高溫鎳基合金薄壁筒體電子束焊接工藝研究

黃麗， 王大勇， 馬勇， 徐健， 毛桂軍， 何芬

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

0 前言

鎳基合金是高溫合金中應(yīng)用最廣、 高溫強度最高的一類合金。 據(jù)統(tǒng)計， 鎳基合金的產(chǎn)量占高溫合金的70%以上， 它主要用于制造燃?xì)廨啓C的燃燒室、 葉片、 渦輪盤等熱端部件， Haynes 230為固溶強化型合金， 是美國哈氏公司開發(fā)的Ni-Cr-W 系鎳基高溫合金。

電子束焊接是利用加速和聚焦的電子轟擊真空室的焊件產(chǎn)生熱源進行焊接， 具有深寬比大、變形小、 接頭質(zhì)量高等特點， 是航空發(fā)動機和重型燃機中高溫端產(chǎn)品的首選焊接方法[1]。 目前國內(nèi)外針對鎳基合金電子束焊接技術(shù)的研究內(nèi)容主要集中在GH4169/GH909/GH4133 等材料， 而對哈氏合金的電子束焊接研究報道較少， 而針對Haynes 230 的電子束焊接工藝研究則更少。 因此， 其電子束焊接的組織性能目前尚不明確， 本文通過對Haynes 230 的焊接性分析， 根據(jù)板材的電子束焊接試驗結(jié)果， 對焊接接頭的組織性能進行分析，并確定Haynes 230 筒體電子束焊接工藝技術(shù)。

1 薄壁筒體的電子束焊接可行性分析

1.1 結(jié)構(gòu)的電子束焊接可行性分析

薄壁筒體的焊接接頭形式如圖1 所示： 1 筒體直通段卷制成型之后的拼接縱縫， 2 直段筒體與其他筒體件之間的環(huán)焊縫。 ZD150-60C CV60M 為目前使用的真空電子束設(shè)備， 其轉(zhuǎn)臺可升降、 轉(zhuǎn)動，并且可使用橫槍和豎槍進行焊接操作。 當(dāng)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動， 采用橫槍操作， 可實現(xiàn)圓周環(huán)焊縫的焊接；當(dāng)轉(zhuǎn)臺升降， 采用豎槍操作， 可實現(xiàn)縱縫的焊接，如圖2 所示。

圖1 筒體結(jié)構(gòu)組件

圖2 筒體結(jié)構(gòu)示意圖及真空電子束設(shè)備簡圖

1.2 試驗材料及材料焊接性分析

試板材料為Haynes 230， 冷軋后1 100 ℃固溶成型， 試板規(guī)格2 mm×300 mm×150 mm， 材料化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1～2。

表1 Haynes 230 合金成分wt%

表2 Haynes 230 材料力學(xué)性能

Haynes 230 合金屬于固溶強化合金并伴有彌散強化特性， 它具有鎳基合金典型的焊接特性。利用Jmatpro 模擬分析該合金的焊接性， 結(jié)果如圖3 所示。 從圖中分析結(jié)果看出合金凝固過程中先后析出了γ、 M23C6、 MC、 M3B2相， 其中γ 作為基體相含量達(dá)到95.4%， 其余的M23C6、 MC、 M3B2相則附著在γ 的晶界形成扎釘顆粒， 起到降低堆垛層錯能和高溫元素擴散， 阻止位錯運動， 提高合金的整體高溫性能。

圖3 Haynes 230 合金凝固析出相及體積分?jǐn)?shù)

從圖中可以看出合金的凝固溫度為1 266 ℃，γ 相開始析出溫度為1 399 ℃。 隨著溫度下降， 在1 322 ℃析出了一次碳化物MC， 在1 030 ℃達(dá)到峰值； 在1 266 ℃析出了M3B2， 含量隨溫度下不斷析出； 在1 030 ℃析出了M23C6， 在該溫度以下MC 含量開始急劇下降， 過多C 聚集形成了M23C6。

