高溫合金K423A鑄件GTAW補(bǔ)焊工藝

尹 懿，李水濤，晏建武，帥新國，2，呂 榛，2，張晨曙

（1.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西南昌330099；2.中國南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，湖南株洲412002）

高溫合金K423A鑄件GTAW補(bǔ)焊工藝

尹 懿1，李水濤1，晏建武1，帥新國1，2，呂 榛1，2，張晨曙1

（1.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西南昌330099；2.中國南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，湖南株洲412002）

通過改變焊接電流、焊接保護(hù)氣氛等措施，研究K423A典型精鑄件的鎢極氬弧焊補(bǔ)焊工藝，分析焊縫組織和性能變化規(guī)律。結(jié)果表明：通過補(bǔ)焊工藝來實現(xiàn)K423A合金背部裂紋的有效抑制是可行的；焊接保護(hù)氣氛在很大程度上影響焊縫的背部成形，而背部開裂現(xiàn)象主要是由于焊縫的背面氧化引起的；焊件在弧焊過程中通過背部氣體保護(hù)并進(jìn)行有效的預(yù)熱處理，可以有效抑制焊件焊縫的背部開裂；采取適當(dāng)?shù)暮附与娏髂軌颢@得接頭組織細(xì)密的接頭，也可以降低焊接過程中熱裂紋的傾向性。

高溫合金；補(bǔ)焊；GTAW；裂紋

0 前言

近些年來，鎳基高溫合金因具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動機(jī)熱端部件[1-4]。K423A合金是熱端部件材料的一種[5]，但目前通過精鑄工藝獲得精鑄件的成品率較低[6-7]，這是因為高溫結(jié)構(gòu)件壁厚不均勻或者鑄造工藝不合理，使得到的高溫合金鑄件易出現(xiàn)冷隔和澆不足等缺陷。為此，有研究者想從鑄造方法、鑄造工藝、鑄后熱處理三方面解決這些問題，可是效果并不理想[8]。通常采用鎢極氬弧焊對這種高溫合金報廢的精鑄件進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)處理[9-10]。

K423A合金是一種含Al、Ti較多（均超過6％）的沉淀強(qiáng)化型鎳基鑄造高溫合金，具有很大熱裂傾向，焊接時極易出現(xiàn)裂紋，可焊性極差[11-12]。帥興國等人[13]對具有鑄造缺陷的高溫合金精鑄件進(jìn)行鎢極氬弧焊（TIG）補(bǔ)焊研究，結(jié)果表明：沉淀硬化型高溫合金零件補(bǔ)焊時，采取中電流一層焊工藝為宜，焊后進(jìn)行去應(yīng)力時效處理可以有效防止焊接裂紋。徐

濤等人[14]通過對GH3039的鎢極氬弧焊（TIG焊）研究發(fā)現(xiàn)，焊接工藝對高溫合金的焊接性能影響較大，焊接電流過大增加了熱裂紋敏感性，過小會產(chǎn)生未熔合區(qū)。Gonzáleza等人[15]對In939合金進(jìn)行TIG焊前預(yù)熱處理，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)預(yù)熱的試樣焊接熱影響區(qū)（HAZ）出現(xiàn)液化裂紋的概率下降。宋文清等人[16]對K4104合金進(jìn)行TIG補(bǔ)焊，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊宜采用小電流低焊接熱輸入，縮短高溫停留時間。

本研究通過改變焊接電流、焊接保護(hù)氣氛等措施，研究K423A典型精鑄件的TIG補(bǔ)焊工藝和焊接性能。

1 實驗

采用報廢K423A精鑄件為研究對象，該材料的焊前狀態(tài)為固溶+焊后消除應(yīng)力處理。首先采用線切割方法將報廢零件切割成試件，試件尺寸50 mm×50 mm×5 mm，并對試樣表面進(jìn)行除油清洗；其次采用硬質(zhì)合金鉆頭盡量在試樣的中間部位進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑與深度尺寸為φ5 mm×2 mm，用角向磨削機(jī)將鑄造缺陷除銹、打磨成圓形凹坑（見圖1），直至光亮；經(jīng)除銹、除油后置于280℃爐內(nèi)預(yù)熱保溫30 min。焊絲采用與基材成分相似的鎳鉻合金絲材，直徑φ1.2 mm。

圖1 凹坑形狀Fig.1Crater profile

采用手工氬弧焊對K423A合金進(jìn)行補(bǔ)焊，所用設(shè)備為TIG-160焊機(jī)。實驗中設(shè)計三組不同的焊接電流，即30 A、50 A、70 A，焊后進(jìn)行低溫時效處理。焊接工藝參數(shù)如表1所示。采取兩種氣體保護(hù)方案，如表2所示。

