15CrMnMoVA鋼與30CrMnSiA鋼氬弧焊及焊后熱處理工藝研究

戴浩，王寶龍，李智勇，王燕

江西昌河航空工業有限公司 江西景德鎮 333002

1 序言

15CrMnMoVA是一種具有較低合金含量和良好焊接性能的低碳貝氏體高強鋼，經調質處理后可以獲得高強度、良好的韌性和塑性以及良好的焊接性能，主要用在直升機主減撐桿、發動機支架等重要部件[1]。30CrMnSiA屬中碳調質鋼，強度高，焊接性能較差，30CrMnSiA鋼調質后有很高的強度和足夠的韌性以及淬透性，常用于汽車、飛機各種特殊耐磨零配件等。部分航空焊接零件由于特殊的使用要求，結構設計時選用15CrMnMoVA與30CrMnSiA兩種材料，并且需要通過焊接方法制造成形。但是這兩種材料焊接主要存在以下兩點問題：①焊接工藝規范中兩種材料焊接使用的焊絲不同，15CrMnMoVA鋼焊接應選擇15CrMnMoVA焊絲，30CrMnSiA鋼焊接應選擇H18CrMoA焊絲。②熱處理工藝規范中，為使兩種材料滿足Rm=（1180±100）MPa強度要求所采用的熱處理工藝制度不同。通過開展鎢極氬弧焊工藝試驗，分析添加15CrMnMoVA鋼和30CrMnSiA鋼焊接時所用焊絲對焊接接頭強度的影響，以及不同熱處理溫度對焊接接頭強度的影響，確定這兩種材料焊接合適的焊絲種類和熱處理工藝制度。

2 材料焊接及熱處理工藝性分析

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熱裂紋[2]，15CrMnMoVA鋼化學成分見表1，連續轉變曲線如圖1所示。

表1 15CrMnMoVA鋼化學成分（質量分數） （%）

圖1 15CrMnMoVA鋼連續轉變曲線[3]

30CrMnSiA屬于中碳調質鋼，含碳量高、合金元素多，在快速冷卻時，從奧氏體轉變為馬氏體的起始溫度Ms點較低，焊后熱處理區產生硬度很高的馬氏體，容易造成脆化，對氫致冷裂紋的敏感性很大。此外，焊接熔池凝固時，固液相溫度區間大，結晶偏析傾向大。因此，焊接時具有較大的熱裂紋傾向，需要采用低碳、低硫和磷的焊接材料[4]，30CrMnSiA鋼化學成分見表2，連續轉變曲線如圖2所示。

圖2 30CrMnSiA鋼連續轉變曲線[5]

表2 30CrMnSiA鋼化學成分（質量分數） （%）

3 試驗方法

試驗采用手工鎢極氬弧焊，試件材料為30CrMnSiA鋼與15CrMnMoVA鋼，規格為300mm×100mm×1.5mm，材料焊前熱處理狀態為冷軋+退火態。分別選用H18CrMoA、15CrMnMoVA兩種焊絲進行焊接，H18CrMoA、15CrMnMoVA焊絲室溫抗拉強度分別為630MPa、860MPa[6]，焊絲化學成分見表3、表4。焊接電流為60～70A，電弧電壓為8～13V，氬氣流量8～12L/min。試驗件焊接完成后，分別采用30CrMnSiA鋼、15CrMnMoVA鋼淬火和回火溫度進行調質處理。其中，30CrMnSiA鋼淬火溫度為880～900℃，油淬，回火溫度為500～570℃，水冷；15CrMnMoVA鋼淬火溫度為975℃，油淬，回火溫度為650～680℃，空冷。同時還選用H18CrMoA焊絲完成冷軋+退火態的30CrMnSiA鋼同種材料焊接，按30CrMnSiA鋼熱處理工藝制度進行焊后調質處理；選用15CrMnMoVA焊絲完成冷軋+退火態的15CrMnMoVA鋼同種材料焊接，按15CrMnMoVA鋼熱處理工藝制度進行焊后調質處理。按HB 5135—2000一級焊縫質量要求經過X射線檢測合格后截取這六類焊接試件焊縫試樣，按GB/T 228.1—2010要求進行拉伸檢測，以及母材硬度檢測、焊接接頭金相檢測。

