发动机关键部件异种材料激光焊接取得最新进展

柴油发动机作为当今用量最大、用途最广的热能机械，在国民经济中占有重要地位。作为柴油发动机的关键部件，涡轮增压器能有效改善发动机动力性能，其异种材料焊接质量对整机性能有着决定性影响。近期，中科院力学研究所发动机科学与工程联合实验室在涡轮增压器异种材料激光焊接技术方面取得重要进展。与传统焊接工艺相比，优化后的激光焊接工艺在满足高焊接强度要求的同时，极大地提高了焊接效率，为提高柴油发动机性能提供了重要技术支持。

在柴油发动机增压器中，涡轮叶片和涡轴杆的材料分别是镍基铸造高温合金K418和合金中碳调质钢42CrMo，其中K418合金的Al、Ti元素含量高，42CrMo的碳当量高，对二者进行连接时易形成焊接裂纹、具有淬硬倾向，同时，由于两种材料的热物性参数有很大差异，这项制造技术具有很大的挑战性。目前一般采用摩擦焊进行连接，但焊接强度不高，成形精度较差，并需要二次加工；采用电子束焊接则设备庞大、工艺复杂、环境苛刻，且易产生有害射线。

实验室首次对K418和42CrMo异种材料合金的激光焊接工艺进行系统深入的研究，在热裂纹形成机理分析的基础上，提出了预防热裂纹解决方法；通过优化工艺参数和后热处理有效地抑制了低熔点、硬脆的Laves有害相的形成。基于激光与异种材料相互作用机理，创造性地提出了锥形热源与沿深度方向衰减的圆柱热源复合热源模型来模拟焊接过程；通过控制激光在时间和空间的能量分布，解决了由于异种金属热物理性质的差异而出现的焊缝偏熔和未熔合现象。研究表明，采用优化后的焊接工艺可以保证焊缝抗拉强度高于母材。