表1 焊接工藝參數(shù)Tab.1Welding parameters

表2 焊接保護(hù)氣氛Tab.2Welding shielding atmosphere

補(bǔ)焊后將包含焊縫的試樣再次切割成小塊，鑲嵌成金相試樣并進(jìn)行一系列研磨、拋光、腐蝕之后，采用XJP-6A光學(xué)顯微鏡觀察合金的微觀組織變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 保護(hù)方式對焊縫形貌的影響

不同保護(hù)方式下補(bǔ)焊試件典型的宏觀形貌如圖2所示。

圖2 焊件背部形貌Fig.2Morphology of weld backside

可以看到焊接過程中無氬氣保護(hù)時，試樣背面氧化嚴(yán)重，呈現(xiàn)深藍(lán)色和灰色，焊縫中出現(xiàn)明顯的裂紋；當(dāng)焊接電流增大到70 A時，背部仍出現(xiàn)明顯的裂紋，裂紋數(shù)目增多，但背部顏色由深藍(lán)色變成淺藍(lán)色，這說明裂紋的產(chǎn)生除了與增加的熱輸

入量有關(guān)，也可能與焊縫背部的氧化有關(guān)。當(dāng)焊接過程中背部采用氬氣保護(hù)時，焊縫背部成形良好，氧化程度有了一定程度的降低，而表面開裂現(xiàn)象明顯消失，說明背部起保護(hù)一定程度上可以抑制熱裂紋的產(chǎn)生。

試驗中還發(fā)現(xiàn)，在采取背面保護(hù)時，沒有進(jìn)行焊前預(yù)熱的試樣背部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象（見圖3），這是因為過冷氣體加速試樣背部的冷卻，促使焊縫中形成一個較大的收縮應(yīng)力，加速晶界的開裂，增大了試樣背面開裂的傾向性。由此可見，在進(jìn)行K423焊接時，要想獲得良好的焊接接頭，除了補(bǔ)焊時需要加強(qiáng)雙面保護(hù)外，還需要對試樣進(jìn)行焊前預(yù)熱，用于降低背部焊縫的冷卻速率，進(jìn)而降低裂紋產(chǎn)生的敏感性。

圖3 焊前未預(yù)熱試樣Fig.3Specimen with no preheating before welding

2.2 焊接電流對焊縫形貌的影響

不同焊接電流下K423補(bǔ)焊件典型的宏觀形貌如圖4所示?？梢钥吹剑S著焊接電流的增大，焊縫的表面成形先變好再變差，存在一個臨界值。當(dāng)其他焊接參數(shù)一定時，焊接電流過小，熱輸入量偏小，單位時間內(nèi)熔化的焊絲有限，不能填滿整個焊縫，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)未填滿缺陷。焊接電流過大時，試樣的表面氧化比較嚴(yán)重，呈現(xiàn)深藍(lán)色，這是因為熱輸入量比較大，導(dǎo)致熔池的溫度過高，高溫停留時間加長。當(dāng)焊接電流為50 A時，焊縫表明呈現(xiàn)亮白色，說明焊縫成形較好。由此推知，合適的焊接工藝不僅可以改善焊縫表面成形，也能獲得良好的接頭質(zhì)量。

圖4 不同電流補(bǔ)焊試樣宏觀形貌Fig.4Morphology of repair welding parts with different currents

2.3 焊接電流對接頭顯微組織的影響

補(bǔ)焊件熱影響區(qū)的顯微組織如圖5所示。焊接電流偏小時，焊縫與母材之間形成一個良好的過渡區(qū)，熔合線附近的晶粒以胞狀樹枝晶向中心生長，并直至焊縫中心處，形成明顯的樹枝狀晶和等軸晶；焊接電流適中時，熔合線附近形成明顯的細(xì)晶區(qū)，焊縫中心為均勻細(xì)密的等軸晶；焊接電流偏大時，接頭的熱影響區(qū)形成部分細(xì)晶區(qū)，而近縫區(qū)組織以胞狀晶和樹枝晶向中心生長，并最終以均勻細(xì)密的等軸晶存在于焊縫中心。

在鎢極氬弧焊焊接過程中，熔合線附近母材的晶粒處于半熔化狀態(tài)，這些半熔化狀態(tài)的母材晶粒為即將凝固的新相晶核的形成提供基底，降低新相形核所需的形核功。當(dāng)焊接熔池冷卻凝固時，熔池中的液態(tài)金屬依附半熔化狀態(tài)的母材晶粒表面形核，并以柱狀晶形態(tài)向焊縫中心生長。如圖5所示，K423補(bǔ)焊接頭中的焊縫金屬在凝固結(jié)晶過程中與熔合線處的母材達(dá)到良好的共格界面，從而形成一個良好的過渡界面。

