚Invar36 合金焊缝延伸率为31%，19 mm 厚Invar36 合金焊缝延伸率为36%。可见两种厚度的焊缝均表现出良好的拉伸性能。

图9 焊缝拉伸试验位移-载荷曲线Fig.9 Displacement-load curve of weld tensile test

（1）10 mm 厚K-TIG 自熔焊研究结果表明，随着焊接电流的增大，焊缝熔深增加，并由热传导模式焊接转变为小孔模式焊接。随着焊接速度的增大，焊缝熔深和熔宽同步减少，但保持小孔模式焊接。随着焊接间隙的增加，焊缝小孔区的宽度增加明显。当焊缝未实现熔透时，焊缝处极易形成工艺型气孔。

（2）10 mm 及19 mm 厚Invar36 合金K-TIG 焊缝成形良好，无气孔、裂纹等缺陷。然而，19 mm厚Invar36 合金MIG 焊缝一侧第1 层的底部和两侧均出现了冶金型气孔。

（3）10 mm 和19 mm 厚Invar36 合金焊缝热影响区均出现明显的晶粒粗化现象。10 mm 厚Invar36合金K-TIG 接头热影响区尺寸为178 μm，19 mm厚Invar36 合金K-TIG 侧和摆动MIG 焊侧热影响区晶粒尺寸分别为150 μm 和131 μm。焊缝区域均未发生相变，皆由奥氏体组成。其中，热影响区为粗大的奥氏体等轴晶，焊缝为奥氏体柱状晶。K-TIG焊缝及MIG 焊缝Ni 含量基本都保持不变，因此热膨胀系数基本不变。

（4）拉伸测试结果表明：10 mm 及19 mm厚 Invar36 合金焊缝抗拉强度分别为427 MPa 和452 MPa，延伸率分别为31%和36%，均具有良好的拉伸性能。