5mm厚15CrMnMoVA高強度鋼鎢極氬弧焊工藝研究

戴浩 李智勇 劉澤宇 楊世亮

摘要：通過工藝試驗及性能檢測，研究了某型直升機零件厚板15CrMnMoVA鎢極氬弧焊接工藝，提供合適的焊接工藝參數(shù)范圍，減少焊接缺陷。研究結(jié)果表明：5mm厚15CrMnMoVA焊接時，采用兩層焊方式，打底焊焊接電流值為120～140A， 蓋面焊焊接電流為130～150A，鎢極保護氣體流量為14L/min左右，背面保護氣體流量為3～6L/min，鈍邊間隙為1.5mm左右。

關鍵詞：厚板;15CrMnMoVA;鎢極氬弧焊

中圖分類號：XXXX 文獻標識碼：A

引 言

高強度鋼15CrMnMoVA是一種低合金貝氏體鋼。該鋼有二次硬化現(xiàn)象，淬火加高溫回火后有高的強度，好的塑性和韌性，良好的沖壓性能和焊接性能。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，可焊接任何復雜的構(gòu)件，焊后無需進行熱處理[1]。某型直升機零件選用的15CrMnMoVA材料厚度為5mm，超過了工藝規(guī)范參數(shù)適用的厚度范圍。發(fā)動機支架接頭的焊縫等級為Ⅱ級，根據(jù)HB5135-2000要求，焊后需要對其進行X光檢測[2]。在實際生產(chǎn)中，焊工在施焊時缺乏指導性依據(jù)，過度依賴自身經(jīng)驗，常采用單層焊方式進行焊接，容易產(chǎn)生未熔合和未焊透等缺陷，降低了產(chǎn)品交付質(zhì)量和使用壽命。典型零件如圖1所示，屬于對接接頭形式，但是由于焊件較厚，且底板凸起高度很小，熱量容易擴散，底板坡口端很容易出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，單層焊無法獲得高質(zhì)量的焊接接頭。因此，多層焊方式是該厚板結(jié)構(gòu)焊接的優(yōu)先選用工藝之一。

1 試驗方法

使用規(guī)格為110×300×5mm的15CrMnMoVA板材，材料化學成分如表1所示，焊接邊緣開3×45 °坡口。為了使獲得的焊接規(guī)范參數(shù)具有代表性，焊接工藝試驗由三名具備航空Ⅲ級氬弧焊資質(zhì)的焊工完成，焊工代號分別為A、B、C。試驗使用兩件開坡口的15CrMnMoVA板材對接，選用H15CrMnMoVA焊絲，焊絲直徑為2mm，采用兩層焊的方式進行焊接，焊前機械清理坡口和焊絲。每名焊工在一定的焊接參數(shù)范圍內(nèi)，可結(jié)合自身實際情況合理選擇打底焊及蓋面焊的工藝參數(shù)，每對試板上需焊接3～4段焊縫，其中焊工A和B所使用試板焊前狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，焊工C所用試板焊前狀態(tài)為熱軋。各焊工不同段焊縫序號分別記為A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3，焊接各段焊縫所使用的工藝參數(shù)如表2所示。試樣焊接完成后，先進行目視檢驗，察看焊縫成形質(zhì)量。根據(jù)HB5135-2000對焊縫進行X光檢測。按GB/T228.1-2010要求，在各段焊縫上截取拉伸試樣，測試焊接接頭抗拉強度[3]，并分析拉伸斷口。

2 試驗結(jié)果與分析

15CrMnMoVA屬于珠光體耐熱鋼，焊接中存在的主要問題是冷裂紋、熱影響區(qū)的硬化、軟化，以及焊后熱處理或高溫長期使用中的消除應力裂紋（SR裂紋）。如果焊接材料選擇不當，焊縫中還有可能出現(xiàn)熱裂紋。當焊縫中擴散氫含量過高、焊接熱輸入較小時，由于淬硬組織和擴散氫的作用，焊接接頭中常出現(xiàn)冷裂紋。消除應力裂紋主要出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，一般在500～700℃的敏感溫度范圍內(nèi)形成，當采用大熱輸入的焊接方法時，在接頭處高拘束應力作用下，焊層間的過熱區(qū)易出現(xiàn)消除應力裂紋。鉻鉬耐熱鋼及其焊接接頭在350～500℃溫度區(qū)間長期運行過程中發(fā)生脆變的現(xiàn)象稱為回火脆性。產(chǎn)生回火脆性的主要原因是雜質(zhì)元素在奧氏體晶界偏析而引起的晶界脆化，Mn、Si等元素可以促進脆化過程[4]。

各試樣的焊縫正反面成形良好，魚鱗紋清晰，焊縫尺寸符合HB 5135-2000要求。試樣分層焊接時外觀如圖2所示。

X光檢測結(jié)果表明，除A1、A4段焊縫局部存在未焊透外，其他各段焊縫均合格?？估瓘姸冉Y(jié)果如圖3所示。根據(jù)《中國航空材料手冊（第一卷）》，15CrMnMoVA調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的抗拉強度為1080±100MPa，拉伸力學試驗結(jié)果表明：各段焊縫的抗拉強度均滿足要求，斷裂位置均為焊縫熱影響區(qū)，出現(xiàn)明顯撕裂痕跡，斷口上有韌窩，屬于延性斷裂。

A1與A4段出現(xiàn)局部未焊透的主要原因是焊接熱輸入量不足。通過與C1段工藝參數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，A1段采用的焊接電流較小，焊接速度較大，導致焊接熱輸入量不足。通過與B2段工藝參數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，A4段采用的焊接電流較大，但是焊接速度過大，導致熱輸入量不足。因此，選用較小的焊接電流時，焊工在施焊過程中，需要適當減小焊接速度;選用較大的焊接電流時，焊工施焊過程中應合理增加焊接速度，不能過大。

3 結(jié)論

5mm厚15CrMnMoVA高強度鋼焊接時，應采用兩層焊方式，推薦的焊接工藝參數(shù)如下：打底焊焊接電流值為120～140A， 蓋面焊焊接電流為130～150A，鎢極保護氣體流量為14L/min左右，背面保護氣體流量為3～6L/min，鈍邊間隙為1.5mm左右。

參考文獻：

[1] 中國航空材料手冊編輯委員會. 航空材料手冊（結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼）[M].北京：中國標準出版社，1988，161-165.

[2] HB5135-2000 結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼熔焊接頭質(zhì)量檢驗

[3] GB/T228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗（第1部分：室溫試驗方法）

[4] 張學軍. 航空弧焊技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，123-128.

作者簡介：戴浩（1995—），男，學士，工程師，研究方向：航空焊接工藝技術(shù)。

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