不銹鋼薄板焊接裂紋成因分析

萬萍

中煤第九十二工程有限公司 河北邯鄲 056106

近年來，對鋼鐵、石油化工、艦船、電力方面冷裂紋研究較多，但對汽車工業(yè)方面冷裂紋研究較少[1]。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接工藝在齒輪組件等汽車零部件上的運用日益廣泛，裂紋產(chǎn)生的危害日益增多，從降低擴(kuò)散氫含量、改善組織等方面提出多種解決方法。

1 焊接裂紋成因

低延性的不銹鋼薄板合金塑性較差，焊接時極易發(fā)生開裂，不同加工狀態(tài)的不銹鋼薄板合金，裂紋形成位置也有所差別。軋制態(tài)的不銹鋼薄板合金，焊接裂紋與焊接方向及板材軋制方向密切相關(guān)，當(dāng)焊接方向垂直于軋制方向時會在焊縫內(nèi)部形成平行于焊接方向的裂紋；而當(dāng)焊接方向平行于軋制方向時則會在母材中形成焊接裂紋，焊縫內(nèi)部幾乎沒有裂紋。關(guān)于不銹鋼薄板合金焊接裂紋的成因，目前被人們廣為接受的主要原因有：焊后殘余應(yīng)力大、接頭冷卻速度快和焊縫組織轉(zhuǎn)變不充分。不銹鋼薄板合金的塑性較差，焊接時難以通過塑性變形釋放應(yīng)力，當(dāng)熱致應(yīng)力的幅值超出接頭承載極限時便會發(fā)生開裂。采用有限元方法對不銹鋼薄板合金電子束焊接應(yīng)力場進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果顯示焊后接頭沿焊接方向存在較大的殘余拉應(yīng)力，且應(yīng)力峰值出現(xiàn)在焊縫中心區(qū)域，與試驗結(jié)果十分吻合。結(jié)果表明，接頭冷卻速度較大時，焊縫中的α相有序化轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈驭?-Ti3Al相，使接頭發(fā)生開裂；隨著冷卻速度的降低，殘余α相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀γ-不銹鋼薄板相α2/γ層片組織，使接頭的裂紋敏感性降低。對于Ti-45Al-2Nb-2Mn合金，當(dāng)冷卻速度降低至240℃/s時，殘余α相全部轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀γ相和α2/γ層片組織，焊接裂紋消失。綜上可知，不銹鋼薄板合金焊接時會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，過快的冷卻速度會抑制接頭殘余α相的轉(zhuǎn)變，而使脆性相保留至室溫，增大接頭的裂紋敏感性，并且不銹鋼薄板合金的焊接裂紋的產(chǎn)生往往是多個因素共同作用的結(jié)果。

2 焊接裂紋控制措施

2.1 釬料成分設(shè)計

釬焊是采用熔點比母材低的金屬作為釬料，在一定條件下實現(xiàn)材料連接的方法，其中釬料成分是影響釬焊連接最重要的影響因素。與熔焊相比，釬焊溫度低于母材熔點，并且通常采用整體加熱、緩慢冷卻，因此該方法對母材組織和性能影響小，焊接殘余應(yīng)力小。不銹鋼薄板合金釬焊裂紋通常是因為釬料的選擇不當(dāng)，導(dǎo)致釬縫中生成大量脆性相而使接頭發(fā)生開裂。因此，釬料成分的設(shè)計成為抑制不銹鋼薄板合金釬焊裂紋的關(guān)鍵。目前應(yīng)用較多的釬料包括Ag基和Ti基釬料。Ag基釬料的延展性較好，能提高釬縫的室溫塑性，使部分焊接殘余應(yīng)力得到釋放。采用Ag基釬料B-Ag72Cu-780對Ti-48Al-2Cr-2Nb合金進(jìn)行釬焊連接。研究發(fā)現(xiàn)，釬料中的Cu易向母材擴(kuò)散，與Ti、Al發(fā)生反應(yīng)，釬焊溫度過高或保溫時間過長時易生成大量的脆性AlCu2Ti金屬間化合物使接頭發(fā)生開裂，當(dāng)釬焊溫度為900℃，保溫時間為1min時，既可以保證擴(kuò)散反應(yīng)的充分進(jìn)行又能避免大量脆性金屬間化合物的生成，實現(xiàn)不銹鋼薄板合金的無裂紋焊接，接頭最高剪切強(qiáng)度可達(dá)149MPa。作為一種高溫材料，不銹鋼薄板合金常用于汽車發(fā)動機(jī)、渦輪葉片等高溫部件，為保證不銹鋼薄板合金的高溫性能，通常采用Ti基釬料對其進(jìn)行焊接。S采用Ti基共晶釬料Ti-28Ni（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）連接高鈮不銹鋼薄板合金。研究表明，在1100℃的釬焊溫度下保溫時間過長時，合金中會形成較厚的α2-Ti3Al脆性金屬間化合物反應(yīng)層，使釬縫發(fā)生開裂。合理控制保溫時間能夠避免連續(xù)α2脆性相的生成，而使其與Ti2Ni相形成網(wǎng)狀混合組織，使接頭的室溫和高溫（500℃）剪切強(qiáng)度分別達(dá)到248.6MPa和166.4MPa。

