高溫合金GH3030不等厚環形件縫焊氣孔控制研究

柯文敏，嵇佳佳，盧銳，李飛，吳超，陳雅，金坤梓，湯俊禮，程琦

中國航發南方工業有限公司 湖南株洲 412002

1 序言

電阻焊方法起源早，在民用產品使用廣泛，焊縫要求簡單，工藝研究創新少；對于航空精密零部件大多是Ⅱ級焊縫，焊縫要求高，特別是在高溫合金材料的廣泛使用，工藝研究少，且對于電阻焊接工藝過程要求非常高，焊縫內部質量有氣孔控制要求[1]。

GH3030是早期發展的80Ni-20Cr固溶強化型高溫合金，化學成分簡單，在800℃以下具有良好的熱強性和高塑性，以及抗氧化、熱疲勞、冷沖壓和焊接工藝性能。合金經固溶處理后為單相奧氏體，使用過程中組織穩定[2]。其主要用于航空發動機800℃以下工作的渦輪發動機燃燒室部件，以及在1100℃以下要求抗氧化并承受載荷很小的其他高溫部件。這些部件采用焊接連接時對焊縫內部質量要求嚴格，不允許有超過一定尺寸和數量的氣孔或裂紋，特別在不等厚板（接近1 : 2）連接上，極易出現焊縫熔核偏移和氣孔缺陷。基于此，針對GH3030高溫合金開展不等厚板縫焊工藝研究。

本文以板料試片為對象，以某典型零件發生器屏蔽組件（見圖1）為生產驗證載體，屏蔽組件經過縫焊后，再經X射線檢測，要求氣孔≤φ0.5mm，缺陷間隔應＞5mm，允許的缺陷總數200mm焊縫上≤20個。研究焊接氣孔與各種因素（電流、壓力、時間、工裝滾盤、零件板厚、設備）之間的關系；為了解決內部氣孔數目和直徑超標的問題，摸索新的焊接參數，確保零件的質量，進行了滾焊消除氣孔的工藝研究。

圖1 某機型屏蔽零件

2 試驗過程

2.1 試驗材料及設備

（1）材料 高溫合金GH3030板材厚度分別為1.1mm和2mm，其化學成分見表1。

表1 GH3030高溫合金化學成分（質量分數） (%)

（2）高溫合金GH3030零件 某型發動機發生器屏蔽（壁厚2mm）及內環（壁厚1.1mm）。

（3）試驗設備 三相次級整流縫焊機HANSON AB-150-40S、線切割機、低倍顯微鏡及光學電子顯微鏡。

2.2 試驗過程

1）焊前清理：先采用化學和機械清理方式，去除試板和試件表面氧化膜和油污，再用無水酒精清理擦拭零件焊縫。

2）以原設備焊接參數為基礎，更換為下電極臂剛性較好的三相次級整流橫縫焊機AB-150-40S進行不等厚度板材的分組焊接試驗，滾盤設計采用上寬8mm、下寬7mm。焊接參數為：休止時間統一設置15周波，從電流、壓力、時間等參數匹配對焊縫氣孔的影響規律，按照變量正交試驗參數設計原則，共計9組試驗參數，見表2。對每組試件進行焊縫外觀、低倍檢查，X射線氣孔檢查，對比結果找出最佳參數組合。

表2 縫焊試驗焊接參數

3）進行單個試驗零件屏蔽和內環驗證試驗。

4）進行批量正式零件驗證。

5）對最佳工藝參數的試板和正式零件進行高倍金相組織分析。

3 試驗結果與分析

3.1 縫焊氣孔控制影響分析

對于GH3030不等厚板零件內部氣孔，是由于切斷焊接電流后熔池在凝固過程中，電極壓力繼續維持至熔核凝固到足夠強度。當熔核達到合格的形狀與尺寸后，切斷焊接電流，熔核在電極壓力作用下冷卻，熔核體積小，夾持在水冷電極間，冷卻速度高，熔池產生三向拉應力，電極壓力在時間、空間分布、大小未與熔池產生的三向拉應力相互平衡，導致局部的熔池隨著自身產生的應力自由變化，從而拉出縮孔缺陷[1，2]。

針對以上原因，滾焊焊接過程中，對于達不到內部氣孔的要求，調整焊接參數、改進焊接工裝、調整工藝控制過程。解決縫焊內部氣孔，不是單一的解決氣孔，電阻焊參數的調節應兼顧以不出現焊接飛濺為首要條件為每個參數調節的臨界點，兼顧熔核大小，對于該零件不等厚板料的焊接還應兼顧熔核偏移的問題，在調整焊接參數時要兼顧電流、壓力、時間、工裝滾盤、零件板厚、設備相互之間的匹配關系。在焊接設備SM-200上，雖然原始焊接參數經過試片參數的調節后方能合格，但是在零件上合格難度比較大，因為對于內部氣孔和裂紋有要求的焊縫，必須選擇隨動性比較好的電阻焊設備，而設備的繞度問題是影響隨動性的一個關鍵因素。由于隨動性差，電極壓力設置對于熔核的裂紋和氣孔將起不到作用，因此為了解決氣孔，從以下三個方面進行改進。

