30CrMnSi 鋼CO2 焊接冶金缺陷形成機(jī)制研究

吳鴻燕，張?chǎng)?，陳炯，陳玉華，許明方，楊琦

（1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332007；2.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 常州 213164；3.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

30CrMnSi 鋼是一種高強(qiáng)度合金鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其組織主要由回火馬氏體組成[1-4]，其鐵素體呈現(xiàn)為細(xì)針狀，碳化物以顆粒狀的形式分布于鐵素體基體中。該合金鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性[5-7]，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、機(jī)械工程、石油和天然氣等制造領(lǐng)域[8-9]。30CrMnSi 鋼的焊接性較差，通常在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，包括焊接熱裂紋、冷裂紋和氣孔等[10-15]，特別是焊接冷裂紋。由于焊接材料中碳含量較高，焊后形成的硬脆高碳馬氏體組織導(dǎo)致其對(duì)裂紋非常敏感[16-20]。滕彬等[21]認(rèn)為焊接冷裂紋的形成主要受母材成分和厚度、淬硬組織、拘束程度以及擴(kuò)散氫含量等因素的影響。因此，在焊接工藝中常采取一系列措施，如充分預(yù)熱材料、緩慢冷卻和立即進(jìn)行回火，嚴(yán)格控制裝配要求，降低焊接線能量及確保原材料質(zhì)量，以預(yù)防焊接裂紋的產(chǎn)生[22-23]。

為了保證某型飛機(jī)后邊條焊接盒段尺寸精度，在剛性拘束條件下采用30CrMnSi 鋼進(jìn)行焊接。然而在隨后的檢查中發(fā)現(xiàn)焊接冷裂紋等缺陷的發(fā)生率較高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件返工率上升，嚴(yán)重影響了制造周期。本文通過(guò)分析某型飛機(jī)后邊條焊接盒段制造過(guò)程中30CrMnSi 鋼CO2焊接裂紋類型及形態(tài)，確定焊接裂紋形成機(jī)制，同時(shí)對(duì)焊縫中的氣孔進(jìn)行分析，以期為實(shí)際控制裂紋和氣孔缺陷提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

為了模擬工程中實(shí)際焊接構(gòu)件所承受的高拘束力，采用剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)際焊接過(guò)程中后邊條盒段母材所受的拘束。焊接試板規(guī)格為1.8 mm×75 mm×300 mm。依據(jù)“對(duì)接接頭剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn)方法”（GB/T 13817?92）進(jìn)行焊接試驗(yàn)，剛性拘束對(duì)接裂紋試驗(yàn)示意圖如圖1 所示。

將拘束焊縫在室溫下放置24 h 后再進(jìn)行試驗(yàn)焊縫的焊接。將試驗(yàn)焊縫焊接后放置24 h，銑掉拘束焊縫，對(duì)試驗(yàn)焊縫進(jìn)行磁粉探傷和X 射線探傷，確定焊縫缺陷的位置后采用線切割方法切割缺陷部位并制成金相試樣。試樣打磨拋光后使用配制的醋酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，隨后通過(guò)MR5000 倒置金相顯微鏡觀察裂紋、氣孔等缺陷的形貌及其周圍的微觀組織。采用Nova Nano SEM450 型帶能譜的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察裂紋、氣孔等缺陷，并測(cè)試缺陷附近區(qū)域的元素含量。

2 結(jié)果與討論

剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn)條件下的X 射線檢測(cè)結(jié)果表明，焊縫中出現(xiàn)了連續(xù)裂紋，對(duì)裂紋缺陷位置橫截面進(jìn)行分析。試樣橫截面的宏觀形貌如圖2 所示，焊縫底部（圖2 中a 區(qū)）和焊縫表面中心區(qū)域（圖2中b 區(qū)）均存在明顯的結(jié)晶裂紋。以下分別對(duì)a 區(qū)和b 區(qū)的裂紋形成機(jī)制進(jìn)行分析。

2.1 a 區(qū)結(jié)晶裂紋的形態(tài)及其形成機(jī)制

采用50 倍和100 倍金相顯微鏡對(duì)圖2 中a 區(qū)進(jìn)行金相觀察，結(jié)果如圖3 所示。結(jié)果表明，裂紋形態(tài)較為粗大，單個(gè)裂紋的連續(xù)長(zhǎng)度達(dá)到600 μm 左右，裂紋的寬度接近30 μm。

圖3 圖2 中a 區(qū)裂紋的局部放大Fig.3 Local magnification of cracks in region a in Fig.2

采用掃描電鏡對(duì)裂紋進(jìn)行觀察，以進(jìn)一步分析裂紋的形貌及裂紋形成機(jī)理，結(jié)果如圖4 所示?？梢钥闯觯鸭y兩側(cè)邊緣存在一些明顯的金屬顆粒，這是因?yàn)樵谀探Y(jié)晶過(guò)程中，焊縫產(chǎn)生的裂紋被拉裂，形成裂縫后，部分低熔點(diǎn)金屬在裂紋兩側(cè)壁上凝固、結(jié)晶。觀察放大圖可以看到，裂紋附近還存在一些較為細(xì)小的微裂紋。

