厚板Invar鋼多層多道焊與多層擺動焊效率與接頭質量對比分析

郝巨，李玉楊，朱永苗，張家豪，占小紅

(1.中航飛機股份有限公司，西安 710089；2.南京航空航天大學，南京 211106)

0 前言

先進復合材料成功地作為飛機結構材料迄今有幾十年的歷史，可以大幅度提升新一代大型飛機核心性能，成為繼鋼、鋁、鈦合金之后第四大航空結構材料[1]。隨著大型飛機對承載性能的要求變高，復材零部件結構變得越大越復雜，因此復材模具材料其成形過程變得尤為重要。國外大量采用Invar鋼作為復材模具，因為相比于其他模具材料其熱膨脹系數更接近復材，能夠有效解決因熱膨脹系數差異較大而引發殘余應力過大、裝配誤差等問題[2-3]。因此，Invar鋼已經逐漸作為飛機零件模具型材的必然選擇。

國內外諸多學者都對Invar鋼的連接工藝進行了研究。吳東江等人[4]利用脈沖激光作為焊接熱源，對2 mm,0.85 mm的Invar鋼進行了焊接試驗。結果表明，激光功率、脈沖寬度是焊縫表面形貌和接頭質量的主要因素，同時焊縫處的晶粒度要比基體的粗大，引起焊接區域硬度下降，將導致熔池冷卻后容易出現熱裂紋。黃鋼華等人[5]研究了20 mm厚的Invar鋼鎢極惰性氣體保護焊。結果表明，未焊透缺陷形成主要與坡口間隙有關，這是因為TIG焊接過程中外界空氣氣流極易干擾起弧與收弧過程，從而產生氣孔。張家銘[6]依次對3 mm,12 mm，25.4 mm厚度Invar鋼進行雙面多層多道TIG焊接工藝。在合理參數基礎上，采用有限元法研究了Invar鋼厚板焊接大型曲面模具結構件時翻轉次數與層間冷卻溫度對焊接變形的影響，并采用火焰矯正法對焊后變形進行控制。采用無損探傷技術和顯微鏡觀察微觀組織等方法分析了常見的內部缺陷，如氣孔、裂紋的產生原因并提出相應改善措施。Li等人[7]分析并比較了不開坡口5 mm厚Invar鋼激光焊接和復合焊的微觀組織、熱膨脹系數和力學性能。拉伸試驗表明，焊接接頭處都出現斷裂，但復合焊接抗拉強度高于激光焊接。

中厚板的焊接工藝多用于復雜構件，而傳統的單道焊接很難滿足厚板焊接的質量要求，國內學者針對厚板焊接進行了研究。楊晗等人[8]在45鋼表面進行了多層多道堆焊試驗，結果表明，后一道焊接的熱輸入會有利于前一道焊縫及熱影響區的組織細化，焊縫組織主要含有細小等軸晶和柱狀晶。Zhan等人[9]采用擺動焊焊接厚板Invar鋼。結果表明，在層間產生了良好的熔合層，沒有明顯的缺陷。所有拉伸試驗均發生韌性斷裂，斷口由等軸韌窩組成。

前述論文表明電弧焊和激光焊被廣泛運用于連接Invar鋼[10]，但電弧焊的焊接工作效率比較低，激光焊接受構件結構限制較大。同時，國內大部分研究都集中在中小厚度Invar鋼，而大型高性能飛機復合材料零部件要求大厚度Invar鋼模具件。對于厚板連接常用的方法有多層多道焊和擺動焊，但是工作量較大、生產效率低、熱輸入較大多且情況復雜，因此有必要對厚板Invar鋼多層多道焊和多層擺動焊進行研究。

