耐蝕軟磁合金1J116與奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9Ti焊接工藝研究

劉 偉，張春紅，薛 軍，甄 波

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

耐蝕軟磁合金1J116與奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9Ti焊接工藝研究

劉 偉，張春紅，薛 軍，甄 波

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

通過分析耐蝕軟磁合金1J116與奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9Ti的物理性能、化學性能、化學成分及微觀組織，探究了兩種鋼的可焊性。分析了某型號液體火箭發動機用冷氣關斷閥外殼體部件的結構，合理地設計了定位工裝和散熱工裝。通過舍弗勒組織圖分析了焊接參數對焊縫組織及性能的影響，制定了合理的焊接工藝。通過應力與變形機理分析，設計了合理的焊接順序。經以上工藝攻關，成功焊接了一批產品，經外觀檢驗和氦質譜檢漏試驗，焊接合格率達到100%。

耐蝕軟磁合金;奧氏體不銹鋼；焊接

0 引言

耐蝕軟磁合金1J116具有較高的飽和磁感和居里溫度，在高濕度的活性介質中，具有高的抗腐蝕性，適用于侵蝕性介質中無保護層工作的各種電磁鐵的磁導體、風動閥和液壓閥磁導體，是液體火箭發動機各類閥體常用材料之一[1-2]。奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9Ti具有優秀的耐蝕性、綜合力學性能良好，廣泛應用于航天航空、化工、石油等領域[3]。液體火箭發動機的很多零部件需要通過焊接進行連接，所以研究耐蝕軟磁合金 1J116和奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9Ti的焊接工藝具有重要意義。本文以某型號液體火箭發動機冷氣關斷閥外殼體部件為研究對象，進行了深入分析。

1 可焊性分析

某型號冷氣關斷閥外殼體部件結構見圖1，此部件由法蘭座和外殼兩零件組成，通過氬弧焊連接成型。法蘭座的材料為奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9Ti，外殼材料為耐蝕軟磁合金1J116，焊材選用不銹鋼焊絲H08Cr19Ni10Ti。焊接難點主要表現為以下四方面：

1.1 異種鋼焊接

異種鋼焊接時，無論從焊接機理和操作技術上都比同種鋼復雜得多，這是因為異種鋼的物理性能、化學性能及化學成分等顯著差異造成的[4-5]。

表1 1J116合金化學成分Tab.1 Chemical compositions of 1J116 alloy

表2 0Cr18Ni9Ti合金化學成分Tab.2 Chemical compositions of 0Cr18Ni9Ti alloy

外殼材料為耐蝕軟磁合金1J116，法蘭座的材料為奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9Ti，合金成分分別見表 1和表 2。1J116材料屬于 Fe-Cr合金，0Cr18Ni9Ti屬于Fe-Cr-Ni合金，二者都是Fe基合金，屬于合金鋼的范疇。

圖2和圖3分別為Fe-Cr二元相圖和Fe-Cr-Ni三元相圖的72%Fe截面，Cr元素對于高合金鋼的抗腐蝕性非常重要，Cr元素會縮小奧氏體溫度范圍，Cr也是強鐵素體形成元素，其含量超過12%時，在所有溫度下都是鐵素體，1J116鉻含量在17～19%之間，在常溫下是具有體心立方晶格的鐵素體（α）結構。與Cr不同，Ni是擴大奧氏體相區的元素，隨著Ni含量增加，奧氏體向鐵素體的轉變溫度降低。奧氏體組織很穩定，以至于快速冷卻時，在室溫也能保持奧氏體組織，故由相圖可知，0Cr18Ni9Ti的Ni含量約為10%，Cr含量約為18%，在常溫下是具有面心立方晶格的奧氏體（γ）結構[6-8]。

由上可知，0Cr18Ni9Ti和1J116雖然都為Fe基合金鋼，但是由于其化學成分不同，使得二者晶格結構以及組織不同，0Cr18Ni9Ti常溫下為面心立方的奧氏體結構，而1J116常溫下為體心立方的鐵素體結構，故而造成了二者的磁性、比熱容、平均線膨脹系數和熱導率等物理性能有明顯差異（具體見表3）。焊接難度主要為：