1）調整焊接設備，改用隨動性好的設備，保證壓力曲線隨時間變化的穩定性和及時性。

2）調整焊接滾盤，防止熔核偏移和虛焊，保證熔核的焊透率和熔核大小。

3）在以上兩個硬件的條件下，調整合適的焊接電流、時間、焊接壓力匹配關系，從而改變能量曲線和壓力隨時間變化曲線，解決焊接飛濺和內部氣孔問題。

根據熱量公式（Q=I2Rt），對厚度大的材料產熱多、散熱難，因此防止熱量不平衡的工藝方法是采用不同的滾盤寬度以及冷卻條件。那么上面采用厚而大的滾盤使通過電流通路的熱量散失快，下面采用薄而小的滾盤散熱慢；同時在外冷卻水流量控制上，上面開的冷卻水流量大些，這樣達到兩者熱量的平衡，防止了熔核的偏移。在熔核控制方面，經過工藝改進，在熔核寬度滿足要求的情況下，厚薄板的焊透率約為50%。最后進一步優化焊接參數試驗，選擇焊接模式為滾點焊（步進點焊）的模式，調整最佳焊接參數。

3.2 縫焊氣孔控制試驗結果及分析

點焊焊接循環過程通常包括預壓、焊接、維持、休止4個過程[1]。根據焊件材質及焊接結構要求在焊接循環中還可以增加預熱、回火、鍛壓等過程，構成復雜的焊接循環。縫焊在第一點進行出現預壓，最后一點出現維持和休止，焊接循環上是以重復焊接和冷卻之間焊接，在焊接過程中，縫焊實現不了鍛壓力的功能。因此，首先，選用能加鍛壓設備，且該臺設備繞度小，在焊接過程中隨動性好，加鍛壓力后無延遲，這樣可以保證在熔池凝固過程中實現壓力的匹配。其次，設備參數必須采用滾點焊（步進點焊）的方式，運用縫焊的自動化和速度一致性，用點焊的鍛壓力功能以達到控制零件的內部質量，調節參數的過程見表2，試驗結果見表3。

從表2和表3中可以看出，采用滾點焊模式能根據材料的熔化和凝固過程中改變壓力曲線，以適應熔池不同時間的力學特性。對于縫焊來說，解決內部氣孔一般是預壓時間延長，壓力增大，當壓力增加到60PSI時就會產生飛濺。從原設備參數組到第1組參數增加預壓時間和焊接壓力的情況下，氣孔的數目和大小基本沒什么變化，說明滾焊這種模式對于解決氣孔并不理想，因此采用滾點焊焊接模式，見表2中第3組～第9組參數。

表3 縫焊試驗參數結果統計

根據電阻焊的原理，電阻產生熱量，當電流不變時，電阻越大產生的熱量越多[3-5]。當兩塊金屬相接觸時，接觸處的電阻遠遠超過金屬內部的電阻。因此，如有大量的電流通過接觸處，則其附近的金屬將很快地燒紅熱并獲得很高的塑性。這時施加壓力，兩塊金屬就會連接成一體[2]，焊接GH3030高溫合金不等厚板易產生熔核的偏移和虛焊。出現熔核偏移的原因是熔核不對稱于其交界面，偏向厚板或導電導熱差的一邊，偏移的結果是薄件或導電、導熱好的工件焊透率低。熔核偏移是由兩工件產熱和散熱條件不相同引起的厚度不等焊接，厚板一側電阻大，交接面離電極遠，故產熱多而散熱少，熱量在厚板積聚，那么熔核在熱量多的地方就會形成熔核多。因此，在焊接不等厚高溫合金材料時，為了使熔化核心不出現偏移帶來氣孔研究的深入，設計上下電極寬度不一致，滾盤將原來的上下均為8mm寬改制成上8mm、下7mm的滾盤，滾盤接觸面采用球面設計，滾盤結構如圖2所示。采用這種設計是因為上滾盤厚2mm、下滾盤厚1.1mm的GH3030高溫合金，從而達到上下熱量的平衡。

圖2 滾盤結構

鎳基高溫合金相對于碳素鋼，由于熱導率小、線膨脹系數大，所以熱脹冷縮體積的變化幅度大。為了減少因導熱性差而導致焊接過程中產生的不均勻受熱，溫度場分布差距大，導致受熱殘余應力和受熱變形，通常使用預熱脈沖；在焊接凝固過程中，縫焊通常采用外部水冷，這相當于水淬處理，冷卻速度比空冷快。冷卻速度過快會產生熱脹冷縮的體積變化大，引起頂鍛壓力過早介入，易使熔核直徑過小，且易產生飛濺；介入過晚，則頂鍛壓力起不到作用。對于高溫合金，由于焊接易產生氣孔和裂紋，因此冷卻時間點不好把握。為了使頂鍛壓力時機裕度更大，需要加緩冷的脈沖，增加焊接循環中的時間，使凝固過程放慢，即采用三段電流的方式：預熱、焊接、緩冷。