表3 H18CrMoA焊絲化學成分（質量分數） （%）

表4 15CrMnMoVA焊絲化學成分（質量分數） （%）

4 結果分析與討論

4.1 力學性能

試件焊接接頭試樣拉伸性能、硬度檢測、斷裂位置結果見表5，試驗結果表明，30CrMnSiA鋼與15CrMnMoVA鋼異種材料焊接時，無論是添加H18CrMoA焊絲還是15CrMnMoVA焊絲，當采用15CrMnMoVA鋼熱處理溫度進行焊后調質處理的試件時，30CrMnSiA鋼母材側硬度與焊接接頭抗拉強度均低于1180MPa，相差約180MPa。這可能是，一方面，當采用更高的淬火溫度時，由于30CrMnSiA鋼的連續轉變曲線形狀與15CrMnMoVA鋼不同，在975℃轉變后奧氏體轉變量不充分；另一方面，當采用更低的回火溫度，30CrMnSiA鋼產生魏氏組織，均導致30CrMnSiA鋼母材及近母材側焊縫力學性能下降[7]。

表5 焊接接頭試樣力學性能測試結果

30CrMnSiA鋼與15CrMnMoVA鋼異種材料焊接時，當添加H18CrMoA焊絲時，使用30CrMnSiA鋼的熱處理工藝焊后調質處理后的焊接接頭性能較佳，達1180MPa，與30CrMnSiA鋼、15CrMnMoVA鋼同種材料焊接后經相應熱處理溫度調質處理后的焊接接頭基本相同；當添加15CrMnMoVA焊絲時，使用30CrMnSiA鋼的熱處理工藝焊后調質處理后的焊接接頭性能較佳，達1180MPa，與30CrMnSiA鋼、15CrMnMoVA鋼同種材料焊接后經相應熱處理溫度調質處理后的焊接接頭基本接近。總體表明，這兩種材料焊接時，使用稍低的淬火溫度、稍高的回火溫度，可以獲得綜合力學性能更優的接頭，與調質處理后的基體材料力學性能相當。

4.2 金相組織

30CrMnSiA鋼與15CrMnMoVA鋼異種材料焊接接頭的金相組織如圖3～圖6所示，在圖3和圖5中，焊接試件使用熱處理淬火溫度為880～900℃，回火溫度為500～570℃，15CrMnMoVA鋼母材側和30CrMnSiA鋼母材側組織呈現索氏體組織特征，為屬于鐵素體和滲碳體的混合，焊縫區晶粒粗大，沒有明顯的結晶取向，圖3和圖4焊縫區的差異在于使用H18CrMoA與15CrMnMoVA焊絲焊縫區組織中鐵素體和滲碳體比例不同，這是由于兩種焊絲成分不同導致熔化結晶后的析出相分布差異。

圖3 1號試驗件金相組織

圖5 3號試驗件金相組織

在圖4和圖6中，焊接試件使用熱處理淬火溫度為975℃，回火溫度為650～680℃，15CrMnMoVA鋼母材側和30CrMnSiA鋼母材側組織呈現粒狀貝氏體組織特征，晶粒沿奧氏體晶界析出，在鐵素體間分布有滲碳體。圖4的焊縫區組織無異常，鐵素體與滲碳體交叉，但是圖6的焊縫區出現了明顯的魏氏組織特征，且明顯具有過燒痕跡，分析這是由于焊接熱循環過程中，奧氏體晶粒重新長大，冷卻時，首先沿奧氏體晶界析出粗大的針狀鐵素體，富集的奧氏體轉變為珠光體，鐵素體沿奧氏體晶界析出后，順奧氏體晶粒內慣習面上不斷長大形成的[8]，這種組織的焊接接頭的力學性能很差，符合拉伸性能測試結果，僅為894MPa。

圖4 2號試驗件金相組織

圖6 4號試驗件金相組織

5 結束語

通過開展15CrMnMoVA和30CrMnSiA合金鋼異種材料焊絲和熱處理工藝制度選用工藝試驗，并對焊接接頭的力學性能和金相組織進行對比分析，得出如下結論：

1）15CrMnMoVA鋼與30CrMnSiA鋼異種材料焊接，選用15CrMnMoVA與H18CrMoA焊絲均能滿足性能要求。

2）15CrMnMoVA鋼與30CrMnSiA鋼異種材料焊接，焊后調質處理宜采用30CrMnSiA鋼的熱處理工藝制度，即淬火溫度為880～900℃，油作為淬火冷卻介質，回火溫度為500～570℃，焊后經過調質處理的接頭抗拉強度可達1180MPa左右。