航空超高強(qiáng)度鋼TIG焊修復(fù)接頭性能分析

晁耀杰，周元彪，李德勝

1.大連長豐實(shí)業(yè)總公司 遼寧大連 116038

2.大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧大連 116034

1 序言

30CrMnSiNi2A是航空制造業(yè)中應(yīng)用最普遍的一種低合金超高強(qiáng)度鋼，其具備比強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性好、疲勞擴(kuò)展速率低及抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)制造中常被用來作為起落架活塞桿、高強(qiáng)度聯(lián)接螺栓、平尾大軸等關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件的主體材料[1，2]。在飛機(jī)服役過程中，由于承受交變載荷和各種腐蝕環(huán)境影響，所以30CrMnSiNi2A鋼航空零件難免會(huì)產(chǎn)生磨損、腐蝕、掉塊和開裂等缺陷，而TIG焊是最常見的修復(fù)工藝，也是一種降低成本且能保證零件結(jié)構(gòu)完整性的重要手段。

TIG焊（Tungten Innert Gas）又稱鎢極氬弧焊或GTA焊（Gas Tungten Arc），是所有焊接方法中應(yīng)用面最廣且能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)焊接的一種方法[3]。TIG焊修復(fù)工藝作為一種集化學(xué)冶金、不平衡傳熱和應(yīng)力變形于一體的物理化學(xué)過程[4]，其修復(fù)接頭的性能對(duì)零件的服役可靠性有著重要影響。目前，國內(nèi)外針對(duì)30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復(fù)接頭性能方面的研究比較少，因此開展該超高強(qiáng)度鋼TIG焊修復(fù)性能研究對(duì)同材質(zhì)航空零件TIG焊修復(fù)的可靠性評(píng)估具有十分重要的理論和實(shí)際意義。

本文針對(duì)30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復(fù)接頭的金相組織、拉伸性能、顯微硬度分布和沖擊韌度進(jìn)行了測(cè)試分析，并通過掃描電鏡觀察了拉伸斷口和沖擊斷口的形貌特征。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用的是航空用30CrMnSiNi2A鋼，供貨熱處理狀態(tài)為900℃淬火+290℃回火3h+空冷，其化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)材料的尺寸為200mm×100mm×11mm，為模擬此類航空零件的TIG焊修復(fù)工藝，將試驗(yàn)材料的焊接坡口加工成如圖1所示尺寸。為最大程度地減少焊接缺陷的產(chǎn)生，首先對(duì)焊接坡口及附近區(qū)域進(jìn)行噴砂處理并采用蘸有丙酮的干凈棉布擦拭干凈，然后采用φ3mm的H18CrMoA焊絲對(duì)坡口進(jìn)行TIG焊修復(fù)，保證坡口完全被填充，在TIG焊修復(fù)前后均需要將試驗(yàn)材料放置在熱處理爐中加熱至（260±5）℃保溫2～3h，最后隨爐冷卻至室溫。

表1 30CrMnSiNi2A鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 TIG焊修復(fù)坡口尺寸

2.2 試驗(yàn)方法

為了研究TIG焊修復(fù)對(duì)30CrMnSiNi2A鋼微觀組織的影響，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》制作金相試樣，并采用VHX-1000E光學(xué)顯微鏡觀察TIG焊修復(fù)接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)等各微區(qū)的金相組織形貌。

為了測(cè)試分析TIG焊修復(fù)對(duì)30CrMnSiNi2A鋼靜強(qiáng)度與塑性的影響，依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》加工出標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，并采用UH-FI萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)。

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》加工出硬度檢測(cè)試樣（見圖2），并采用AMH43全自動(dòng)顯微硬度儀進(jìn)行測(cè)試，加載載荷5N，保持時(shí)間10s。

圖2 硬度取點(diǎn)位置

為考察TIG焊修復(fù)接頭的沖擊韌度，按照GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》加工出沖擊試樣（見圖3），并在Instron9350型落錘儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)上開展常溫沖擊試驗(yàn)。

圖3 沖擊試樣尺寸

為了分析拉伸斷口和沖擊斷口的微觀形貌特征，采用Quanta200FEG場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 金相觀察試驗(yàn)