文中對19 mm厚的Invar鋼焊接試板進行了多層多道焊和多層擺動焊試驗，并對比分析了兩種焊接工藝的效率和功耗，同時對比分析了兩種焊接接頭的焊接質量。

1 厚板Invar鋼多層多道焊與多層擺動焊試驗

1.1 試驗材料及設備

焊接試驗中采用19 mm厚的Invar鋼板作為母材，其具體化學成分見表1。焊接試驗的試板尺寸規格為100 mm×50 mm，坡口角度60°，具體焊接結構形式如圖1所示。焊絲采用Invar M93焊絲，其化學成分與Invar鋼十分相近，焊絲直徑為1.2 mm。該項目采用的焊接設備：型號為Fronius Trans Tig 5000 Job G/F的TIG焊機、型號為Fronius Trans Plus Synergic 5000 Steel的MIG焊機，配套設施有保護氣體及柔性工作臺等，如圖2所示。

表1 Invar鋼化學成分(質量分數，%)

圖1 焊接結構示意圖

圖2 焊接設備

焊前清理時，使用角磨機和砂紙清理焊件坡口與兩側的氧化層與雜質，隨后用丙酮溶液擦拭，在室溫下干燥。

1.2 多層多道焊與多層擺動焊接試驗

焊前準備后，分別進行多層多道焊和多層擺動焊試驗，其中，多層多道焊采用2層TIG打底，然后使用MIG來填充和蓋面，一共有7層焊道。多層擺動焊則是使用1層TIG打底，一共有5層焊道。使用具體的焊接工藝參數見表2、表3。

表2 多層多道焊接工藝參數

表3 多層擺動焊接工藝參數

進行完焊接試驗后，對焊件進行線切割，選取合適部位取樣，使用不同型號的砂紙研磨取得的試樣，再在拋光機上進行拋光，拋光后使用王水進行腐蝕，在金相顯微鏡下觀察腐蝕后的試樣。

2 試驗結果及工藝對比

使用多層多道焊和多層擺動焊都可以有效地連接厚板Invar鋼，因此比較2種工藝的優劣對于厚板Invar鋼焊接工藝的優化至關重要。該節對2種工藝下厚板Invar鋼的焊接質量、效率和功耗進行了對比和分析。

2.1 焊縫宏觀形貌對比

圖3、圖4分為2種工藝的焊縫宏觀形貌，對比研究表明，多層擺動焊的焊縫正面成形要優于多層多道焊，焊縫正面成形更加美觀整潔，并且有魚鱗形的焊縫出現，飛濺較少。總體來看，多層擺動焊的焊縫宏觀成形要優于多層多道焊。

圖3 多層多道焊縫宏觀形貌

圖4 多層擺動焊縫宏觀形貌

2.2 焊接效率對比

根據上述的多層多道焊和多層擺動焊試驗，計算每焊接1 m長度的Invar鋼厚板時2種工藝分別需要的時間，以此來對比兩種工藝的生產效率。

平均焊接單位長度所消耗的時間為：

(1)

式中：T為平均焊接單位長度所消耗的時間(s)；K為系數，取10(試驗材料長度為100 mm)；ti為焊接道數為i時的焊接時長(s)；n為焊接的總道數。

2種工藝下焊接長度為1 m厚板Invar鋼所需的時間見表4，可以發現多層擺動焊的焊接效率要高于多層多道焊。平均焊接單位長度Invar鋼，多層擺動焊比多層多道焊要節約近20%的時間。

表4 2種焊接工藝焊接單位長度Invar鋼所需時間

2.3 焊接功耗對比

根據上述試驗來分析2種工藝的焊接功耗，計算每焊接1 m長度的Invar鋼厚板時2種工藝焊機分別需要輸出的能量，以此來對比2種工藝的輸出耗能。

平均焊接單位長度焊機所消耗的能量為：

(2)

式中：Q為平均焊接單位長度焊機所消耗的能量J；Ui為焊接編號為i道時的電壓(V)；Ii為焊接編號為i道時的電流(A)；ti為焊接編號為i道時的焊接時長(s)；n為焊接的總道數。

