D6AC超高強(qiáng)度鋼的焊接工藝研究

劉春峰 胥藶桓 茍強(qiáng) 茍長平

【摘 ?要】分析D6AC超高強(qiáng)度鋼的材料焊接性，采用鎢極氬弧焊焊接方法，進(jìn)行D6AC焊接工藝試驗(yàn)研究，制定出合理可行的焊接工藝，并深入探索該材料在焊接過程中易于出現(xiàn)的焊接缺陷及控制措施。

【關(guān)鍵詞】D6AC;超高強(qiáng)度鋼;焊接裂紋;CrNiMoV系

隨著我國航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展，行業(yè)對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)件的綜合性能提出了越來越高的要求。特別是針對(duì)戰(zhàn)術(shù)武器導(dǎo)彈燃燒室殼體部件，強(qiáng)度級(jí)別超過1300Mpa的超高強(qiáng)度鋼在這一領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。而焊接，作為此類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的重要連接方法，焊接工序理所當(dāng)然成為了此類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中最為重要的工序之一。研究超高強(qiáng)度鋼的焊接工藝對(duì)于保障產(chǎn)品順利生產(chǎn)具有重要意義。本文以D6AC材料為例，對(duì)CrNiMoV系超高強(qiáng)度鋼的焊接工藝進(jìn)行了探索研究，僅供參考。

一、材料焊接性分析及焊接工藝設(shè)計(jì)

（一）材料化學(xué)成分及裂紋敏感性分析

D6AC鋼，國標(biāo)對(duì)應(yīng)鋼牌號(hào)為45CrNiMoVA，屬航空航天用中碳低合金鋼，焊前熱處理狀態(tài)為正火+回火。表1為D6AC鋼母材化學(xué)成分的化驗(yàn)數(shù)據(jù)。

采用碳當(dāng)量法，應(yīng)用常用的評(píng)估材料冷裂紋傾向的碳當(dāng)量公式計(jì)算得到Ce大于0.95%，遠(yuǎn)大于臨界值，因此，該材料具有明顯的冷裂紋傾向。焊接工藝應(yīng)考慮預(yù)熱、焊后去應(yīng)力退火以及填充材料對(duì)碳含量的稀釋等降低母材冷裂傾向的措施。

（二）焊接材料選擇

通過查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我們選擇了直徑1.6mm，牌號(hào)為H04SiMnCrNiMoVA（GJB3323-1996《航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用超高強(qiáng)度鋼焊絲規(guī)范》）的焊絲，其化學(xué)成分見表2。

（三）焊接坡口

根據(jù)殼體壁厚和已確定的焊接方法（自動(dòng)鎢極氬弧焊、單面焊雙面成型）及設(shè)備，焊接坡口主要基于以下方面考慮而設(shè)計(jì)：

1）坡口形式易于加工，因此采用最常用的帶鈍邊V型坡口;

2鈍邊大小適當(dāng)，太小對(duì)工件組隊(duì)不利，太大會(huì)導(dǎo)致焊透所需的電流增大，增大熱輸入，因此將鈍邊設(shè)計(jì)為0.5mm;

3坡口角度影響填充、焊縫熔合比，熔合比主要影響焊縫的力學(xué)性能，在保證熔合比適當(dāng)?shù)那疤嵯卤M量減小坡口角度以減少填充量。暫將坡口角度設(shè)計(jì)為60°，后以工藝試驗(yàn)驗(yàn)證其是否合理。

（四）TIG焊接電源極性設(shè)置

采用直流TIG焊進(jìn)行焊接，極性為直流正接。鎢極為含有w（ThO2）的釷鎢極，提高電弧穩(wěn)定性;鎢極端部磨成30°-60°的錐角，尖端磨出一個(gè)小平臺(tái)，可以提高鎢極的載流能力。

（五）焊接熔池的保護(hù)

焊接保護(hù)氣體為高純氬（Ar99.999%）），氣體流量為12-14L/min。焊接過程中保證提前供氣滯后停氣，以防止焊接過程結(jié)束而熔池金屬未完成冶金反應(yīng)，接觸空氣被氧化或與空氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，造成焊接接頭質(zhì)量劣化。

（六）預(yù)熱溫度及熱處理方式

采取焊前預(yù)熱是防止裂紋的重要措施。預(yù)熱溫度越高冷裂紋產(chǎn)生幾率越低，但過高溫度會(huì)導(dǎo)致焊縫熱輸入增加，造成焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大，影響接頭的綜合力學(xué)性能。通過冷裂紋敏感指數(shù)法和參考焊接手冊推薦的低合金鋼預(yù)熱溫度，將預(yù)熱溫度值確定為200-250℃。為了提高母材獲得馬氏體的能力，焊前安排對(duì)母材進(jìn)行一次球化退火，焊后立即進(jìn)行去應(yīng)力退火，再依次進(jìn)行正火、淬火、回火。

二、焊接工藝試驗(yàn)

采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行焊接工藝參數(shù)調(diào)試，分兩層施焊。接頭經(jīng)熱處理后，按QJ175-93標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀檢查、X光透照以及焊縫力學(xué)性能檢測。焊接過程中控制熱輸入在1-2KJ/mm，如公式（1）：

H=0.7×U×I/（1000V）， ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，H為焊接熔池有效熱輸入，KJ/mm;U為電弧電壓，V;I為焊接電流，A;V為焊接速度，mm/s，0.7為焊接設(shè)備工件側(cè)發(fā)熱量占總熱量比值。

試驗(yàn)用焊接工藝參數(shù)見表3，焊后外觀質(zhì)量、X光檢測結(jié)果及焊縫力學(xué)性能檢測結(jié)果見表4.表4中各試驗(yàn)參數(shù)于表3相對(duì)應(yīng)。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用1.5KJ/mm左右的焊接熱輸入時(shí)，能夠獲得合格的焊縫外觀。并且必須采用焊前預(yù)熱和焊后立即去應(yīng)力退火，否則焊縫易產(chǎn)生氣孔、裂紋缺陷。在采用第5組、第6組工藝參數(shù)均所獲得的焊縫接頭外觀、內(nèi)部質(zhì)量均合格，其抗拉強(qiáng)度都達(dá)到了1300Mpa以上，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過數(shù)據(jù)對(duì)比我們了解到，當(dāng)采用較大電流施焊時(shí)，盡管焊縫的強(qiáng)度略有提高，但焊縫的斷面延伸率比較低，塑韌性下降較多。因此，為了使接頭獲得更優(yōu)的綜合力學(xué)性能，采用第6組工藝參數(shù)更為合理。

三、結(jié)論

（1）由于D6AC超高強(qiáng)度鋼屬中碳調(diào)質(zhì)鋼，經(jīng)過理論計(jì)算，得知該鋼種具有很高的裂紋傾向。

（2）采用自動(dòng)鎢極氬弧焊焊接D6AC超高強(qiáng)度鋼時(shí)，采用合理的焊接工藝參數(shù)，特別是焊前預(yù)熱，焊后立即去應(yīng)力退火，可以有效的降低材料的裂紋傾向，獲得符合標(biāo)準(zhǔn)要求的焊縫接頭。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳世初.金屬可焊性試驗(yàn)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.1983：261-305

[2]周振豐，張文鉞.焊接冶金于金屬焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1994：202-203;298-300.

[3]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊：第3冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

（作者單位：四川航天長征裝備制造有限公司）