30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復(fù)接頭的形貌如圖4所示，接頭由焊縫區(qū)、熔合線、熱影響區(qū)和母材區(qū)組成。接頭微觀組織如圖5所示。焊縫中心主要為粗大等軸晶，靠近熔合線的焊縫區(qū)主要由柱狀晶構(gòu)成。這是因?yàn)槿廴诘奶畛浣饘偈紫葟娜酆暇€開始凝固，由于冷卻速度較快，過冷度較大，容易生成柱狀晶，焊縫中心凝固速度變慢且過冷度減小，更容易生成等軸晶。焊縫金屬在冷卻過程中經(jīng)歷了固態(tài)相變，首先形成奧氏體和鐵素體組織，隨著溫度進(jìn)一步下降，轉(zhuǎn)化為板條馬氏體和少量殘留奧氏體[5]。

圖4 TIG焊修復(fù)接頭形貌

從圖4可以看出，靠近熔合線的熱影響區(qū)依次為完全淬火過熱粗晶區(qū)和完全淬火細(xì)晶區(qū)，完全淬火過熱粗晶區(qū)的放大形貌如圖5b所示，完全淬火細(xì)晶區(qū)的放大形貌如圖5c所示。由于完全淬火過熱粗晶區(qū)靠近熔合線，所以在TIG焊熱量的作用下發(fā)生過熱，奧氏體晶粒變粗大，而完全淬火細(xì)晶區(qū)最高溫度相對(duì)較低，奧氏體晶粒未變粗大，隨著焊縫的快速冷卻，熱影響區(qū)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和少量貝氏體。由于冷卻過程中晶粒尺寸未發(fā)生變化，因此完全淬火過熱粗晶區(qū)組織主要由粗大的板條馬氏體和少量貝氏體組成，而完全淬火細(xì)晶區(qū)組織主要由細(xì)小均勻的針狀馬氏體和少量貝氏體組成[6，7]。

圖5 接頭微觀組織

3.2 拉伸試驗(yàn)

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)30CrMnSiNi2A鋼的母材和TIG焊修復(fù)接頭進(jìn)行常溫拉伸性能測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 靜拉伸性能測(cè)試結(jié)果

30CrMnSiNi2A作為一種超高強(qiáng)度鋼，具備優(yōu)良的力學(xué)性能，但經(jīng)過TIG焊修復(fù)后接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能變化較大：母材的抗拉強(qiáng)度為1680.50MPa，TIG焊修復(fù)接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為1705.85MPa，比母材高1.5%，數(shù)值上與母材相當(dāng)；TIG焊修復(fù)接頭的伸長率平均值為5.48%，比母材下降39.11%；TIG焊修復(fù)接頭的斷面收縮率平均值為24.55%，比母材下降45.44%。由此可知，TIG焊修復(fù)接頭的強(qiáng)度與母材相當(dāng)，塑性指標(biāo)下降較嚴(yán)重。這是因?yàn)門IG焊修復(fù)接頭的焊縫組織主要由塑性較差的板條馬氏體構(gòu)成，而母材組織主要由細(xì)小均勻的針狀馬氏體和貝氏體構(gòu)成，母材塑性要強(qiáng)于焊縫。同時(shí)TIG焊修復(fù)接頭均斷于熱影響區(qū)，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)相比正常的母材區(qū)和焊縫區(qū)，其強(qiáng)度最低。

3.3 顯微硬度試驗(yàn)

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》開展顯微硬度測(cè)試，TIG焊修復(fù)接頭的顯微硬度分布曲線如圖6所示。從圖6可看出，該接頭的硬度分布趨勢(shì)大體是焊縫處最高，為592HV；熱影響區(qū)最低，為458HV；遠(yuǎn)離熔合區(qū)的母材硬度平均值為562HV。這是因?yàn)樵赥IG焊修復(fù)過程中，焊縫區(qū)冷卻速度較快，生成了硬度較大的板條馬氏體和少量殘留奧氏體組織，靠近熔合線的熱影響區(qū)在焊接熱的作用下形成了完全淬火粗晶區(qū)，硬度值最低；完全淬火細(xì)晶區(qū)和母材區(qū)均由晶粒細(xì)小的馬氏體組織和少量貝氏體組織構(gòu)成，硬度值較高。

