激光清洗對(duì)30Cr3超高強(qiáng)度鋼表面及焊接質(zhì)量的影響

夏靈，劉景濤，潘麗華，單秀峰

(上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201108)

0 前言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用超高強(qiáng)度鋼30Cr3材料制成，通過(guò)電子束焊焊接成形，殼體作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的承壓部分，對(duì)于其連接處的焊縫有著嚴(yán)格的力學(xué)性能要求，因此控制焊接質(zhì)量是火箭固體發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中的關(guān)鍵過(guò)程之一。殼體在組焊前要經(jīng)過(guò)多道工序的加工，造成待焊表面存在氧化層、雜質(zhì)和油污等，對(duì)焊接質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生較大影響。目前，采取手工機(jī)械打磨的方式清理待焊表面，存在打磨程度不一、效率低下、打磨清洗不干凈等問(wèn)題，影響焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

激光清洗是基于激光與物質(zhì)相互作用發(fā)展而來(lái)的一種新型綠色清洗技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦清洗、化學(xué)腐蝕清洗和高頻超聲清洗等傳統(tǒng)的清洗方式，其具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：綠色環(huán)保，降低環(huán)境污染、非接觸式清洗，對(duì)基體損傷小、具有較高靈活性，易于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性和自動(dòng)化、清洗質(zhì)量好和清洗效率高等[1-4]。近年來(lái)，隨著激光器的高速發(fā)展，學(xué)者們對(duì)激光清洗機(jī)理的研究不斷深入，企業(yè)對(duì)表面質(zhì)量的檢測(cè)和要求不斷提高，促使激光清洗在工業(yè)領(lǐng)域的大量應(yīng)用。激光清洗技術(shù)已能可靠地清洗大量不同的基材表面，清洗對(duì)象包括鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃和復(fù)合材料等，應(yīng)用行業(yè)覆蓋航天、航空、船舶、高鐵、汽車(chē)、模具、核電和海洋等領(lǐng)域[5-8]。

文中采用激光清洗技術(shù)對(duì)30Cr3超高強(qiáng)度鋼殼體待焊表面進(jìn)行清洗，分析了激光清洗前后，超高強(qiáng)度鋼表面形貌特征及成分組成，并對(duì)清洗后的30Cr3超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行真空電子束焊接，通過(guò)研究焊縫內(nèi)外部質(zhì)量、力學(xué)性能等，分析焊前激光清洗預(yù)處理對(duì)30Cr3超高強(qiáng)度鋼焊接性能及焊縫質(zhì)量的影響。

1 激光清洗及焊接試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

文中試驗(yàn)采用直徑為340 mm，壁厚為2.25 mm，長(zhǎng)度為80 mm的薄壁殼體作為激光清洗和焊接對(duì)象，試驗(yàn)件的材料為30Cr3超高強(qiáng)度鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1[9]。

表1 30Cr3超高強(qiáng)度鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

該試驗(yàn)采用IPG納秒高脈沖激光器，輸出波長(zhǎng)1 064 nm，平均功率200 W，脈寬60 nm，最大掃描速度10 000 mm/s，最大脈沖頻率50 kHz，激光通過(guò)光纖傳輸，輸出端為點(diǎn)光斑，聚焦后點(diǎn)光斑通過(guò)振鏡快速掃描成線(xiàn)光斑。焊接試驗(yàn)采用EBW210015-150CNC真空電子束焊機(jī)，最大加速電壓150 kV，最大電子束流100 mA，最大功率15 kW。

1.2 試驗(yàn)方法

采用表2的激光清洗參數(shù)對(duì)30Cr3超高強(qiáng)度鋼殼體表面進(jìn)行清洗，激光清洗預(yù)處理后，通過(guò)FEI NOVA 450掃描電子顯微鏡對(duì)清洗前后的表面形貌進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)對(duì)清洗前后的表面成分進(jìn)行檢測(cè)。

表2 激光清洗工藝參數(shù)

將一對(duì)30Cr3超高強(qiáng)度鋼殼體試驗(yàn)件的待焊表面進(jìn)行激光清洗，待焊表面為對(duì)接面及臨近表面，如圖1所示。將經(jīng)激光清洗預(yù)處理后的試驗(yàn)件裝配到位，采用表3的工藝參數(shù)進(jìn)行電子束焊接，焊接完后通過(guò)X射線(xiàn)對(duì)焊縫內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，隨后將焊縫切割成標(biāo)準(zhǔn)試樣和拉伸試片進(jìn)行分析和測(cè)試。

圖1 激光清洗后焊接試驗(yàn)件表面

表3 真空電子束焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光清洗前后表面形貌分析

圖2分別是激光清洗前后30Cr3超高強(qiáng)度鋼殼體表面外觀對(duì)比，經(jīng)激光清洗后，殼體表面氧化層被去除，露出金屬光澤，目視表面更加光滑平整。