Haynes 230 合金焊接時， 高溫停留時間過長會導(dǎo)致MC 和M3B2的析出量增加， 同時在焊縫和熱影響區(qū)的碳化物和硼化物會產(chǎn)生晶粒長大現(xiàn)象，同時還伴隨敏化溫度區(qū)內(nèi)晶界易發(fā)生貧Cr、 貧Mo、 貧W 現(xiàn)象。 因此焊接合金時， 需采取快速冷卻， 減少高溫停留時間， 控制層間溫度等措施[2]。

2 試驗方法

試板采用對接形式， 間隙為0， 兩側(cè)錯邊量＜0.1 mm。 試驗設(shè)備為ZD150-60C CV60M 真空電子束焊機。 真空度為10-4mbar， 工作距離550 mm，采用豎槍焊接。 電子束流的入射點位置為焊縫中心， 且束流角度為0°， 掃描方式采用圓形掃描，焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 Haynes 230/ 2 mm 電子束焊接參數(shù)

焊接后利用電火花切割機加工測試件， 萬能試驗機測試常溫拉伸和彎曲性能， FM-800 顯微硬度計測試接頭的硬度分布， 利用OLYMPUS BX51M 型金相顯微鏡（OM）、 日本電子配置能譜儀的掃描電子顯微鏡（SEM&EDS）進行金相觀察。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 接頭力學(xué)性能分析

常溫拉伸和彎曲性能測試標(biāo)準(zhǔn)為ASME 第IX卷。 試件加工拉伸試樣2 件， 面彎和背彎試樣各2 件， 試驗結(jié)果見表4。

表4 常溫力學(xué)性能

焊態(tài)的Haynes 230 試樣抗拉及屈服強度均滿足母材要求， 且試樣斷裂在基材側(cè)， 彎曲試驗中均未出現(xiàn)裂紋， 性能完好。

3.3 顯微硬度

利用FM-800 顯微硬度計對4 組接頭進行維氏硬度測量， Haynes 230 加載條件為9.80 N/10 s，測量結(jié)果見表5， 焊縫區(qū)硬度整體較母材側(cè)偏低，平均硬度為234.83 HV。

表5 HAYNES 230 試板硬度

3.4 金相組織

Haynes 230 板材組織為面心立方的奧氏體γ基體上碳化物彌散分布， 根據(jù)GB/T 6394-2017《金屬平均粒度測定方法》 中給出的截點法測量合金接頭熱影響區(qū)與母材的晶粒度， 得出平均晶粒度為8.0 級， 結(jié)晶晶粒在焊縫區(qū)， 焊縫區(qū)組織為樹枝晶， 同時大量孿晶生成， 晶體整體排列不具有方向性， 在結(jié)晶過程中發(fā)生晶界偏析或枝晶偏析,并且晶界上碳化物呈鏈狀斷續(xù)分布[3]。 從圖4 可以看出， 焊接接頭無裂紋、 氣孔等缺陷， 說明工藝參數(shù)合理。留量不合適或者純度不高， 也極易導(dǎo)致焊接氣孔的產(chǎn)生[4-5]。

圖4 焊縫接頭金相圖片

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及電子束設(shè)備能力， 進行筒體的電子束焊接工藝試驗， 試驗分為縱縫試驗和環(huán)縫對接試驗。

對焊縫晶界上碳化物進行能譜分析， 如圖5所示， 化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 為Ni27.11%,Cr21.63%， W28.99%， Mo5.69%， 表明晶界上富Cr 的M23C6和富Mo、 W 的M6C 型碳化物共存。

圖5 焊縫晶界碳化物

4 筒體電子束焊接工藝試驗

從上述焊接試驗結(jié)果可以看出， 采用電子束方式焊接haynes 230 2 mm 薄板， 試驗的各項性能數(shù)據(jù)滿足ASME 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 通過查閱文獻可知，鎳基合金的焊接性能與奧氏體不銹鋼焊接具有相似問題：

（1）熱裂紋敏感性： 鎳基高溫合金電子束接頭微裂紋多發(fā)生在熔合線附近的熱影響區(qū)， 并且受組織成分、 焊縫形貌、 焊接拘束條件和焊接工藝參數(shù)的制約， 良好的焊縫成型和降低焊接速度以提高焊接線能量有利于改善接頭的熱影響區(qū)微裂紋傾向。