1)0Cr18Ni9Ti和1J116在0～100℃的平均線膨脹系數分別為16.7×10-6℃-1和10.4×10-6℃-1，異種鋼的線膨脹系數相差越大，越難進行焊接。線膨脹系數大的合金熱膨脹率大，冷卻時收縮也大，在熔池結晶時會產生很大的殘余應力。由于焊縫兩側合金承受的應力狀態不同，易使焊縫及熱影響區產生裂紋，甚至導致焊縫與母材剝離。

表3 0Cr18Ni9Ti和1J116的物理性能Tab.3 Physical properties of 0Cr18Ni9Ti and 1J116

2)0Cr18Ni9Ti和1J116在100℃時的熱導率分別為15.95 W·m-1·K-1和27 W·m-1·K-1，比熱容在 0～100℃時分別為 0.50×103J(kg·K)-1和0.46×103J(kg·K)-1。異種鋼熱導率和比熱相差越大，越難進行焊接。合金的熱導率和比熱容差異會使焊縫的結晶條件變化，晶粒粗化嚴重，并影響難熔合金的潤濕性能。

3）0Cr18Ni9Ti和1J116的電磁性能差異。0Cr18Ni9Ti由于是奧氏體組織，所以無磁性，而1J116的組織為鐵素體，且其為軟磁合金，所以有磁性。異種鋼的電磁性能相差越大，越難進行焊接。因為合金電磁性相差越大，焊接電弧越不穩定，焊縫成形變壞。

1.2 焊接定位困難

如圖4所示，法蘭座與外殼的焊接接頭屬于圓周面上的角接接頭。如無工裝定位，法蘭座可以沿著外殼的圓周面任意轉動，也可以沿著軸向自由移動。根據圖樣要求，設計、加工專用工裝進行定位點焊，以保證裝配位置滿足圖紙要求：法蘭座的待焊圓柱與外殼上ΦC的小圓孔同軸（如圖4左所示），軸線位置距離外殼圓柱底面的距離為12.8±0.1 mm（如圖4右所示）。

1.3 易發生局部焊接變形

由于外殼與法蘭座待焊部位的壁厚分別為3.2 mm和1.5 mm，屬于不同壁厚的薄壁件焊接。且外殼體部件整體尺寸較小，導致散熱慢。由于焊接過程是一個不均勻的加熱與冷卻過程，材料在焊接熱的作用下經歷了復雜的物理與化學作用，這種過程的結果直接影響了焊接接頭的冶金及力學性能，并可引發焊接結構的應力與變形，從而導致圖紙要求的12.8±0.1 mm (圖4右所示）尺寸難以保證。

1.4 受產品結構限制，局部位置焊槍可達性差

如圖5所示，外殼體部件配好后，法蘭座軸向方向與外殼軸向方向并不垂直，而是有一個15°的偏角，且外殼的四方臺階面與法蘭座的距離較小，使得此處位置焊槍可達性差，施焊時易出現電弧不穩、氣體保護效果差等問題，導致焊縫表面成型較差，出現裂紋，弧坑，飛濺，表面氧化等缺陷。

2 焊接工藝方法

通過多次工藝攻關，工藝人員與技能人員一同制定了焊接方案，通過設計定位工裝和焊接工裝，選擇合適的填充材料，調整焊接參數，改變焊接順序，焊后加速冷卻等一系列措施很好的解決了以上焊接難題，具體內容如下：

2.1 設計專用焊接工裝

1)設計焊接定位工裝。依據“牢、正、快、簡”的設計原理，設計了專用定位點焊工裝，如圖6所示。

利用此工裝可以很好地保證圖紙中對于裝配精度的要求，并且便于操作，很好地保證了生產效率以及合格率。如圖6所示，定位工裝由底座、擋板、緊固螺栓三部分零件組成。將外殼體部件按圖示裝配好后，在待焊部位裸露一側均勻點焊三個點進行定位，定位點焊完成后拆下工裝，測量裝配尺寸是否滿足圖紙要求，滿足要求則進行整周焊接，如不滿足要求則重新定位。