隨著新生晶核的形成，熔池中的液相以這些晶核為核心向焊縫中心生長。由于沿垂直于熔合線的方向上散熱速度最快，溫度梯度最大，所以熔合線附近的柱狀晶沿著該方向優(yōu)先長大。圖6a為明顯的胞狀樹枝晶形態(tài)。與圖6c相比，圖6b對應(yīng)的接頭溫度沒有那么高，從而使得在相同外部條件下其溫度梯度較低，出現(xiàn)以胞狀晶向等軸晶發(fā)展的結(jié)晶形態(tài)，

而沒有出現(xiàn)樹枝晶形態(tài)。另外，由圖6c可知，由熔合區(qū)向焊縫中心過渡的組織形態(tài)由樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，這是因為隨著焊縫金屬的不斷凝固，熔池溫度不斷降低，焊縫成分發(fā)生了偏析，一些低熔點(diǎn)元素和雜志元素被排擠到焊縫中心位置，達(dá)到合金的共晶溫度時析出細(xì)小的共晶組織。

圖5 補(bǔ)焊件熱影響區(qū)的顯微組織Fig.5Microstructure in the HAZ of repair welding parts

圖6 焊縫區(qū)顯微組織Fig.6Microstructure in the weld center

2.4 接頭顯微硬度及合格率

為了評估不同工藝條件下的接頭質(zhì)量，選用補(bǔ)焊接頭的合格率作為評估標(biāo)準(zhǔn)，測試結(jié)果如表3所示。由表3可知，采用30 A焊接電流時接頭的合格率最低，而50 A的補(bǔ)焊效果最好。

表3 不同焊接電流對應(yīng)的合格率Tab.3Qualified rates with different welding currents

為進(jìn)一步研究接頭的力學(xué)性能，對焊后合格與不合格接頭的顯微硬度進(jìn)行測試，結(jié)果如表4所示。由表4可知，合格試樣的焊縫硬度值都只有母材硬度值的52％，而不合格試樣在焊縫處的硬度值約為母材硬度值的71％。熱裂紋的產(chǎn)生除了受顯微組織影響外，還與合金的硬度值有關(guān)，合金的硬度值越低，其塑性越好，在焊接過程中可以通過塑性變形來抵消更大的收縮應(yīng)力，進(jìn)而降低高溫合金焊接過程中熱裂紋產(chǎn)生的敏感性。這是補(bǔ)焊合格試樣的焊縫硬度值低于補(bǔ)焊不合格試樣的焊縫硬度值的原因。

表4 顯微硬度Tab.4MicrohardnessHV

3 結(jié)論

（1）K423合金補(bǔ)焊時，焊接保護(hù)氣氛影響焊縫的背部成形，而背部開裂現(xiàn)象主要是由于焊縫的背面氧化引起的。焊件背部保護(hù)并進(jìn)行有效的預(yù)熱，可以有效抑制焊縫背部開裂。

（2）選擇50 A焊接電流來補(bǔ)焊K423合金可行，可以獲得組織細(xì)密的接頭，焊縫區(qū)以等軸晶為主，而且焊縫的顯微硬度較低，可以通過塑性變形來有效抑制熱裂紋的產(chǎn)生。

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GTAW repair welding technology of K423A superalloy parts

YIN Yi1，LI Shuitao1，YAN Jianwu1，SHUAI Xinguo1，2，LV Zhen1，2，ZHANG Chenshu1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China；2.China National South Aviation Industry Co.，Ltd.，Zhuzhou 412002，China）

GTAW repair welding of K423A superalloy was studied by changing the welding current，shielding atmosphere and so on. Weld microstructure and properties were also analyzed carefully by optical microscope and hardness tester.The results showed that it was feasible to prevent the crack of K423A superalloy by repair welding.Weld back forming was affected by its shielding method and weld back cracking resulted from the oxidation during welding.Weld back cracking could be prevented by back shielding and effective preheating.An appropriate welding current was used to obtain a desired joint and reduce the tendency of hot cracking in the welding process.

superalloy；repair welding；GTAW；cracking

TG457.19

A

1001－2303（2016）07－0124-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.29

2015-12-24；

2016-02-23

江西省科技廳科技項目（20142BBE50056）；江西省教育廳科技項目（KJLD14096）

尹懿（1973—），男，江西南昌人，講師，碩士，主要從事焊接自動化及教學(xué)方面的工作。