國外高硬度裝甲鋼焊接工藝進(jìn)展

羅 曄

(武鋼有限技術(shù)中心，湖北430080)

隨著全球氣候變暖和環(huán)境法規(guī)限制，運(yùn)輸車輛的輕量化也成為了開發(fā)的方向。制造企業(yè)都在試圖采用重量更輕、強(qiáng)度更高的材料，以期實(shí)現(xiàn)輕量化的效果。為了提升戰(zhàn)斗車輛的抗彈性能，目前主要采用了厚度較大的裝甲材料，盡管抗彈性能優(yōu)秀，但隨著戰(zhàn)斗車輛的重量增加，由于受到燃料效率、戰(zhàn)斗區(qū)域的移動(dòng)范圍及兵力運(yùn)輸?shù)纫蛩氐南拗?，其?zhàn)斗能力就會(huì)明顯下降。因此，為了確?？箯椥阅?，減小裝甲鋼材的厚度，業(yè)內(nèi)正在開展輕量化的研究。由于價(jià)格低廉，同時(shí)兼具理想的強(qiáng)度和焊接性，裝甲鋼材料已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，主要包括高硬度裝甲鋼HHA(High Hardness Armor)和軋制均質(zhì)裝甲鋼RHA(Rolled Homogeneous Armor)。高硬度裝甲鋼淬火后經(jīng)過熱處理，抗彈性能非常優(yōu)秀；軋制均質(zhì)裝甲鋼經(jīng)過空冷和軋制，硬度相對(duì)較低，但抗脆斷性能很高。與此同時(shí)，業(yè)界還在開發(fā)超高硬度裝甲鋼UHHA(Ultra High Hardness Armour)[1]。

戰(zhàn)斗車輛是裝甲鋼的結(jié)構(gòu)物，裝甲鋼的接頭部位采用焊接工藝制作而成。此前，主要采用手動(dòng)焊接方式制作而成，但隨著自動(dòng)化技術(shù)及機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，采用半自動(dòng)及自動(dòng)系統(tǒng)就可以快速完成。隨著裝甲鋼材料強(qiáng)度的提高，焊縫區(qū)氫脆和殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)裂紋，熱軟化則會(huì)造成硬度下降，這些缺陷的發(fā)生，迫切需要對(duì)現(xiàn)有焊接工藝進(jìn)行必要的改進(jìn)，同時(shí)開發(fā)新工藝。

1 高硬度裝甲鋼的開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 高硬度裝甲鋼的制造標(biāo)準(zhǔn)

目前各國裝甲鋼的制造標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，尚無國際通用標(biāo)準(zhǔn)。大部分國家主要采用了美國的裝甲鋼制造標(biāo)準(zhǔn)MIL-A-46100D，該軍標(biāo)于2008年起修訂為MIL-DTL-46100E，該標(biāo)準(zhǔn)要求裝甲鋼具有很高的硬度水平；另一制造標(biāo)準(zhǔn)是MIL-A-12560，要求軋制均質(zhì)裝甲鋼的硬度低于高硬度裝甲鋼，但可以避免脆性裂紋的材料破損，同時(shí)通過提升韌性和延性而改善焊接性，2009年起，該標(biāo)準(zhǔn)名稱由美國陸軍研究所正式修訂為MIL-DTL-12560J，同時(shí)，引進(jìn)了改進(jìn)的軋制均勻裝甲鋼IRHA(Improved Rolled Homogeneous Armor)。在改進(jìn)的軋制均勻裝甲鋼開發(fā)之前，美國主要采用了厚度不足1.5英寸(38.1 mm)的Mn-Mo-B合金和Ni-Cr-Mo合金[2]。

1.2 高硬度裝甲鋼的焊接性

如圖1所示，高硬度裝甲鋼可以分為焊縫區(qū)、母材和熱影響區(qū)HAZ(Heat Affected Zone)，熱影響區(qū)又可以分為再硬化熱影響區(qū)RH-HAZ(Rehardened Heat Affect Zone)、回火熱影響區(qū)T-HAZ(Tempered Heat Affect Zone)等區(qū)域。這些區(qū)域根據(jù)硬度的不同，再硬化后硬度變高的范圍命名為RH-HAZ，熱軟化后硬度降低的范圍命名為T-HAZ。圖2顯示了高硬度裝甲鋼焊縫區(qū)的硬度分布，特別是熱影響區(qū)的力學(xué)強(qiáng)度下降，很容易發(fā)生熱軟化及氫脆裂紋。這類現(xiàn)象的影響因素包括：高硬度和高強(qiáng)度鋼的特殊金屬組織，焊接熱源產(chǎn)生的殘余應(yīng)力程度及向熔融金屬內(nèi)擴(kuò)散的氫。

