孔兆財 王 賀 鄒鶴飛 馬麗翠 張龍飛 高鳳林 徐宋娟
GH4169與電鑄鎳異種金屬焊接技術
孔兆財 王 賀 鄒鶴飛 馬麗翠 張龍飛 高鳳林 徐宋娟
(首都航天機械公司,北京100076)
針對電鑄鎳與GH4169(Fe-Ni-Cr高溫合金)異種材料的焊接問題,開展了電鑄鎳焊前狀態(tài)、焊絲材料和異種材料焊接工藝等相關研究?;诤暧^檢查、力學性能測試與微觀組織結果,提出了正式產品的焊接工藝及產品檢測方法,最終實現了產品的生產,并經過了試車與飛行考核。
高溫合金 電鑄鎳 異種金屬 焊接
GH4169合金是一種以體心立方的γ″和面心立方γ'沉淀強化的Fe-Ni-Cr高溫合金,具有強度高、抗氧化、抗輻射、較高的高溫強度等特點,在-253~700℃溫度范圍內具有良好的綜合力學性能,是現代航天、航空及核能等領域大量應用的關鍵材料[1-3]。但是,GH4169合金同樣具有硬度高、塑性韌性差的特點,其焊接難度較大,易產生焊接裂紋、應力集中及焊接變形等缺陷[4]。
電鑄鎳為一種純鎳電沉積而成的特種材料,不同于純鎳,其在400℃以上塑性突然下降,在500℃時,塑性幾乎下降至30%左右,且當溫度升高至700℃時,晶粒長大嚴重,晶界變寬,上述特性都給電鑄鎳的焊接帶來極為不利的影響[5]。
現某型號產品因制造工藝和材料強度的共同需求,涉及到GH4169與電鑄鎳兩種異性金屬的焊接,其焊接技術難度較大。由于電鑄鎳與GH4169的物性差異,焊接過程中易在電鑄鎳一側的近焊縫區(qū)產生大量裂紋,同時焊接熱輸入會導致整體焊接結構的強度有所下降[6]。目前,國內尚未有關于GH4169與電鑄鎳焊接技術的報道,文中開展了相關工藝試驗,以探索GH4169與電鑄鎳的焊接技術。
1.1 試驗材料
試驗中使用的電鑄鎳為板狀,厚度均為7 mm,化學成分見表1。焊接時電鑄鎳為兩種狀態(tài):第一種狀態(tài)為電鑄鎳焊前進行退火處理,即280℃保溫2 h;第二種狀態(tài)為電鑄鎳未進行退火處理。兩種狀態(tài)下,電鑄鎳的室溫抗拉強度分別為730 MPa和523 MPa。
試驗中使用的GH4169為固溶態(tài),板材厚度同為7 mm,化學成分見表2。GH4169的室溫抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別為1 275 MPa,1 030 MPa和12%。
試驗中選用的焊材為HGH830焊絲,直徑有兩種,分別為 1.2 mm 和 1.6 mm,其主要成分為 Ni,Ti,Mn,Si等,化學成分見表3。
表1 電鑄鎳的化學成分(質量分數,%)
表2 GH4169的化學成分(質量分數,%)
表3 HGH830的化學成分(質量分數,%)
1.2 試驗方法
焊接過程采用普通的手工氬弧焊,焊接設備為Miller350焊機。焊前對GH4169以及焊絲均進行酸洗處理,而對電鑄鎳采用酒精或汽油清洗。對GH4169與電鑄鎳均開V形坡口,鈍邊為0.5 mm,如圖1所示。鑒于板厚為7 mm,無法一次填充完畢,手工氬弧焊為多層焊接,焊接電流為110~130 A。
圖1 試樣坡口形式和尺寸
2.1宏觀檢查
首先,對試驗后的焊接接頭進行外觀檢查,結果顯示,接頭表面無氣孔、裂紋、焊瘤和未焊透等外觀缺陷,符合QJ1842—95Ⅰ級焊縫要求。
隨后,對焊接接頭按QJ1842—95Ⅰ級標準進行X射線檢查,結果顯示焊縫內部無裂紋、超標氣孔、未熔合等內部缺陷,符合Ⅰ級焊縫內部質量要求。
2.2 力學性能測試
將焊后的試件進行室溫下的拉伸性能試驗,兩種電鑄鎳狀態(tài)下分別進行3組試驗。