（2）氣孔： 合金元素含量分布的特點決定了合金固相和液相之間溫度很小， 流動性能大大降低，在焊接結(jié)束后由于快速冷卻的晶體凝固， 氣孔會極易產(chǎn)生； 同時焊接前坡口表面的油漬、 油漆、氧化物等異物沒有清理干凈， 或者氣體保護不當(dāng)、

4.1 產(chǎn)品試驗過程

縱縫試驗具體思路： 筒體卷制為橢圓， 焊后滾床校圓。 此種接頭保證電子束焊接時焊縫兩側(cè)平齊， 錯邊及間隙控制在0.05 mm。

環(huán)縫對接試驗具體思路： 采用工裝定位， 調(diào)整上下筒體件位置， 錯邊及間隙控制在0.05 mm。

4.2 過程控制要點

4.2.1 焊前清理

電子束對工件表面的清潔度要求較高， 因此必須在焊接前， 將焊接工裝、 筒體的對接坡口位置采用丙酮進行徹底清除。

4.2.2 錯邊及間隙控制

由于工件僅2 mm， 因此需要特別控制裝配兩側(cè)的錯邊量及間隙控制。 將工件在工裝上定位后，調(diào)整筒體縱縫對接位置兩側(cè)的錯邊量， 并用百分表進行檢測， 錯邊量控制在0.1 mm 以內(nèi)； 采用自熔定位焊， 焊后塞尺檢查間隙小于0.05 mm。

4.2.3 焊接過程注意觀察

按照試驗件的焊接參數(shù)進行焊接， 保證電子束焊縫的單面焊雙面成型， 焊接時再電子束設(shè)備觀察窗口對焊接過程進行監(jiān)控。

4.2.4 退磁處理

高溫鎳基合金自身不導(dǎo)磁， 但裝配工裝在裝配搬運過程中極易導(dǎo)磁， 從而影響電子束焊接，需要在電子束焊前對工裝進行退磁處理。

4.2.5 焊后檢驗

焊后對試驗件進行表面無損檢驗以及內(nèi)部質(zhì)量RT 檢驗， 除RT 檢查內(nèi)部存在個別尺寸＜0.2 mm 氣孔外， 其余無顯示。 采用刻線方式測量焊接前后的焊縫橫向及縱向收縮量， 均小于0.5 mm，焊接質(zhì)量及焊縫變形基本可控， 其中氣孔問題，在焊前進一步加強清理工序可解決。

5 推廣運用

通過對haynes 230 材料的薄壁環(huán)形件真空電子束焊接， 取得良好的接頭性能， 在生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性上都大幅改善， 因此， 將該工藝技術(shù)推廣運用至其他環(huán)形薄壁零件， 通過設(shè)計不同的支撐工裝， 達(dá)到采用真空電子束焊接的裝配要求， 實現(xiàn)產(chǎn)品制造。

6 結(jié)論

（1）利用JMatPro 材料性能模擬軟件分析Haynes 230 材料組織與性能， 與試驗結(jié)果進行組合對比， 為獲得最佳的焊接工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。

（2）結(jié)合ZD150-60C CV60M 電子束設(shè)備能力，通過分析haynes 230 筒體焊縫的接頭特點， 確認(rèn)產(chǎn)品實施電子束焊接的操作可能性。

（3）開展Haynes 230 合金鋼板電子束焊接試驗， 對焊縫的力學(xué)性能、 顯微硬度、 金相組織進行測試與分析， 驗證電子束焊接haynes 230 合金是完全可行的。

（4）針對縱縫、 環(huán)縫設(shè)計專門的工裝夾具， 可以有效控制電子束焊接引起的焊接變形， 同時對提高焊縫質(zhì)量起到重要作用。

（5）結(jié)合焊接試驗得出的工藝參數(shù)， 對燃燒器筒體開展電子束焊接工藝研究， 掌握了筒體焊接要點及關(guān)鍵工藝技術(shù)。