超高強度300M鋼電子束深縫焊接力學性能及破壞機理研究

劉星，劉斌，盧智先，趙桐

(1.西安航空學院 飛行器學院，西安 710077)(2.西北工業(yè)大學 航空學院，西安 710072)(3.北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術(shù)重點實驗室，北京 100024)

0 引 言

300M合金鋼(40CrNi2Si2MoVA)[1]是在4340鋼基礎(chǔ)上改進得到的超高強度鋼[2]。該材料采用精細的熱處理工藝，然后在500 K進行低溫回火制備得到，抗拉強度和彈性模量分別為2 000 MPa 和205 GPa，具有較高的強度、韌性、塑性和疲勞性能。由于300M鋼優(yōu)異的力學性能，在航空航天中廣泛用作較大尺寸結(jié)構(gòu)材料，例如飛機起落架材料、超高強度螺栓、耳片和火箭發(fā)動機殼體[3-4]。

目前300M鋼材料制成的較大尺寸的結(jié)構(gòu)件(例如飛機起落架)，都是在鍛造毛坯上進行數(shù)控加工，其缺點為較浪費材料、利用率低，以及毛坯鍛造纖維流線部分切斷，深孔加工難度大、需要大型的鍛壓設備使得成本較高。因此，國內(nèi)外對該材料的電子束焊接(Electron Beam Welding，簡稱EBW)工藝進行了較多研究。真空電子束焊接由高電壓加速裝置形成的高能電子束流通過磁透鏡匯聚，得到很小的焦點，能量密度可達106～109W/cm2，轟擊真空中零件可使電子束的動能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽率菇饘偃刍M而完成焊接。電子束焊接具有以下優(yōu)點：電子束穿透能力強，焊縫深寬比大(可達50∶1)，焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接變形小，真空環(huán)境避免了外來夾雜物引入，有利于提高焊縫質(zhì)量，焊接可達性好，電子束易受控。隨著電子束焊接工藝的發(fā)展，300M鋼電子束焊接工藝已逐漸應用于工業(yè)，例如國內(nèi)某型飛機起落架外筒及連桿已成功應用300M鋼的電子束焊接工藝[4]。

近年來，國內(nèi)外研究人員對300M鋼的切削加工[5]、壓力加工[6-7]、表面完整性對疲勞性能的影響[8]等方面做了大量的研究。國外，O. R.Ritchie[9]分析了300M超高強度鋼疲勞裂紋擴展閥值處的附近微觀組織；H.S.Sung等[10]和T.E.Pistochini等[11]分別從不同角度研究了300M剛的疲勞性能。國內(nèi)，李瑞鴻等[12]也分別從不同角度研究了300M剛的疲勞性能；張國棟等[13]先后對300M鋼的電子束焊接熱處理工藝及高周疲勞斷裂機制進行了研究，但焊接深度僅為16 mm；吳攀等[14]對電子束預熱與焊接復合工藝的300M鋼焊接接頭進行了殘余應力測試，焊縫深度5 mm，發(fā)現(xiàn)殘余應力分布具有一定的規(guī)律；郭光耀等[15]采用增加掃描波形的焊接方法對適用于管材的10 mm厚度的300M鋼板材進行了工藝研究。但是對300M鋼電子束焊接的力學性能及破壞機理研究較少，且所涉及的焊接技術(shù)的焊縫深度較淺、焊縫質(zhì)量及焊接工藝仍需提高。

本文以深焊縫(50 mm)的300M鋼電子束焊接件為研究對象，研究其靜力拉伸強度、三點彎曲及動態(tài)Charpy沖擊的各項力學性能，并通過斷口分析尋找該類改良工藝的優(yōu)缺點用以指導工藝的進一步改進。

1 試樣制備及試驗方法

通過調(diào)整焊接電壓、電流、聚焦電流以及焊接速度等，完成焊接，焊接工藝示意如圖1所示。焊接母材為兩個50 mm厚度的300M鋼板材，并進行一次性電子束焊接成形，焊縫寬度5～8 mm。300M鋼材料的元素成分如表1所示。電子束焊接后進行熱處理：正火、油淬及回火。制備好的焊接試樣毛坯進行X光探傷，取合格的試樣進行機械加工。機械加工為棒材(拉伸試樣)、板材(三點彎曲試樣)、帶缺口柱形(Charpy沖擊試樣)。

(a) 電子束

(b) 焊接接頭成形過程

元 素質(zhì)量分數(shù)/%元 素質(zhì)量分數(shù)/%C0.4Cr0.84Mn0.75Mo0.41Si1.58V0.082S0.001Cu0.12P0.005Fe剩余Ni1.84