首先,對斷裂試樣進行宏觀斷口形貌觀察,結果如圖2所示,可以發(fā)現試件斷裂位置都在電鑄鎳一側的熱影響區(qū),并且均有明顯的變形縮頸,除拉斷位置外未發(fā)現裂紋或其他焊接缺陷。
圖2 拉斷試樣形貌
電鑄鎳與GH4169焊接接頭的拉伸性能,見表4,退火態(tài)與未退火態(tài)電鑄鎳焊接接頭的平均抗拉強度分別為335 MPa和400 MPa。對比焊接前電鑄鎳的力學性能可知,其強度已經明顯低于電鑄鎳原始狀態(tài)的性能。經過焊接后所有斷裂發(fā)生在電鑄鎳上,這說明焊接過程中由于熱輸入的原因,導致電鑄鎳本體力學性能惡化。
表4 電鑄鎳與GH4169焊接接頭的拉伸性能
2.3 微觀組織
圖3a為GH4169與電鑄鎳焊縫試件剖切后各區(qū)域的微觀組織,可見熔合區(qū)組織正常、無缺陷;如圖3b所示,熱影響區(qū)內并未發(fā)現裂紋。進一步對焊縫電鑄鎳一側進行組織觀察發(fā)現,遠離焊縫區(qū)域的母材晶粒細小,并存在少量長條晶粒,晶粒度約為10級,如圖3c所示;而受焊接熱輸入的影響,熱影響區(qū)晶粒發(fā)生明顯長大現象,晶粒度達到3~5級,如圖3d所示。
圖3 電鑄鎳與GH4169焊接接頭的顯微組織
由電鑄鎳一側熱影響區(qū)的金相組織可知,電鑄鎳組織對加熱溫度極其敏感。為探究電鑄鎳的熱敏感性,文中進行多種熱處理測試。
對電鑄鎳進行700℃,900℃,1 000℃,1 200℃熱處理。發(fā)現加熱至700℃晶粒就已經有長大現象;當溫度繼續(xù)升至900℃和1 000℃,晶粒長大明顯,但加熱后的金相組織中未發(fā)現裂紋;在1 200℃加熱后,電鑄鎳中出現了沿晶裂紋。
而文中試驗的電鑄鎳與GH4169對接接頭拉伸后并未在各區(qū)域發(fā)現焊接裂紋,同時斷裂僅發(fā)生在電鑄鎳一側的熱影響區(qū),這表明GH4169與電鑄鎳焊后焊縫的強度明顯降低主要是電鑄鎳自身特性所致。
2.4 正式產品的焊接
在前文的焊接工藝下,進行正式產品性能驗證。具體方法為通過設計強度增加裕度進行考核,其液壓試驗壓力為23 MPa,保持10 min后焊縫未出現滲漏;同時氣密試驗壓力為16 MPa,保持5 min后焊縫未出現泄露。
近年來該型號產品經過多次試車考核和飛行考核,均無異常,且試車考核后的焊縫外觀無損檢測并未出現異常。
通過對GH4169與兩種狀態(tài)電鑄鎳開展相關工藝試驗,選擇了合適的焊絲及焊接工藝參數,最終獲得了符合要求的焊接工藝,其型號產品也通過了熱試車考核和飛行考核。
[1] 周振豐,張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993.
[2] 明憲良,陳 靜,譚 華,等.激光修復GH4169高溫合金的持久斷裂機制研究[J].中國激光,2015,42(4):63-69.
[3] 李胡燕.GH4169鎳基高溫合金的組織和性能研究[D].上海:東華大學碩士學位論文,2014.
[4] 陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對策[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.
[5] 621所.航空材料焊接性能手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,1978.
[6] 鄧景云.電鑄鎳錳合金與不銹鋼焊接接頭力學性能的研究[J].宇航材料工藝,1991(1):46-50.
TG444+.2
2017-02-07
孔兆財,1978年出生,碩士,高級工程師。主要研究方向異種金屬焊接。