圖1 高硬度裝甲鋼的焊縫區(qū)域Figure 1 Weld area of high hardness armor steel

圖2 高硬度裝甲鋼的硬度分布
Figure 2 Hardness distribution of high hardness armor steel

表1 生產(chǎn)高硬度裝甲鋼的全球先進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品情況Table 1 Products situations in global advanced enterprise for high hardness armor steel

圖3 Y型坡口試樣的裂紋類型Figure 3 Type of cracks in Y-type groove specimens

1.3 高硬度裝甲鋼的應(yīng)用及制造企業(yè)

目前，瑞典、澳大利亞、美國和德國等國家都在開發(fā)和生產(chǎn)高硬度裝甲鋼，大部分是根據(jù)美國MIL標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造，主要生產(chǎn)和供應(yīng)硬度500HBW級(jí)的高硬度裝甲鋼，也有少部分可以生產(chǎn)600HBW級(jí)的超高硬度裝甲鋼。表1總結(jié)了高硬度裝甲鋼的生產(chǎn)國、制造企業(yè)以及種類。

2 高硬度裝甲鋼焊接工藝

2.1 電弧焊

1996年，學(xué)者Alkemade采用GMAW方法，并對(duì)預(yù)熱溫度和熱輸入量條件進(jìn)行改變，研究了三種焊接材料的硬度，并確認(rèn)其是否發(fā)生了裂紋[3]。焊接材料采用了鐵素體及奧氏體不銹鋼，以及Duplex奧氏體/鐵素體不銹鋼。焊接材料的抗拉強(qiáng)度小于母材。試樣采用了509～568HV級(jí)的高硬度裝甲鋼，制作出斜Y型坡口試樣，研究預(yù)熱溫度0～150℃，熱輸入量0.5 kJ/mm～1.4 kJ/mm時(shí)，是否發(fā)生裂紋。只有在熱輸入量1.0 kJ/mm～1.4 kJ/mm，預(yù)熱溫度50～75℃時(shí)，沒有出現(xiàn)裂紋。在焊縫區(qū)中心部位出現(xiàn)裂紋時(shí)，從焊縫區(qū)根部開始，沿著焊縫區(qū)邊界向焊縫區(qū)焊趾擴(kuò)展。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以確認(rèn)三種焊接材料試樣中，在熱軟化作用下硬度顯著下降的部分。采用奧氏體不銹鋼材料的焊縫區(qū)中，可以確認(rèn)其硬度最低。圖3顯示了焊縫區(qū)中心部位和沿著焊縫區(qū)邊界線產(chǎn)生的裂紋。

2008年Magudeeswaran等學(xué)者采用了遮護(hù)金屬棒電弧焊SMAW(Shield Metal Arc Welding)和藥芯焊絲電弧焊FCAW(Flux Cored Arc Welding)等方法，同時(shí)運(yùn)用了奧氏體不銹鋼焊接材料和低氫鐵素體焊接材料，確認(rèn)了高硬度裝甲鋼中的氫擴(kuò)散程度、抗拉強(qiáng)度、韌性及疲勞強(qiáng)度，并對(duì)高硬度裝甲鋼焊縫區(qū)的焊接性進(jìn)行檢查[4]。氫擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果顯示，與低氫鐵素體焊接材料相比，奧氏體不銹鋼焊接材料在焊縫區(qū)的氫飽和程度更低，而且與SMAW相比，F(xiàn)CAW對(duì)氫擴(kuò)散的抵抗能力更高一些?？估瓘?qiáng)度及沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用低氫鐵素體焊接材料，焊縫區(qū)的抗拉強(qiáng)度較高，拉伸性能優(yōu)秀，這是因?yàn)榇嬖阼F素體，同時(shí)粗晶HAZ(CGHAZ)的軟化程度較低。在沖擊性能方面，由于鎳含量較高，同時(shí)含有大量的奧氏體相，使用奧氏體不銹鋼焊接材料的焊縫區(qū)性能更好。與FCAW相比，SMAW的抗拉強(qiáng)度和沖擊性能更高；在疲勞性能方面，低氫鐵素體焊接材料的耐疲勞性更高，與FCAW相比，SMAW的疲勞壽命更長。