依據(jù)HB/Z315-1998《高溫合金、不銹鋼真空電子束焊接工藝》和HB7608-1998《高溫合金、不銹鋼真空電子束焊接質(zhì)量檢驗》進行工藝指導及焊接質(zhì)量檢驗。對檢驗合格的試樣分別進行靜力拉伸、三點彎曲及動態(tài)Charpy沖擊試驗，試驗及試件情況如表2所示。靜力拉伸試件為中間細(5 mm等徑)兩頭粗(帶螺紋、直徑8 mm)的棒材；三點彎曲試件為300 mm×40 mm×14.5 mm跨距140 mm的板材；Charpy沖擊試件為50 mm×10 mm×10 mm規(guī)格的帶V形缺口的柱形。在所有完成的試驗中選出典型試樣進行斷口宏觀與微觀分析，斷口形貌觀察采用場發(fā)射掃描電鏡(SEM)。

表2 試驗及試件情況

2 拉伸試驗

試樣經(jīng)電子束焊接后，根據(jù)組織特點，分為母材區(qū)、焊縫區(qū)和熱影響區(qū)三部分。從母材向焊縫中心移動，峰值溫度升高，原始奧氏體晶界變大，冷卻下來從細小板條馬氏體變成粗大板條馬氏體。從母材到熱影響區(qū)，逐漸受到焊接熱循環(huán)，珠光體組織減少直至消失；從焊縫至熱影響區(qū)，呈粗大板條馬氏體到細小板條馬氏體過渡[16-17]。

焊后經(jīng)熱處理工藝后，并沒有消除焊縫中粗大柱狀晶組織，但是正火油淬工藝使柱狀晶輪廓及焊縫與熱影響區(qū)的分界變得模糊[13,17]。熱處理后試樣接頭母材區(qū)、焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的組織均為殘余奧氏體+回火馬氏體+ε碳化物，組織相差不大，故其拉伸性能相近；區(qū)別在于焊縫區(qū)和熱影響區(qū)材料經(jīng)歷了焊接熱循環(huán)，奧氏體穩(wěn)定性提高，這一點在硬度上有所體現(xiàn)，即焊縫及熱影響區(qū)的硬度大于母材區(qū)[16-17]。

在拉伸試驗中(試驗設備如圖2所示)，試樣多數(shù)在母材處斷裂。這是因為試樣經(jīng)熱處理后，焊縫部位回火馬氏體板條尺寸略大于母材部位，板條強化效果較大，故斷裂位置多數(shù)為母材，少數(shù)為焊縫或熱影響區(qū)。說明多數(shù)電子束焊接件焊接區(qū)域的強度是高于母材的。母材與焊接件拉伸性能的平均值如表3所示。

圖2 拉伸試驗設備

編號及材料/數(shù)量彈性模量/GPa屈服強度/MPa(0.2%)抗拉強度/MPa延伸率/%母材/3206.7781 650.4312 035.88910.451#焊接件/5198.9531 575.0081 949.1499.582#焊接件/5208.0211 600.0351 964.4177.043#焊接件/5205.7201 632.5081 912.32311.49

將試驗中發(fā)現(xiàn)的在焊接區(qū)域斷裂的應力-應變曲線進行對比，如圖3所示。

圖3 母材與焊接件應力-應變曲線

從圖3可以看出：母材與焊接件都出現(xiàn)明顯的拉伸塑性段，二者的剛度和強度相差不大，但是焊接件的斷裂應變較母材小，表明少數(shù)焊接件焊縫的韌性相對母材而言較差。

將母材斷口和焊縫斷口在場發(fā)射掃面電鏡下進行觀察分析，母材宏觀斷口和中心點處500X斷口形貌如圖4所示，焊縫處斷裂試樣的宏觀斷口和中心點處500X斷口形貌如圖5所示。焊縫處斷裂的典型試樣共5件，通過對比其中一個試樣的斷口與母材形貌發(fā)現(xiàn)：無論母材還是焊縫的斷口，其都表現(xiàn)為標準的中心圓形塑性區(qū)及周圍環(huán)形瞬斷區(qū)的特點。

(a) 斷口宏觀形貌

(b) 斷口中心位置微觀圖

(a) 斷口宏觀形貌

(b) 斷口中心位置微觀圖

從圖4可以看出：母材的塑性區(qū)材料均勻、韌窩明顯且均勻分布，而焊縫斷口塑性區(qū)可以發(fā)現(xiàn)未完全熔融的區(qū)域，該區(qū)域無明顯的韌窩出現(xiàn)，說明其不是塑性斷裂，這可能是導致焊縫提前于母材破壞的原因。

此外，沿電子束焊接方向不同深度，即深焊縫上中下部位的組織也略有差異，焊縫中部馬氏體位向差異較小，組織比較均勻，這可能是由于上部和下部與外界接觸面積大，熱量易散失，高溫停留時間短所致[16-17]。為此，本文將焊縫上層與下層制成的試樣進行拉伸試驗。部分試驗結(jié)果如表4所示，深焊縫的上層區(qū)域(淺焊縫)與下層區(qū)域(深焊縫)的各項力學性能相差不大，抗拉強度在1955～1965 MPa上下略微浮動，即沿電子束焊接方向不同深度的焊縫拉伸性能上基本無差別。但深焊縫有利于焊接大尺寸或大厚度構(gòu)件，例如飛機起落架。