根據表2，鎳基高溫合金GH3030調節電阻焊參數組合，選擇3段加熱電流還不夠，在電流曲線滿足要求的情況下還必須兼顧壓力曲線，因為壓力曲線是解決零件氣孔的關鍵，并且該種材料的電阻率和高溫強度比不銹鋼和普通碳素鋼要大。根據熱量公式，在產生同等熔化熱量的情況下，GH3030高溫合金使用的電流相比不銹鋼和普通碳素鋼要小，高溫屈服強度大，相互之間產生的拉應力相對較高，必須使用比不銹鋼和普通碳素鋼大的頂鍛壓力，這樣才能克服材料的高溫屈服強度和體積的變化產生的內部應力，從而達到去除縮孔的目的。因此，要去除氣孔，應不斷地提高滾點焊過程中的頂鍛壓力。從表2中可以看出，第3～第7組參數隨著壓力的增加，氣孔的直徑在不斷的減小，到了85PSI后基本保持不變，而鍛壓延遲時間是在第2段脈沖開始時間點開始計算延遲9個周波為最佳加頂鍛壓力的時機；同時，隨壓力的增加，零件接觸界面的電阻是顯著減少的，電流基本不受影響，那么形成熔核的能量減少、熔核直徑就會減少，所以從第3組～第6組參數隨著壓力的增加，同時電流也跟著調節，這樣才能保持熔核直徑和板材焊透率基本不變。

從表2中看出，到第7組調節壓力對縮孔的直徑沒有太大的影響，因此對于GH3030高溫合金具有散熱慢的物理特性，增加緩冷脈沖，那么就使鍛壓力達到最佳。對于這個壓力值的保持時間長短來說顯得很重要，因為焊縫的熔核是在鍛壓力外力的作用下進行凝固的，由于凝固有時間要求，如果鍛壓力的保持時間不夠，就容易產生氣孔缺陷，所以第8組參數是在第6組參數基礎上把維持時間從25周波增加到35周波。隨著維持時間的增加，氣孔的直徑從0.8mm降到了0.6mm，第9組參數把維持時間增加到45周波，氣孔基本消除，最終滿足設計和工藝的要求。即表2中第9組參數為最佳工藝。

3.3 正式零件批量穩定性驗證

采用第9組參數進行生產驗證，改進后的結果見表4， X射線檢測質量一次合格率100%，達到預期的效果。

表4 零件改進后X射線檢測結果

通過生產驗證，第9組焊接參數零件外觀如圖3所示。由圖3可以看出，經過改進后的焊接參數，零件表面狀態為白亮色，外觀無燒損氧化；經X射線檢測，不僅在焊接第13個首件上合格，滿足設計圖樣和工藝要求，X射線內部氣孔缺陷的數目少，最大為0.2mm，而且8個零件用第9組參數進行焊接內部均符合標準要求。

圖3 第9組焊接參數零件外觀

通過金相試驗（見圖4），橫向熔核寬度4.3m m，薄板焊透率40%，厚板焊透率40%，壓坑深度均約0.15m m；縱向剖切焊縫重疊率為30%～50%。經過金相組織分析（見圖5），焊縫區為枝晶組織，基體和熱影響區是等軸晶組織，熱影響區組織較基體有明顯的晶粒長大，滿足G3030高溫合金電阻焊接的組織和強度要求。

圖4 縫焊焊縫熔核宏觀低倍金相

圖5 縫焊焊縫熔核微觀金相組織

4 結束語

1）高溫合金GH3030不等厚環形件縫焊最佳焊接工藝為：焊接設備選用繞度小、隨動性好的AB-150-40S焊機；焊接模式從滾焊改為滾點焊（步進點焊）；電流脈沖從單脈沖調整為預熱、焊接、回火多脈沖焊接；焊接壓力為85PSI，鍛壓增量壓力為22PSI，鍛壓延遲為9個周波；維持時間為45周波；焊接滾盤設計為上8mm、下7mm等寬滾盤。

2）新確認的焊接參數熔核平均為φ5.2mm，焊縫熔核焊透率薄板和厚板均為40%，重疊率為30%～50%，焊縫未出現熔核的偏移。焊縫組織為均勻的枝晶組織，基體和熱影響區為等軸晶組織，熱影響區組織較基體無明顯的晶粒長大，焊縫內部氣孔最大為0.2mm，遠遠小于標準要求。

3）多批次零件生產驗證一次X射線檢測合格率為100%；零件焊縫外形美觀接近金屬本色，不僅大大提高了產品質量和零件的生產效率，而且降低了生產成本。