與采用SMAW的試樣相比，采用FCAW工藝的金相組織中形成了粗大的δ鐵素體。采用低氫鐵素體焊接材料時(shí)，生成了針狀鐵素體和多邊形鐵素體的金相組織。整體而言，與FCAW相比，運(yùn)用SMAW工藝的試樣的金相組織尺寸更為細(xì)微，力學(xué)性能更好。

2.2 激光焊接

激光焊接可以實(shí)現(xiàn)較窄的HAZ部位和較深的焊透層，從而形成質(zhì)量較高的焊縫區(qū)，因而用于高硬度輕量化材料的焊接。與電弧焊相比，有關(guān)裝甲鋼激光焊接的研究并不多。1998年Basset等人采用激光焊接技術(shù)，確認(rèn)兩種高硬度裝甲鋼是否可以進(jìn)行對(duì)接焊，利用10 kW CO2激光，根據(jù)焊接條件和焊接材料的不同，對(duì)焊接性進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。分別選定了一種鐵素體實(shí)芯焊絲、兩種鐵素體藥芯焊絲、兩種奧氏體藥芯焊絲、兩種奧氏體金屬芯焊絲等作為焊接材料，在不同的激光功率、焊接速度、焊接材料直徑和焊接材料供應(yīng)速度下，評(píng)價(jià)沖擊性能和抗彈性能。

圖4 不同焊接材料形成的焊縫
Figure 4 Welds formed by different welding materials

圖5 激光電弧混合焊接工藝及焊縫
Figure 5 Laser arc hybrid welding technology and welds

圖4顯示的是不同焊接材料生成的焊縫，肉眼檢查可以確認(rèn)，采用藥芯焊絲的焊縫區(qū)在焊縫表面和內(nèi)部出現(xiàn)了裂紋缺陷?？箯椩囼?yàn)采用了0.3英寸(7.6 mm)的APM2子彈，彈道極限速度目標(biāo)值V50，對(duì)焊縫區(qū)、HAZ和母材區(qū)域的抗彈性能進(jìn)行確認(rèn)。整體試樣中并未發(fā)生貫穿，僅僅留下了彈痕。而且采用自熔焊縫區(qū)和實(shí)芯焊絲時(shí)，確認(rèn)焊縫區(qū)具有最高的V50值。

2.3 摩擦攪拌焊接

摩擦攪拌焊接工藝是將高速旋轉(zhuǎn)的非消耗性工具插入到被接合的材料中，利用工具與被接合材料之間的摩擦生熱，從而進(jìn)行接合的方法。1991年由英國焊接研究所(The Welding Institute)開發(fā)。摩擦攪拌焊接工藝中沒有發(fā)生熔化和凝固的過程，作為一種固相焊接工藝，不僅焊縫區(qū)的力學(xué)性能優(yōu)秀，而且可以獲得完整的焊縫區(qū)，焊接金屬材料可以顯示出優(yōu)秀的焊接性能[6]。

2016年El-batahgy等人研究摩擦攪拌焊接是否可用于541HV級(jí)裝甲鋼，在工具旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和外加壓力等不同參數(shù)下分析了力學(xué)性能和金相組織。在A1臨界點(diǎn)溫度723℃，焊接速度600 mm/min，工具旋轉(zhuǎn)速度600 r/min，采用碳化鎢工具時(shí)，可以得到較高的完整性和完全的焊透層。攪拌區(qū)域最高的平均硬度為575HV，HAZ部位最低的平均硬度為325HV。HAZ部位形成了過熱的粗大馬氏體組織，攪拌區(qū)域在塑性變形和較高的冷卻速率下出現(xiàn)了細(xì)微的馬氏體組織。從抗拉強(qiáng)度來看，母材的硬度為541HV，焊縫區(qū)硬度為575HV，但拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，焊縫區(qū)僅為母材的75%，HAZ沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示，母材和焊縫區(qū)的沖擊性能相似[7]。