表4 焊縫上層、下層拉伸性能對比

3 彎曲試驗

為了測試電子束深縫焊接的彎曲性能，本文進行三點彎曲試驗，試驗設備如圖6所示。分別將焊接件(6批試樣每批5件)與母材(3件)進行對比試驗。焊接件與母材彎曲性能對比的破壞強度、彎曲強度及位移平均值如表5所示，可以看出：焊接件的破壞載荷和彎曲強度略低于母材，但是彎曲破壞的位移較母材小，這說明焊接件的延性較差。

圖6 彎曲試驗設備

編號與材料/數(shù)量破壞載荷/kN彎曲強度/MPa位移/mm母材/3177.5284125.34420.9421#焊接件/5162.4503826.20913.1632#焊接件/5166.9333942.06115.1583#焊接件/5162.8253799.86812.9724#焊接件/5167.8803915.85716.2305#焊接件/5165.6963834.17614.4466#焊接件/5166.6813858.03714.815

三點彎兩端支點跨度140 mm，壓頭位于中心位置。焊接件彎曲斷口宏觀形貌如圖7所示，其中上部為彎曲時壓頭接觸位置，因此上半部分受壓，下半部分受拉。在圖中標注出典型的A、B、C三個區(qū)域，A區(qū)域為彎曲破壞起始位置，然后沿45°方向向兩邊擴展，最后直至完全斷裂破壞。將A、B、C三個區(qū)域分別在場發(fā)射掃描電鏡下進行觀察，如圖8～圖10所示。試樣斷口均位于試樣長度中心處，斷口形狀為圓弧形。焊接件的彎曲強度較母材的彎曲強度略低，破壞時的試件彎曲變形較母材也有所下降。焊接件大部分強度較母材降低不多，少量焊接件斷口表面有毛刺不平整。

圖7 焊接件彎曲斷口宏觀形貌

(a) 母 材

(b) 焊接件

(a) 母 材

(b) 焊接件

(a) 母 材

(b) 焊接件

4 Charpy沖擊試驗

為了驗證電子束焊接深焊縫工藝的斷裂性能，對焊接件(3批共18件)和母材(3件)進行擺錘沖擊試驗[18-19]，其吸收能量和斷裂韌性如表6所示。

表6 母材與焊接件均值比較(平均值)

從表6可以看出：焊接件第1批和第2批吸收能量與斷裂韌性低于母材約30%，而第3批與母材相當；但總體而言，焊接件吸收能量與斷裂韌性均低于母材。

試樣V形缺口及沖擊點的位置圖如圖11所示。對沖擊后試樣斷面進行SEM斷口分析，從宏觀斷口可以看出：斷面呈放射狀，中心處于缺口邊中心處，母材的放射條帶較為明顯(如圖12所示)，焊接件(如圖13所示)這種現(xiàn)象不是特別明顯。從局部放大圖可以看出：母材的韌窩較為明顯，分布均勻且密；焊接件也有韌窩，但是韌窩淺且不明顯，分布不均勻。

圖11 試樣V形缺口及試樣沖擊位置

(a) 斷口中心位置

(b) 斷口邊緣位置

(a) 斷口中心位置

(b) 斷口邊緣位置

5 結(jié) 論

(1) 在靜力拉伸試驗中，50 mm深焊縫電子束焊接件的韌性及塑性均低于母材。母材的塑性區(qū)材料均勻、韌窩明顯且均勻分布，但是焊接件的斷裂應變較母材小，焊接件焊縫的韌性略低于母材。母材與焊接件都出現(xiàn)明顯的拉伸塑性段，二者的剛度和強度相差不大；且沿電子束焊接方向不同深度的焊縫拉伸性能上基本無差別。

(2) 在三點彎曲試驗中，焊接件的破壞載荷和彎曲強度略低于母材，但是彎曲破壞的位移較母材小，破壞時的試件彎曲變形較母材也有所下降，這說明焊接件的延性較差。

(3) 在沖擊試驗中焊接件吸收能量與斷裂韌性均低于母材，母材的韌窩較為明顯，分布均勻且密；焊接件也有韌窩，但是韌窩淺且不明顯，分布不均勻，沖擊韌度降低。

總之，經(jīng)過以上三項力學試驗分析，50 mm深焊縫電子束焊接的超高強度300M鋼各項力學性能較母材均有所下降。焊縫處均有較多粗大柱狀晶組織，且各項試驗均在焊縫粗大柱狀晶處發(fā)生破壞。因此，對于這類深焊縫的電子束焊接工藝，應加大研究力度，采用合理的焊接和焊后熱處理工藝逐漸減少甚至消除焊縫粗大柱狀晶組織，從而改善焊接件的力學性能，增強焊接件的可靠性，提高其使用壽命。