异种厚度Nb521铌钨合金激光焊接工艺

０前言

轨／姿控双组元液体火箭发动机是导弹、卫星、飞船等航天飞行器的动力核心。为满足发动机高比冲、轻质化、长寿命、高可靠的需求，轨／姿控发动机推力室材料正朝着超高温、轻质化方向发展，与钼合金、钽合金等相比，铌钨合金具有低密度、优异的高温强度、良好的塑性等优点，是最具发展潜力的难熔金属材料之一［１］。在硅化钼高温抗氧化涂层的保护下，铌钨合金推力室的工作温度可达到1550℃。随着型号研制发展，Nb521铌钨合金在中国航天领域的使用更加广阔，已在其他高速飞行器部件得到应用［２－３］，Nb521铌钨合金高温结构件的加工方法也拓展到旋压、焊接等。

铌钨合金焊接易发生氧化现象导致材料性能急剧下降，目前关于Nb521铌钨合金焊接工艺的研究相对较少，主要集中在电子束焊。朱冬妹等学者［４］开展了Nb521合金电子束焊工艺试验研究，结果表明Nb521具有良好的电子束焊接性能及优良的室温接头强度。王峰等学者［５］研究发现Nb521合金与低密度铌合金具有较好的电子束焊性能。夏明星等学者［６］采用电子束焊成功焊接了TC4钛合金和Nb521合金，焊缝组织致密无缺陷。然而由于受到真空室尺寸的限制，导致电子束焊工艺将难以满足更大尺寸铌钨合金结构件的研制需求。

激光焊与电子束焊工艺类似，具备能量密度高、焊接速度快、热影响区小、焊件变形小等优点［７］，焊接时配合设置氧化防护装置，无需真空室。张艳桥等学者［８］开展了薄壁铌合金加强筋与基体的激光点焊工艺研究，替代电阻点焊实现了两者高强度的连接。激光焊作为以自熔焊为主的焊接方法，较小的光斑对焊前工件的装配要求较高［９］。目前，针对铌钨合金结构件激光对接焊方面的研究鲜有报道，考虑到未来对大型薄壁Nb521合金结构件及异种厚度部件的焊接需求，通过焊接试验研究装配条件（包括装配错边、装配间隙）对Ｎｂ５２１合金激光焊接头的焊缝成形、显微组织及力学性能的影响，可积累Nb521合金激光焊基础数据，为大型薄壁结构件的激光焊工程化应用提供参考。

１试验方法

焊接试板选用厚度为1.0ｍｍ和1.5ｍｍ的Nb521合金平板，Nb521合金的主要化学成分见表１。试板规格为100ｍｍ×60ｍｍ，坡口通过铣削方式加工平整，采用除油剂＋酸洗方法去除表面油污及氧化膜，焊前用酒精将坡口擦拭干净。

试验采用不开坡口的激光对接焊形式，如图１所示。1.0ｍｍ＋1.5ｍｍNb521平板底部平齐为理想装配状态，即定义为装配零错边状态，当1.0ｍｍ平板向上发生错边时，定义错边为正值；当1.0ｍｍ平板向下发生错边时，定义错边为负值。

试验以额定功率10KＷ的光纤激光器实现焊接，激光束入射方向垂直于焊接试板表面，聚焦镜焦距为300ｍｍ，光斑直径为ϕ0.３ｍｍ。其余焊接工艺参数见表２，装配间隙为0.３～0.５ｍｍ的焊接试板增加2ｍｍ正离焦量。

焊后垂直于焊缝方向分别截取并制备横截面金相 试样和焊缝拉伸试样 。采用 LeicaDMI5000M金相显微镜对焊缝微观组织进行观察。采用电子万能拉伸试验机对焊缝进行室温拉伸性能测试。

2 试验结果与讨论

2.1 装配错边对Nb521合金焊缝成形的影响

1.0mm+1.5mm对接焊缝理想的装配状态为背面平齐，考虑到实际工程生产中因加工误差等可能会出现1.0mm构件向上错边或向下错边的情况（图2),因此开展图3中不同错边状态的焊接试验，研究装配错边对异种厚度Nb521合金焊缝的影响。对于1.0mm+1.5mmNb521合金对接焊缝，当1.0mm试板1.5mm试板装配为零错边状态下，正反面均可获得均匀美观的焊缝成形；当装配错边量为+0.2mm~+0.3mm及-0.2mm时，仍可获得均匀美观的焊缝成形，错边状态对焊缝成形的影响不显著；当装配错边量达到-0.3mm时，可看到焊缝成形基本均匀，但焊缝正反面的饱满程度有所降低，当装配错边量达到-0.5mm时，焊缝正反面成形明显恶化，呈现不稳定状态。