2)設計焊接散熱工裝。焊接散熱工裝如圖7所示。

焊接散熱工裝材料為黃銅，具有良好的熱導率，焊接時將焊接散熱工裝塞入外殼的圓孔內，起到快速散熱作用，防止產品發生局部焊接變形。焊接散熱工裝圓周面上銑一個方槽作為反面保護氣的流道，避免憋氣。圓周底座下面銑成平面是為了：一方面，焊接時焊接散熱工裝不隨意轉動，保證氣體流道的位置不發生變化；另一方面，裝配好后，此平面與外殼的四方面配合對齊，便于定位。焊接完成后，將散熱工裝繼續保持在外殼的圓孔內，直至產品空冷至室溫，再將其拆卸，可以防止在冷卻過程中的焊接變形。

2.2 優化工藝參數

異種鋼焊接時，為了確保焊縫成分合理（保證塑性、韌性和抗裂性），必須正確選擇焊接填充材料和適當控制焊縫熔合比（母材熔化重量占焊縫金屬重量的百分比）和稀釋率。舍弗勒組織圖（圖8）是一種簡單適用的方法。

該圖用鋼中所有能夠縮小奧氏體溫度范圍的合金元素（稱為Cr當量，Cr%=(Cr+Mo+1.5Si+ 0.5Nb）%）和所有能夠擴大奧氏體溫度范圍的合金元素（稱為Ni當量，Ni%=(Ni+30C+0.5Mn）%）來分析圖中的某一區域的組織，即通過用合金元素重量百分比來計算和分析焊縫金屬及鋼中合金元素對顯微組織的影響。應用舍弗勒組織圖可以方便地幫助我們分析和預測復雜合金系統的焊縫組織分布[9-13]。

表4列出了兩種母材0Cr18Ni9Ti和1J116以及填充材料H08Cr19Ni10Ti的鉻鎳當量。由圖8可知，如果不添加填充金屬焊接0Cr18Ni9Ti和1J116時（熔合比為100%），接頭熔化面積相等，因而焊縫的鉻鎳當量應為線段ab的中點d點，焊縫組織為奧氏體+馬氏體+鐵素體。

表4 0Cr18Ni9Ti，1J116及填充金屬的鉻鎳當量Tab.4 Chromium nickel equivalent of 0Cr18Ni9Ti,1J116 and welding stick

采用H08Cr19Ni10Ti焊絲焊接0Cr18Ni9Ti和1J116時，焊縫的鉻鎳當量將沿著c-d線變化，其中c點為焊絲H08Cr19Ni10Ti的鉻鎳當量點（可視為焊絲熔化，母材不熔化的極限情況，即熔合比為0）。如圖可知，不同熔合比焊接時會出現不同組織，當熔合比小于40%時，組織為奧氏體+少量鐵素體雙相組織；而當熔合比大于40%時，焊縫會出現馬氏體，馬氏體作為一種淬硬組織容易引起冷裂紋。由相關資料查的鎢極氬弧焊合理的熔合比范圍為10%～100%，所以為了使焊縫獲得奧氏體+少量鐵素體雙相組織，應將熔合比控制在10%～40%之間[14-17]。

因此，0Cr18Ni9Ti和1J116異種鋼焊接時，焊接工藝參數的選擇應以減少母材金屬的熔化和提高焊縫的堆積量為主要原則。焊接工藝參數對熔合比有直接影響。一般來說，焊接線能量越大，母材熔入焊縫越多。為了減少焊縫金屬的稀釋率，將熔合比控制在10%～40%之間，在保證圖紙要求焊接接頭強度及密封性的情況下，一般采用小電流和高焊接速度進行焊接。

2.3 合理設計焊接順序

受產品結構限制，不能一次完成整周焊縫，故需使用分段焊的方法。為了避免焊接過程中的殘余應力導致產品變形，需要合理設計焊接順序，以滿足設計圖紙中尺寸的要求。工藝攻關之后的焊接順序如圖9所示。

先焊接圖中位置（1）是因為此處距離圖紙要求尺寸12.8±0.1 mm基準面距離最近，第一段焊縫熱輸入最少，引起的變形也最??；緊接著焊接圖中位置（2）的焊縫，因為此處焊接產生的殘余應力方向與位置（1）焊接產生殘余應力的方向相反，可以抵消一部分應力與變形；最后焊接圖中位置（3）和（4），此兩處焊接順序可調換。焊接時利用焊接散熱工裝進行散熱，并且從法蘭座的通孔處接通反面保護氣體，起到更好的保護效果。