基于上式可以計算出平均焊接1 m厚板Invar鋼時焊機所輸出的能量，結果見表5。可以發現，在焊接單位長度的厚板Invar鋼時，多層擺動焊所消耗的能量為12.97 MJ/m，多層多道焊所消耗的能量為10.16 MJ/m，多層擺動焊耗能要比多層多道焊耗能低21.7%左右。

表5 2種工藝焊接單位長度Invar鋼焊機所輸出的能量

3 金相分析

3.1 層間微觀組織對比分析

對試驗后的焊件進行切樣，使用金相砂紙對所切試樣進行研磨，再在拋光機上拋光，最后用相機和光學顯微鏡觀察多層擺動焊和多層多道焊接的橫截面圖像，如圖5和圖6所示。由圖5可知，多層擺動焊焊縫表面光滑、質量良好、無明顯的表面缺陷，同時擺動焊電弧在側壁停留時間長，可以提高側壁受熱量及改善熔合不良的情況。多層多道焊的宏觀截面圖如圖6所示，可以發現焊接接頭成形良好，截面無燒傷、宏觀裂紋等缺陷，但是相比于擺動焊表面很不均勻，有明顯的焊道痕跡。

圖5 多層擺動焊的橫截面圖像

多層擺動焊和多層多道焊的層間在焊接過程中都會發生重熔，二次凝固后形成層間重熔區，層間組織的對比分別如圖7、圖8所示。多層擺動焊的重熔區熔合良好，沒有裂紋、氣孔、未熔合等缺陷。而多層多道焊卻出現了明顯的未熔合缺陷，如圖8b所示。一方面是由于層間焊道表面的氧化層未被清理造成的，層間清理不好容易導致層間夾渣和熔合不良；另一方面是焊道數過多，焊縫冷卻階段凝固收縮沒有液態金屬及時補充從而產生未熔合。由于焊槍的擺動運動對熔池產生了攪拌作用，導致熔化速度過高，多層擺動焊的層間組織出現了明顯的外延結晶，生長方向垂直于熔合線并且傾向于彼此平行，柱狀晶的生長一直延續到下一焊道的組織；而多層多道焊的層間組織取向與上一焊道和下一焊道的組織都不太一樣，外延結晶現象非常微弱。此外，多層擺動焊和多層多道焊的層間組織由于經過了多次的熱輸入，重熔之后晶粒變得細小均勻，相比之下明顯可以看出，多層多道焊的重熔區組織更為細小。同時，多層擺動焊和多層多道焊的晶粒尺寸隨著層數的增加而減小，原因是在底層的焊縫組織受到的縱向熱輸入不斷增加，在后續焊縫的熱作用下垂直生長。

圖7 圖5中多層擺動焊層間熔合區金相圖

圖8 圖6中多層多道焊層間熔合區金相圖

3.2 晶粒尺寸及熱影響區對比分析

圖9a～圖9b、圖10a～圖10b分別是多層擺動焊和多層多道焊在光學顯微鏡下低倍、高倍的焊縫中心處金相照片，焊縫中心基本都存在2種類型的晶粒——大量方向不同的細長柱狀晶和少量的等軸晶。并且隨著焊縫中心逐漸向焊縫側過渡時，有明顯的等軸晶粒轉變為柱狀晶趨勢，這是由于焊縫中心區域溫度梯度小，促進了等軸晶的生核與長大；而焊縫兩側與母材存在較大的溫度梯度，是柱狀晶體形核和生長的先決條件。

用100 μm的直線分別測量多層多道焊和擺動焊的亞晶粒尺寸，其值由式(3)測得：

(3)

式中：L為測試線的長度，n為計數的細胞晶體的數量；ε表示晶粒尺寸，單位為μm。測得的結果見表6。

表6 2種焊接工藝焊縫中心區域的亞晶粒尺寸

在多層擺動焊和多層多道焊的焊縫中心各取了2條100 μm直線，最后求得多層多道焊的平均晶粒尺寸為3.8 μm，多層擺動焊的平均晶粒尺寸為5.1 μm。多層多道焊平均晶粒尺寸小于多層擺動焊，是由于多層多道焊的焊道數更多，每層的焊縫尺寸較小，后續的焊接都會對前面形成的焊縫組織產生熱作用，相當于進行了更多次數的熱處理，最終形成了更細的晶粒。同時擺動焊是沿曲線進行焊接，因此單道線速度較小、熱輸入較大，對焊縫會造成更大的熱輸入，有利于晶粒不斷長大。