对装配错边量分别为 0mm ,  + 0.3mm , -0.3mm的试板进行焊缝横截面微观组织观察，结果如图4所示。图4d、图4e分别为错边量0mm状态下熔合区及焊缝中心区显微组织，同时也是Nb521合金激光对接焊缝的典型形貌，其余错边量状态焊缝形貌与图4d、图4e基本一致。由图4d、图4e可知，焊缝呈现典型的铸态组织，在靠近熔合区的柱状晶以半熔化母材的晶粒为基础，通过联生结晶的方式，沿最大散热方向向焊缝中心相对生长；在焊缝中心的上部和下部区域，柱状晶分别从焊缝两侧倾向上和倾向下相对生长；熔合区外侧晶粒受热长大，热影响区宽度约0.3~0.4mm。由图4a、图4b、图4c可知，不同错边状态下焊缝均呈现一致的柱状晶生长形貌，即装配错边对焊缝微观组织的影响很小。当错边量为0mm时，正面焊缝由1.5mm试板边缘向1.0mm试板倾斜圆滑过渡；背面焊缝成形非常饱满，有一定凸起的背面焊漏；当错边量为+0.3mm时，焊缝正面成形因1.0mm试板的抬升趋于水平，同时焊缝背面呈现出倾斜过渡形态，焊漏基本为平面状；当错边量为-0.3mm时，焊缝正面成形与背面成形均呈现出明显的凹陷形态，焊缝横截面形貌与图3中焊缝正反面成形形态相吻合。

错边量为 - 0. 2~+ 0.3 mm 的试板焊缝成形及横截面形态与0mm错边量试板差异较小，因此对错边量为0mm， - 0. 3mm 的试板进行室温拉伸性能测试，结果见表3。由表3可知，装配错边为 0mm 及 -0.3  mm 状态下，所有试样的断口均位于远离焊缝的 1.0 mm 母材，接头强度指标未见显著差异；断口与拉伸方向呈45 ° , 并伴随明显的颈缩现象，为典型的韧性断裂特征，即当1.0mm试板向下错边在+0.3mm以内时，Nb521合金焊缝仍保持良好的综合力学性能。此外，各组试样抗拉强度的极差为10~12MPa,因试样均断裂在1.0mm母材，而母材Nb521合金薄板通过冷轧工艺加工而成，推断拉伸性能误差为原材料正常的性能波动。

2.2 装配间隙对Nb521合金焊缝成形的影响

为研究装配间隙对异种厚度Nb521合金激光焊缝的影响，开展1.0mm+1.5mmNb521合金对接焊缝预置间隙试验，不同装配间隙状态下焊缝成形如图5所示。由图5可知，当1.0mm试板与1.5mm试板装配间隙为0mm的状态，正反面均可获得均匀美观的焊缝成形；当2块试板预置间隙增加到0.3mm时，仍可获得均匀美观的焊缝成形，间隙状态对焊缝影响不显著；当预置间隙增加到0.5mm时，焊缝已无法正常成形，2块试板未形成连接。

对不同预置间隙的试板进行焊缝横截面金相观察及力学性能测试，结果如图6及表4所示。由图6可知，预置0.3mm装配间隙状态下，Nb521合金激光对接焊缝同样呈现与零间隙状态一致的柱状晶生长形貌，焊缝正反面成形基本平齐，未见显著的下凹。焊缝拉伸试样同样断裂于远离焊缝的1.0mm母材，为典型的韧性断裂特征。接头强度指标有少量降低，为母材性能的正常波动。即当1.0mm试板与1.5mm试板装配间隙不超过0.3mm时，焊缝仍能获得良好的正反面成形及综合力学性能。

3 结论

(1)1.0mm+1.5mmNb521合金激光对接焊缝允许的最大装配错边为0.3mm,最大装配间隙为0.3mm,即均不超过母材厚度（以薄板计算）的30%。

(2)Nb521合金具备良好的激光焊接工艺性，焊缝金相组织为典型的铸态组织，两侧柱状晶通过联生结晶方式向焊缝中心相对生长，热影响区宽度约0.3~0.4mm；装配错边和装配间隙对焊缝微观组织的影响较小。

(3)装配错边和装配间隙不超过允许的最大值，均可获得均匀美观的正反面焊缝成形；接头具备良好的综合力学性能，拉伸试样断裂于母材，为典型的韧性断裂特征。

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星尘科技采用射频等离子体球化工艺制备的球形Nb521合金粉，具备高纯度（氧含量≤500ppm）、高球形度（球形率＞95%）及均匀的粒度分布（0-150μm可选），有效提升粉末流动性与成型致密度。该工艺通过非接触式高温提纯，显著降低杂质残留，使粉末兼具优异的高温稳定性、耐腐蚀性及机械强度，适用于航空航天高温部件、核工业耐辐照组件、3D打印复杂结构件等高端制造领域。产品严格遵循工业化标准，兼顾性能与一致性，更多技术细节与应用案例可联系星尘科技郑经理+86 13318326187获取。