2.4 激光電弧混合焊接

激光電弧混合焊接是同時(shí)采用激光熱源和電弧熱源，從而形成焊縫區(qū)的焊接方法，可以兼具激光焊接和電弧焊接的優(yōu)點(diǎn)。首先采用能量密度較高的激光熱源，形成鎖孔之后，再采用電弧熱源將焊絲熔化，從而填滿鎖孔。這種激光電弧混合焊接可以最大化地減少裝甲鋼焊縫區(qū)產(chǎn)生的缺陷。圖5顯示了激光電弧混合焊接的焊縫區(qū)和工藝簡圖[8]。

Atabaki等人利用激光電弧混合焊接工藝，對(duì)焊接速度、GMAW焊接炬和激光間距等進(jìn)行了優(yōu)化。分別對(duì)對(duì)接接頭和角接接頭進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)接接頭的焊接速度為35 mm/s，GMAW焊接炬和激光間距3 mm時(shí)，可以得到最高的焊縫完整性。而且為了減小電弧電壓，減少了咬邊(Undercut)。角接接頭中采用了較高的焊接速度，產(chǎn)生了大量的氣孔，將焊接速度降至10 mm/s，氣孔顯著減少。與對(duì)接接頭相同，角接接頭的GMAW焊接炬和激光間距3 mm時(shí)，可以得到最佳的焊縫完整性[9]。Sowards等人采用激光電弧混合焊接時(shí)，從變形積累的角度對(duì)熱軟化HAZ部位的斷裂機(jī)理進(jìn)行了說明，并通過中子布拉格邊緣成像方法確認(rèn)熱軟化HAZ部位的變形積累[10]。

2.5 其他焊接工藝

高硬度裝甲鋼在焊接時(shí)產(chǎn)生的HAZ缺陷在車輛輕量化的高強(qiáng)鋼焊縫區(qū)也會(huì)出現(xiàn)。為了減少這些缺陷，需要進(jìn)行充分的預(yù)熱，同時(shí)盡可能減小HAZ的尺寸，主要采用了低熱輸入量或者混合焊接工藝技術(shù)[11-13]。

首先就是冷金屬過渡方法CMT(Cold Metal Transfer)，可以稱其為低熱輸入的電弧焊接工藝，可以最大程度減少HAZ缺陷。CMT工藝是為了在現(xiàn)有的電弧焊接工藝中控制熱輸入量，采用了脈沖電流，通過對(duì)焊絲進(jìn)行機(jī)械控制，從而將熱輸入量降至最小的焊接方法[14]。機(jī)械控制方法是感知到熔化的焊絲脫落時(shí)，利用焊絲的后退，從而將熱輸入量和飛濺降至最小。在脫落狀態(tài)下，要想完全控制熱輸入量并非易事，采用機(jī)械方法則可以很好地限制電力輸入，從而控制熱輸入量，提升接合部位的力學(xué)性能，而且可以將HAZ減至最小。而且再次出現(xiàn)電弧時(shí)，可以將飛濺減至最少。其二則是感應(yīng)電弧混合焊接方法。同時(shí)采用了感應(yīng)加熱和電弧焊接，感應(yīng)加熱采用了單一的設(shè)備結(jié)構(gòu)，初期投資費(fèi)用低，便于攜帶，在安裝和焊接場地上不受限制，而且通過合適的控制手段，就可以在焊縫區(qū)表面上限制加熱部位，從而將HAZ最小化，由于不受到焊接姿勢(shì)的影響，可以采用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化焊接。借助感應(yīng)加熱，進(jìn)行預(yù)熱操作的同時(shí)，可以節(jié)省高硬度裝甲鋼的焊接工藝費(fèi)用，而且通過余熱可以將殘余應(yīng)力降至最小，有望釋放出氫[15]。

3 結(jié)語

綜上所述，高硬度裝甲鋼的焊縫區(qū)硬度越高，力學(xué)性能和抗彈性能也越優(yōu)秀。為了提升裝甲鋼的抗彈性，有必要對(duì)低熱輸入焊接工藝進(jìn)行研究，從而防止焊縫區(qū)的硬度軟化。為此，應(yīng)該對(duì)不同的熱源進(jìn)行探討，并評(píng)價(jià)焊接性能。另外，對(duì)于CMT焊接、混合焊接、摩擦攪拌焊接等工藝在高硬度裝甲鋼上的應(yīng)用還需進(jìn)行更為深入的研究。