圖4 圖2 中a 區(qū)裂紋的掃描電鏡觀察Fig.4 SEM observation of the cracks in region a in Fig.2

對(duì)圖4 中裂紋的尖端部位進(jìn)行深入分析，結(jié)果如圖5 所示。裂紋尖端部位比較細(xì)小，并且具有明顯的沿晶開(kāi)裂特征，低熔點(diǎn)金屬在裂紋兩側(cè)壁上凝固、結(jié)晶所形成的金屬顆粒較少（見(jiàn)圖5a）。從圖5b 可以看出，裂紋止裂部位的組織形貌和裂紋產(chǎn)生區(qū)域的組織形貌不同，有明顯的金屬凝固結(jié)晶現(xiàn)象（見(jiàn)圖5b中方框標(biāo)記區(qū)）。這是因?yàn)榇颂帪榫Ы?，存在低熔點(diǎn)金屬，在晶粒已經(jīng)凝固結(jié)晶后此處才開(kāi)始凝固，其化學(xué)成分和晶粒內(nèi)部的不同，因此，其微觀組織形態(tài)有所變化，并且呈現(xiàn)后結(jié)晶的形態(tài)。對(duì)裂紋尖端止裂部位、裂紋邊緣和母材的元素含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)裂紋尖端止裂部位的Si 含量相對(duì)母材有所增加。

結(jié)合上述裂紋形態(tài)和元素含量進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為焊縫底部中心區(qū)域結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理如下：在焊縫金屬?gòu)淖匀刍癄顟B(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的冷卻過(guò)程中，由于低熔共晶元素Si 在枝晶之間偏聚，形成了晶間低熔點(diǎn)液相層，在熱收縮的作用下，液態(tài)金屬不足以彌補(bǔ)晶間的間隙，最終形成了裂紋[14]。另外，由于焊縫底部中心區(qū)域接近焊縫的根部，應(yīng)力較大，在實(shí)際焊接過(guò)程中，結(jié)晶裂紋在此處萌生。

2.2 b 區(qū)結(jié)晶裂紋的形態(tài)及其形成機(jī)制

對(duì)圖2 中b 區(qū)進(jìn)一步觀察，結(jié)果如圖6 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，此處的裂紋實(shí)際上是一個(gè)較大的缺口，在裂紋的周邊區(qū)域還存在較多不連續(xù)、微小的裂紋，此處組織較為疏松。根據(jù)焊縫表面中心區(qū)域結(jié)晶裂紋的形態(tài)和位置并結(jié)合焊接中焊縫的凝固過(guò)程進(jìn)行分析，認(rèn)為其形成機(jī)制如下：焊縫的凝固結(jié)晶過(guò)程和鑄造過(guò)程比較接近，焊縫兩側(cè)靠近固態(tài)母材，所以其冷卻速度較快，先凝固結(jié)晶；而焊縫中心區(qū)域溫度較高、冷卻速度慢，最后凝固結(jié)晶。當(dāng)焊縫表面中心區(qū)域開(kāi)始凝固結(jié)晶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生金屬的收縮，但此時(shí)周圍金屬早已凝固，沒(méi)有液態(tài)金屬去填充焊縫表面中心區(qū)域因凝固收縮而形成的裂縫，加之焊接接頭存在一定的應(yīng)力，在拉伸力作用下，此處形成結(jié)晶裂紋。

2.3 熱影響區(qū)的液化裂紋的形態(tài)和形成機(jī)制

在一些試板的檢測(cè)過(guò)程中，雖然X 射線檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)缺陷，但在光鏡下卻觀察到熔合線附近的熱影響區(qū)存在微裂紋（25 μm），如圖7 所示。

在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋邊緣也有金屬凝固結(jié)晶的痕跡，且呈沿晶開(kāi)裂的特征，如圖8a 所示。此外，在熔合線附近的其他區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了更為細(xì)小的微裂紋（15 μm），該裂紋同樣也在熔合線附近的粗晶區(qū)中，如圖8b 所示。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的位置和形態(tài)，可以判定其為液化裂紋，屬于熱裂紋的一種。其形成機(jī)制如下：在焊接熱的作用下，在焊縫熔合線外側(cè)金屬內(nèi)產(chǎn)生了沿晶界的局部熔化，以及在隨后冷卻收縮時(shí)引起了沿晶界的液化層開(kāi)裂。產(chǎn)生這種裂紋是因?yàn)椴牧暇Я＿吔缬休^多的低熔點(diǎn)物質(zhì)，以及由于迅速加熱，某些金屬化合物分解來(lái)不及擴(kuò)散，導(dǎo)致局部晶界出現(xiàn)一些合金元素的富集甚至達(dá)到共晶成分。