圖2 激光清洗前后30Cr3超高強(qiáng)度鋼殼體表面外觀

采用千分尺對(duì)殼體的壁厚進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，分別對(duì)比測(cè)量位置處經(jīng)激光清洗前后的壁厚差，得出30Cr3超高強(qiáng)度鋼殼體經(jīng)激光清洗后的平均減薄量在0.02 mm之內(nèi)。

圖3分別是激光清洗前后30Cr3超高強(qiáng)度鋼殼體表面氧化層的形貌，由圖3a可知旋壓后的薄壁殼體經(jīng)熱處理后，其殼體表面會(huì)形成一層氧化層。表面氧化層疏松多孔，粗糙不平，形成大量凹凸不平的小坑，氧化層附著在旋壓紋路表面，呈現(xiàn)粗細(xì)不均的波紋狀分布。由圖3b可知，經(jīng)激光清洗后的超高強(qiáng)度鋼表面由粗糙變的光滑，氧化物形成的疏松小坑基本清除干凈，旋壓紋路依舊存在但相比清洗前，表面更加平整。

圖3 激光清洗前后30Cr3超高強(qiáng)度鋼殼體表面顯微形貌

2.2 激光清洗前后表面成分分析

表4為激光清洗前后30Cr3超高強(qiáng)度鋼殼體表面主要元素含量的對(duì)比，可以看出原始?xì)んw表面O元素含量較高，F(xiàn)e元素含量較低，這表明原始?xì)んw表面存在氧化層，O元素含量的增加，導(dǎo)致Fe元素含量的降低。經(jīng)過(guò)激光清洗之后，30Cr3超高強(qiáng)度鋼殼體表面元素含量發(fā)生了明顯的變化，O元素含量下降明顯且含量較少，F(xiàn)e元素含量明顯上升，這表明超高強(qiáng)度鋼殼體表面的氧化層被基本清除干凈，殘存少量氧化物，可優(yōu)化清洗參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

表4 激光清洗前后表面元素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖4是激光清洗前后超高強(qiáng)度鋼殼體表面元素組成及相對(duì)含量的變化對(duì)比，從圖中可以直觀看出，激光清洗前后超高強(qiáng)度鋼表面由Fe，C，O，Mn，Si，Cr元素組成，而Mn，Si，Cr，C是材料本身所含的微量元素，其含量在激光清洗前后并沒(méi)有產(chǎn)生較大的變化。而激光清洗后C元素的含量有所增加，主要是激光清洗頭未安裝吸塵器，導(dǎo)致清洗后的污染物漂浮在空氣中，部分污染碳被吸附在了清洗后的表面所導(dǎo)致的。

圖4 激光清洗前后表面元素組成及相對(duì)含量

2.3 激光清洗前后微觀組織分析

圖5是激光清洗前后基體材料金相顯微組織形貌對(duì)比圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)激光清洗后30Cr3超高強(qiáng)度鋼基體材料未發(fā)生組織相變和晶粒粗化，這表明在合理的參數(shù)范圍內(nèi)，零件在清洗過(guò)程中激光不會(huì)引起基體材料顯微組織的變化。

激光清洗是利用激光強(qiáng)度高、能量密度大、聚焦性強(qiáng)、方向性好的特點(diǎn)，利用透鏡組合將光束聚焦集中為極小的斑點(diǎn)，然后轟擊材料表面[10-11]。在轟擊過(guò)程中，激光一方面在材料表面產(chǎn)生力學(xué)共振現(xiàn)象，使表面污染物碎裂脫落；另一方面使表面污染層受熱膨脹，克服基體對(duì)污染粒子的吸附力而蒸發(fā)、氣化脫離物體表面。因此，合理控制激光能量使其介于清洗閥值和基體損傷閥值之間尤為重要[12-15]。

2.4 焊縫質(zhì)量分析

2.4.1焊縫宏觀形貌分析

焊接后焊縫成形良好，焊縫正面比較光亮、平滑飽滿(mǎn)，未出現(xiàn)咬邊、裂紋、焊瘤等缺陷，焊縫背面完全熔合，正面與背面余高等焊縫外部質(zhì)量滿(mǎn)足GJB 1718A—2005《電子束焊接》標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)要求和產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

圖5 激光清洗前后基體材料金相顯微組織形貌圖

2.4.2內(nèi)部質(zhì)量分析

在電子束焊接后，對(duì)焊縫進(jìn)行了X射線(xiàn)檢測(cè)，檢測(cè)焊縫內(nèi)部質(zhì)量是否合格，檢測(cè)工藝按照半壁單透的方式，符合GJB 1187A—2001《射線(xiàn)檢驗(yàn)》的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。檢驗(yàn)結(jié)果為焊縫內(nèi)部無(wú)氣孔、夾渣、裂紋等焊接缺陷，焊縫質(zhì)量滿(mǎn)足GJB 1718A—2005《電子束焊接》標(biāo)準(zhǔn)的I級(jí)要求。