圖6 TIG焊修復(fù)接頭的顯微硬度分布曲線

3.4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復(fù)接頭與母材開展常溫沖擊試驗(yàn)，TIG焊修復(fù)接頭沖擊曲線如圖7所示，沖擊性能測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 沖擊性能測(cè)試結(jié)果

圖7 TIG焊修復(fù)接頭沖擊曲線

沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，TIG焊修復(fù)接頭的平均沖擊韌度值為44.32J/cm2，母材沖擊韌度值為85J/cm2，經(jīng)TIG焊修復(fù)后接頭的沖擊韌度降低了47.86%。由此可知，TIG焊修復(fù)接頭的耐沖擊性能相比母材下降嚴(yán)重。這是因?yàn)楹缚p金屬為鑄態(tài)組織，且組織主要由板條馬氏體和殘留奧氏體構(gòu)成，相比母材的軋制態(tài)組織，脆性增大，耐沖擊性能下降。

3.5 斷口形貌觀察試驗(yàn)

通過上述拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TIG焊接頭的拉伸試樣均斷裂在熔合線附近的熱影響區(qū)，根據(jù)金相觀察和顯微硬度測(cè)試結(jié)果，可以判斷出斷裂位置為完全淬火過熱粗晶區(qū)。該斷口的宏觀形貌如圖8a所示，掃描電鏡觀察的高倍微觀形貌如圖8b所示。通過相關(guān)文獻(xiàn)[8-10]可知，超高強(qiáng)度鋼材料的沖擊斷口會(huì)存在三個(gè)典型區(qū)域：放射區(qū)、纖維區(qū)和剪切唇，如圖9所示。本文采用掃描電鏡對(duì)TIG焊修復(fù)接頭沖擊斷口的底部剪切唇區(qū)域進(jìn)行了觀察，其高倍微觀形貌如圖10所示。

圖8 TIG焊修復(fù)接頭拉伸斷口形貌

圖9 沖擊斷口形貌示意

通過圖8b和圖10均可觀察到明顯韌窩和撕裂棱，圖8b顯示的等軸韌窩及圖10顯示的拉長韌窩和等軸韌窩在沖擊斷口中均占據(jù)一定比例。通過以上斷口的微觀觀察，可以判斷出TIG焊修復(fù)接頭的拉伸斷口和沖擊斷口均呈現(xiàn)塑性斷裂特征。

圖10 TIG焊修復(fù)接頭沖擊斷口底部剪切唇高倍微觀形貌

4 結(jié)束語

1）30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復(fù)接頭焊縫中心為粗大等軸晶，靠近熔合線的焊縫主要為柱狀晶，靠近熔合線的熱影響區(qū)依次為完全淬火過熱粗晶區(qū)和完全淬火細(xì)晶區(qū)，前者主要由粗大的板條馬氏體和少量貝氏體組成，后者主要由細(xì)小均勻的針狀馬氏體和少量貝氏體組成，該補(bǔ)焊修復(fù)接頭組織可通過低溫回火處理得到改善，進(jìn)而滿足產(chǎn)品性能要求。

2）TIG焊修復(fù)接頭的抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)，伸長率下降39.11%，斷面收縮率下降45.44%；修復(fù)接頭焊縫硬度最高為592HV，熱影響區(qū)最低為458HV，遠(yuǎn)離熔合區(qū)的母材硬度平均值為562HV；修復(fù)接頭沖擊韌度為44.32J/cm2，母材沖擊韌度為85J/cm2，TIG焊修復(fù)接頭的耐沖擊性能下降嚴(yán)重，表明該TIG焊修復(fù)部位更容易在沖擊載荷下產(chǎn)生開裂缺陷。因此，可通過增大焊縫余高來保障使用的可靠性。

3）掃描電鏡觀察結(jié)果表明，TIG焊修復(fù)接頭的拉伸斷口和沖擊斷口均存在大量韌窩和撕裂棱，呈現(xiàn)塑性斷裂特征。