1Cr13不銹鋼電磁組件焊接裂紋分析及工藝措施

董錟 牛劭臣 胡靖

摘 要：1Cr13馬氏體不銹鋼焊接性能差，極易產生冷裂紋缺陷。某航空產品零件的材料為1Cr13，在激光焊后焊縫產生延遲裂紋。現針對工件無法焊前預熱及其結構特點，用氬弧焊代替激光焊，通過焊接工藝控制解決該產品焊接裂紋問題，避免產生焊縫冷裂紋。

關鍵詞：1Cr13馬氏體不銹鋼;冷裂紋;氬弧焊;工藝控制

0? ? 引言

航空產品插座類零件一般采用激光焊焊接，利用激光焊熱量集中的特點防止焊接熱量燒壞插座內部電子元件，影響產品性能。其材料均為奧氏體不銹鋼，焊接性能良好，焊縫無質量問題。其中電磁組件殼體材料為1Cr13馬氏體不銹鋼，在焊接插座時，經試驗焊接參數，降低激光焊的速度，焊縫均勻光滑，無外觀缺陷。但在外廠使用過程中出現插座脫落的情況，經觀察端口形貌為脆性斷裂，初步定位為裂紋擴展引起焊縫失效。領取工件按原工藝進行焊接試驗，未發現焊接缺陷，在激光焊1～2天后出現延遲裂紋。本文擬通過氬弧焊替代激光焊，試驗焊接工藝方案，利用焊接加熱來達到對焊縫預熱和緩冷的效果，控制焊縫冷卻速度，減少脆性相產生，改善焊縫性能，得到優良焊縫。

1? ? 裂紋機理分析

1.1? ? 材料焊接性分析

零件殼體材料為1Cr13，化學成分如表1所示。

1Cr13馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區焊后狀態為脆硬的馬氏體組織，另外1Cr13鋼的碳當量約為2.76%，因此其焊接性能差[1]。因1Cr13馬氏體不銹鋼導熱性較碳鋼差，焊后殘余應力大，特別是焊縫含氫量較高時，在快速冷卻時極易產生冷裂紋。其焊接成分特點往往使其組織處于舍夫勒焊縫組織圖中的M和M+F邊界區，在冷卻速度小于10 ℃/s時近縫區會出現粗大的鐵素體，塑性和韌性也顯著下降[2]。所以，焊接冷卻速度的控制是一個難題。為得到合適的焊接接頭，往往需要焊前預熱200～250 ℃來防止冷裂紋產生，在焊后焊縫冷卻至150 ℃后加熱至650～750 ℃進行回火處理[3]，降低焊縫和熱影響區的硬度，減少焊接殘余應力，改善其塑性和韌性。

綜上所述，1Cr13的焊接工藝性能差，必須采用合適的焊接參數，并對工件進行焊前預熱，焊后須進行熱處理，以保證焊縫質量。

1.2? ? 結構焊接性分析

如圖1所示，電磁組件殼體和插座的焊接接頭為鎖底對接，焊縫無坡口，采用不添加焊絲自熔焊接。焊縫在工件的轉接處，容易在該處產生應力集中，結構焊接性能差。

1.3? ? 工藝焊接性分析

激光焊接的特點是焊接熱量集中，焊接變形小，焊接熱影響區小，焊縫的冷卻速度快。對于電磁組件來說，工件因內部的電子元器件無法進行焊前預熱和焊后緩冷處理，激光焊接后焊縫迅速冷卻，焊縫金屬析出大量脆硬的馬氏體組織，焊縫的塑性和韌性大幅度降低，冷裂紋傾向明顯增加[2]。公司使用的激光焊設備為楚天YAG-400激光焊機，其功率不足，焊縫的熔深只有0.3～0.5 mm，雖然激光焊的焊接應力小，但焊縫的整體承載強度小，在焊接應力的作用下產生延遲裂紋，如圖2所示。

2? ? 試驗方案

根據對焊縫延遲裂紋產生機理的分析，針對電磁組件零件特點，用氬弧焊代替激光焊接，選擇美國微熱AWS-

200自動氬弧焊機，試驗不同的焊接參數，研究不同焊接參數對焊縫質量的影響，如表2所示，從而得到最佳焊接工藝。

在試驗過程中，用紫銅工裝保護插座，加快插座整體散熱速度，避免焊接熱量燒毀插座。同時，在焊接過程中用頂針壓緊工件，對焊縫施加一個壓力直至完全冷卻，消除一部分焊接拉應力，減少焊縫的裂紋傾向。

采用小電流的焊接參數進行試驗時，試驗結果如圖3和圖4所示，圖3和圖4分別對應1#和2#焊接參數，從圖3可以明顯看到在靠近殼體部分焊縫出現明顯的溝槽裂紋，而圖4未看到焊接裂紋缺陷，但殼體處的焊縫有咬邊缺陷且焊縫表面不光滑。比較1#和2#焊接參數可以發現，在降低焊接速度后焊縫質量有明顯改善，裂紋消失。分析認為焊接速度降低，焊縫的冷卻速度變緩，焊縫中脆硬的馬氏體組織析出減少，焊縫的塑性和韌性超過焊接應力產生裂紋的臨界值，未出現開裂情況。

圖5是按3#參數進行焊接的電磁組件，從圖中可以看到，在焊接后焊縫中心位置有明顯的焊接裂紋缺陷且幾乎貫穿整個焊縫。和1#與2#參數相比，3#參數焊接熱輸入更大，焊接應力超過焊縫強度的臨界值，焊縫在焊接過程中直接開裂。

圖6是按4#參數進行試驗的電磁組件，焊縫均勻光滑，無外觀缺陷。和1#、2#、3#焊接參數相比，4#焊接參數焊接的工件焊接應力更大，但未出現焊接裂紋缺陷。在用4#參數進行焊接時，焊接熱輸入高，焊接熱影響區大，整個工件的溫度升高到一個較高的值，相當于對焊縫起到緩冷作用，焊縫的脆性相析出減少，焊縫的強度明顯提升。

3? ? 結論

（1）控制焊接熱輸入和焊縫的冷卻速度是影響1Cr13馬氏體不銹鋼焊接質量的重要因素，降低焊縫冷卻速度有助于提高焊縫的塑性與韌性。

（2）使用氬弧焊焊接電磁組件，在沒有焊前預熱和焊后熱處理的情況下，通過控制焊接工藝可以加工出合格的產品。

（3）選擇峰值電流60 A、基值電流32 A、焊接速度3 r/min、頻率5 Hz、脈寬比40%的自動焊接參數焊接電磁組件，能夠得到優良的焊接接頭。

[參考文獻]

[1] 楊興華，王海鵬，陳向陽.1Cr13馬氏體不銹鋼小孔等離子弧打底焊工藝[J].焊接技術，2012，41（3）：56-57.

[2] 李亞江.焊接冶金學——材料焊接性[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊：第2卷：材料的焊接性[M].北京：機械工業出版社，2001.

收稿日期：2021-05-24

作者簡介：董錟（1983—），男，河南新鄉人，工程師，主要從事軍用航空產品的質量監督工作。