2.2 大電流焊接弧焊連接方法

因其高度的靈活性和適應(yīng)性被廣泛應(yīng)用于各種材料的連接。但是，不銹鋼薄板合金弧焊連接時由于冷卻速度快，焊縫金屬相轉(zhuǎn)變受到抑制，易生成脆性的α2相，使接頭在焊接殘余應(yīng)力的作用下發(fā)生開裂。為抑制焊接裂紋，通常采用大電流焊接方法以增加焊接熱輸入、降低接頭冷卻速度、延長接頭的高溫停留時間[2]。

2.3 中間層金屬設(shè)計

自蔓延連接是一種利用中間層自蔓延高溫合成反應(yīng)釋放的能量作為焊接熱源，以中間層反應(yīng)產(chǎn)物作為焊料來連接被焊母材的技術(shù)。中間層金屬在該連接方法中起著至關(guān)重要的作用，設(shè)計合理的中間層材料，避免大量脆性相的生成是實現(xiàn)不銹鋼薄板合金可靠連接的關(guān)鍵。高溫自蔓延的焊接熱作用范圍僅限于中間層金屬及其鄰近區(qū)域，焊接殘余應(yīng)力小，能夠快速實現(xiàn)不銹鋼薄板合金的無裂紋焊接。但是，第三種合金元素的引入會導(dǎo)致脆性相的生成，接頭性能無法滿足應(yīng)用需求，中間層材料的成分還需進(jìn)一步探索。

2.4 焊前預(yù)熱及焊后熱處理

焊前預(yù)熱及焊后熱處理是不銹鋼薄板合金高能束焊接常用的防裂措施。高能束焊接具有加熱冷卻速度快的特點，采用這種熱補(bǔ)償方法能夠降低焊接冷卻速度，并使焊接殘余應(yīng)力得到一定程度的釋放。通過改變焊前預(yù)熱溫度及焊接參數(shù)來控制接頭的冷卻速度，并且系統(tǒng)地研究了不銹鋼薄板電子束焊接時焊縫冷卻速度對焊接裂紋的影響，指出當(dāng)焊接冷卻速度低于250℃/s時焊縫中脆硬的α2相轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀γ相和層片組織，接頭中無焊接裂紋出現(xiàn)。為確定預(yù)熱溫度對不銹鋼薄板合金電子束焊接接頭組織的影響，對不同預(yù)熱溫度下的不銹鋼薄板合金進(jìn)行焊接。結(jié)果表明，焊前預(yù)熱雖能夠降低接頭的冷卻速度，得到無裂紋的焊接接頭，但是較高的預(yù)熱溫度會造成元素偏析，在焊縫中形成樹枝晶。為解決焊前預(yù)熱導(dǎo)致的元素偏析和晶粒粗大的問題，使用合金電子束復(fù)合控制焊接的新方法[3]。

3 結(jié)語

不銹鋼薄板合金焊接裂紋問題的解決對于不銹鋼薄板合金結(jié)構(gòu)件在高溫條件下的大規(guī)模應(yīng)用有著十分重要的意義?，F(xiàn)有裂紋控制措施雖能抑制焊接裂紋的產(chǎn)生，但獲得的焊縫組織并不理想，仍需進(jìn)行焊后退火處理，使得焊接成本提高。因此，可考慮向焊縫中引入合金元素，在改善焊縫組織的同時降低焊接成本。