2.4 選用合理的焊槍噴嘴

受產品結構限制，部分區域焊槍可達性差，如果焊槍噴嘴選擇不當，將引起鎢極伸出長度過長，對保護效果和焊接操作均有不良影響。為此，操作人員首先使用較小規格的噴嘴進行試焊，焊后焊縫發藍，保護效果不好。于是經工藝人員與技能人員商討，改用內徑尺寸較大的焊槍噴嘴，焊接時將鎢極伸出長度適當加長，同時加大保護氣體流量，焊后焊縫的保護效果明顯得到改善，焊縫顏色為金黃色。

3 焊接工藝驗證

通過以上分析，采用小電流和高焊接速度的手工TIG焊先焊接了三個相同結構試驗件。焊前對耐蝕軟磁合金1J116作退磁處理，避免焊接過程中由于磁性能差異，造成磁偏吹現象。焊接過程首先用定位工裝固定好兩個零件的相對位置，均勻的點三個焊點，隨后裝配好散熱工裝按工藝研究的焊接順序進行焊接，焊接過程中通反面保護氣體，焊接電流選用50±5 A，焊后按照圖紙技術條件要求完成了以下兩項技術指標的檢驗：

1)由檢驗人員按照QJ1842A-2011《結構鋼不銹鋼熔焊技術條件》Ⅲ級進行了外觀檢驗，焊縫均勻美觀，無裂紋，弧坑等缺陷，且變形量小，滿足圖紙中12.8±0.1 mm尺寸要求；

2)用真空法對焊縫進行了氦質譜檢漏，泄漏量均在1×10-8～1×10-9Pa·m3/s之間，滿足泄漏量小于1×10-7Pa·m3/s的要求，三件試驗件全部合格。

隨后采用相同工藝參數焊接了50余件正式產品，經檢驗確認，所有產品滿足外觀檢驗與氦質譜檢漏檢兩項技術指標，焊接合格率達到100%。

4 結論

1)耐蝕軟磁合金 1J116與奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9Ti異種鋼焊接時，由于物理性能、化學性能及化學成分等顯著差異，造成焊接機理和操作技術都非常復雜。采用舍弗勒組織圖可以預測兩種母材、焊絲以及焊縫的組織成分，因此可對熔合比、焊接速度和焊接電流等焊接參數的選用作出指導，從而獲得理想的焊縫組織。

2）不同壁厚復雜薄壁結構件的焊接時，由于焊接溫度場的不均勻分布，造成了一定量的殘余應力與焊接變形，對于焊后有精密尺寸要求的產品，控制焊接變形非常重要。通過設計合理的焊接工裝，焊接順序，以及通反面保護氣等工藝措施可以很好地避免焊接變形。

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（編輯：王建喜）

Research on welding technology of 0Cr18Ni9Ti Austenitic stainless steel and 1J116 anti-corrosion soft magnetic alloy

LIU Wei,ZHANG Chunhong,XUE Jun,ZHEN Bo
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

The weldability of these two kinds of steel was investigated thoroughly after study of physical property,chemical property,chemical composition and microstructure of 0Cr18Ni9Ti Austenitic stainless steel and 1J116 anti-corrosion soft magnetic alloy.A set of positioning tools and a set of heat dissipation tools were designed reasonably according to the analysis results of the outer shell structure of the cold air shutoff valve used in liquid rocket engine.The influence of welding parameters on microstructure and properties of welding seam rough is analyzed and feasible welding technology is drawn up bymeans of Schaeffler organization chart.The reasonable welding sequence was designed by analysis of stress and deformation mechanism.A number of products were successfully welded after the technology improvement,and all the products passed the inspection of the appearance and leak detection executed byHelium mass spectrometer.

anti-corrosion soft magnetic alloy;Austenitic stainless steel;welding

V434-34

A

1672-9374(2017)01-0065-07

2016-03-29；

2016-04-11

劉偉（1988—），男，碩士，研究領域為液體火箭發動機先進焊接技術