2.5 焊接接頭力學(xué)性能分析

將焊接完的試驗(yàn)件按標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行切割，并按熱處理工藝進(jìn)行熱處理淬火，根據(jù)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。將拉伸試片分別做抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)表5中的拉伸數(shù)據(jù)分析，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為1 714 MPa，且均斷裂在母材上，與正常采用人工打磨試件的焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相當(dāng)，均完全超過(guò)設(shè)計(jì)油淬1 617 MPa的強(qiáng)度要求。因此，30Cr3超高強(qiáng)度鋼經(jīng)激光清洗預(yù)處理后對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能沒(méi)有影響。

表5 拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.6 焊接接頭微觀組織形貌分析

為分析激光清洗預(yù)處理對(duì)30Cr3超高強(qiáng)度鋼焊接接頭微觀組織的影響，對(duì)傳統(tǒng)手工打磨預(yù)處理的焊接接頭微觀組織進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖6所示，經(jīng)激光清洗后的焊接接頭在低倍鏡下焊縫形貌成形飽滿(mǎn)，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋、咬邊等缺陷，與手工打磨后的焊接接頭成形一致。>

圖6 激光清洗與手工打磨預(yù)處理后的焊接接頭微觀形貌

焊縫中心區(qū)域晶粒細(xì)小均勻，與傳統(tǒng)手工打磨預(yù)處理后的電子束焊接焊縫中心的微觀形貌相同，也沒(méi)有出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。焊縫中心微觀形貌如圖7所示。

圖7 激光清洗與手工打磨預(yù)處理后的焊縫中心微觀形貌

電子束焊接焊縫接頭在微觀組織形貌上易于觀察到焊縫與母材的熔合區(qū)及熱影響區(qū)，如圖8所示，對(duì)比激光清洗預(yù)處理后的電子束焊焊接接頭與手工打磨預(yù)處理后的電子束焊焊接接頭的焊縫與母材熔合區(qū)及熱影響區(qū)。從圖8a和圖8b中可以看出焊縫與母材熔合區(qū)清晰，母材、熱影響區(qū)、焊縫中心均勻過(guò)度，沒(méi)有出現(xiàn)微觀裂紋、氣孔等缺陷，如圖8c和8d通過(guò)對(duì)熱影響區(qū)高倍觀察，兩種清洗方式預(yù)處理后的焊縫接頭晶粒均勻分布，焊縫成形良好，熱影響區(qū)的寬度也基本相同，沒(méi)有增加焊接接頭的寬度。

綜上分析表明，經(jīng)激光清洗預(yù)處理后的電子束焊焊接接頭微觀組織形貌與傳統(tǒng)手工打磨預(yù)處理后的焊接接頭組織形貌對(duì)比上并未發(fā)生明顯的變化。因此，30Cr3超高強(qiáng)度鋼在焊前采用激光清洗預(yù)處理后對(duì)電子束焊焊接接頭微觀組織形貌沒(méi)有影響。

圖8 激光清洗與手工打磨預(yù)處理后的焊接接頭微觀形貌

3 結(jié)論

(1)30Cr3超高強(qiáng)度鋼通過(guò)激光清洗工藝可有效去除表層污染物(氧化層、油污等)露出金屬光澤，經(jīng)激光清洗后的表面更加光滑平整，且在合理參數(shù)范圍內(nèi)不損傷基體表面組織。

(2)30Cr3超高強(qiáng)度鋼焊前經(jīng)激光清洗預(yù)處理后的焊接焊縫成形良好，無(wú)咬邊等外部缺陷，焊縫內(nèi)部無(wú)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，滿(mǎn)足GJB 1718A—2005標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)要求，熱處理強(qiáng)化后的焊接接頭抗拉強(qiáng)度均值達(dá)1 714 MPa。

(3)通過(guò)對(duì)激光清洗預(yù)處理后的電子束焊焊接接頭顯微金相組織分析，得出焊縫中心區(qū)域晶粒細(xì)小均勻，焊縫與母材熔合區(qū)界限清晰，母材、熱影響區(qū)、焊縫中心均勻過(guò)渡，沒(méi)有出現(xiàn)微觀裂紋、氣孔等缺陷，與傳統(tǒng)的焊前手工打磨預(yù)處理后的焊接接頭微觀組織一致。因此，采用激光清洗技術(shù)能夠?qū)?0Cr3超高強(qiáng)度鋼焊前進(jìn)行有效預(yù)處理，且經(jīng)預(yù)處理后的焊縫質(zhì)量能夠滿(mǎn)足使用要求。