圖8 掃描電鏡下觀察到的熔合線附近微裂紋Fig.8 Microcracks near the fusion line observed by SEM

根據(jù)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，30CrMnSi 鋼CO2焊接還易產(chǎn)生冷裂紋，而且冷裂紋的開(kāi)裂程度和焊接接頭的拘束度有很大關(guān)系。當(dāng)接頭的拘束度較大時(shí)，冷裂紋可由熱影響區(qū)向母材擴(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)接頭斷裂。典型的冷裂紋如圖9 所示，可見(jiàn)，裂紋橫穿整個(gè)接頭，致使整個(gè)接頭裂開(kāi)。

圖9 焊接接頭冷裂紋的宏觀形貌Fig.9 Macroscopic morphology of cold crack of welded joint

冷裂紋開(kāi)裂區(qū)域及其顯微組織如圖10 所示。從圖10a 可以看出，冷裂紋起始于焊趾位置附近的粗晶區(qū)，該區(qū)域有明顯的馬氏體和粒狀貝氏體組織（見(jiàn)圖10b），裂紋沿著接頭的橫截面向下擴(kuò)展，致使整個(gè)接頭開(kāi)裂。

對(duì)裂紋部位進(jìn)一步放大并觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋具有典型的沿晶開(kāi)裂特征，如圖11a 所示。此外，在宏觀裂紋的周圍區(qū)域還觀察到一些沿晶開(kāi)裂的微裂紋（圖11a 中橢圓區(qū)域）。通過(guò)分析得出以下結(jié)論：粗晶區(qū)的淬硬組織會(huì)導(dǎo)致性能脆化，這是因?yàn)樵搮^(qū)域存在的擴(kuò)散氫含量較高，并且氫分子在焊接缺陷處聚集，產(chǎn)生了巨大的局部壓力[8]。此外，焊接接頭的焊趾部位承受著較大的焊接拉應(yīng)力。最終，這些因素共同作用形成冷裂紋。此外，在其他焊趾部位也發(fā)現(xiàn)了較小的冷裂紋（圖11b 中橢圓區(qū)域），但由于此處靠近熔合線，焊縫金屬的韌性較好，因此裂紋較小、沒(méi)有擴(kuò)展成宏觀裂紋。結(jié)合30CrMnSi 鋼熔合線附近冷裂紋的特征，分析認(rèn)為：冷裂紋的根源是熔合區(qū)的液化裂紋，如圖7 所示。在應(yīng)力集中區(qū)域，如焊趾部位，裂紋尖端受到較大的拉應(yīng)力作用，且該區(qū)域呈明顯的馬氏體組織特征，性能脆化，最終導(dǎo)致形成了冷裂紋[24]。這部分冷裂紋的斷口特點(diǎn)表現(xiàn)為既有冷裂紋的脆性斷裂的斷口特點(diǎn)，又具有焊接熱裂紋的典型斷口特點(diǎn)。

2.4 焊接接頭中的氣孔

在試驗(yàn)過(guò)程中，在焊縫內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了氣孔缺陷，氣孔內(nèi)壁呈蜂窩狀，并且成堆出現(xiàn)，氣孔微觀形貌如圖12 所示。另外，在實(shí)際截面中也有開(kāi)口于焊縫表面的氣孔，從該特征判斷，氣孔可能是氫氣孔。但是，考慮到本試驗(yàn)采用的是CO2氣保焊方法，焊絲脫氧能力不足，當(dāng)焊接速度較快時(shí)，CO2氣孔也有可能開(kāi)口于焊縫表面。因此，綜合分析，在30CrMnSi 鋼CO2氣保焊時(shí)，其氣孔類型應(yīng)該主要是CO2氣孔[25]。

圖12 掃描微鏡下觀察到的氣孔形貌Fig.12 Pore morphology observed by SEM

3 結(jié)論

1）在30CrMnSi 鋼CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，可能產(chǎn)生焊縫區(qū)的結(jié)晶裂紋、熔合區(qū)靠近粗晶區(qū)一側(cè)的液化裂紋以及起始于粗晶區(qū)的冷裂紋。其中，產(chǎn)生冷裂紋的概率較高。

2）在30CrMnSi 鋼CO2氣保焊時(shí)，焊縫中的氣孔類型主要是CO2氣孔。

3）從裂紋產(chǎn)生的機(jī)制來(lái)看，接頭中容易產(chǎn)生冷裂紋，而且冷裂紋源位于焊趾部位熔合線附近的粗晶區(qū)，起始裂紋為微小的液化裂紋，在應(yīng)力作用下擴(kuò)展，形成冷裂紋。

綜上所述，為了減輕焊接熱作用對(duì)裂紋敏感性的影響，需要對(duì)現(xiàn)行工藝進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)考慮采用能量密度比較集中的TIG 焊替代原來(lái)的CO2氣體保護(hù)焊，這樣也有利于減少或消除CO2氣孔缺陷。此外，裂紋的產(chǎn)生都與應(yīng)力相關(guān)，對(duì)實(shí)際構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，調(diào)整焊接次序，都可以降低應(yīng)力集中，同時(shí)，避免在拐角處或焊接可達(dá)性差的位置施焊，可以有效降低氣孔率。