圖9 多層擺動焊焊縫中心處金相圖

圖10 多層多道焊焊縫中心處金相圖

多層擺動焊和多層多道焊的熱影響區組織分別如圖11、圖12所示，母材組織如圖13所示。結果表明，母材都是由單相奧氏體晶粒組成，在母材和焊縫之間觀察到的粗大等軸晶的區域為熱影響區。由于多次焊接，每一次焊接后熱影響區都會在焊縫金屬回火過程中經歷一次熱過程，導致熱影響區晶粒長大。通過對比，明顯發現多層擺動焊的熱影響區的等軸晶晶粒大小要較多層多道焊的粗大，因為多層擺動焊焊接過程中速度是不均勻的，在熔池兩側停留的時間較長，促進了晶粒的生長。熱影響區的寬度大小測量如圖11和圖12所示，測量3次取平均值。多層擺動焊的熱影響區寬度大約為135 μm，而多層多道焊由于多次加熱，熱影響時間更久，導致熱影響區晶粒尺寸更大，約171 μm。

圖11 多層擺動焊熱影響區金相圖

圖12 多層多道焊熱影響區金相圖

圖13 母材區域金相圖

3.3 顯微硬度對比分析

采用HVS50硬度計對多層擺動焊和多層多道焊的硬度進行了測定，加載15 s，載荷9.8N。測量位置分別處于距離底層高6 mm和15 mm處，測量路徑從焊縫中心處直到母材。多層擺動焊和多層多道焊的硬度測量結果如圖14、圖15所示，x軸是測量點到焊縫中心的距離mm，y軸是維氏硬度值HV。硬度分布圖表明在距離底層15 mm時，硬度最低的位置一般處于熱影響區。

圖14 多層擺動焊顯微硬度測量結果

圖15 多層多道焊顯微硬度測量結果

由于電弧加熱，熱影響區晶粒長大，焊接接頭的軟化使熱影響區的硬度降低，因此熱影響區一般都是焊接接頭的薄弱點。同時硬度最高的位置一般處于焊縫中心處，因為中心處溫度梯度較小形成大量的等軸晶，由于細晶強化提高了材料的硬度。但是在距離底層高6 mm時，會發現焊縫區的硬度大部分不僅比母材低，還低于熱影響區。這是因為越靠近底層，晶粒越大導致顯微硬度越低。將兩種工藝的顯微硬度進行對比，顯然多層多道焊的硬度平均值高于多層擺動焊，正是因為多層多道焊小于多層擺動焊的晶粒平均尺寸，這在前文也通過計算證明。

4 結論

(1)在焊接單位長度的19 mm厚Invar鋼時，多層擺動焊比多層多道焊要節約近20%的時間，多層擺動焊輸出耗能要比多層多道焊輸出耗能低21.7%左右。

(2)多層擺動焊的層間重熔區熔合良好，多層多道焊卻出現了明顯的未熔合缺陷。多層擺動焊和多層多道焊的層間組織由于經過了多次的熱輸入，重熔之后晶粒變得細小均勻。

(3)多層多道焊的晶粒平均尺寸為3.8 μm，多層擺動焊的晶粒平均尺寸為5.1 μm；多層擺動焊的熱影響區寬度大約為135 μm，多層多道焊熱影響區寬度大約為171 μm。

(4)在距離底層15 mm時，硬度最低的位置一般處于熱影響區；在距離底層高6 mm時，會發現焊縫區的硬度大部分低于熱影響區。通過對比分析，多層多道焊的硬度平均值高于多層擺動焊。