超高強度鋼點焊裂紋修復技術

汪朝陽

（中國空空導彈研究院， 河南 洛陽 471009）

1 項目背景

超高強度鋼由于其高強度、高韌性、低加工硬化率、優良的冷變形等特性，在航空航天領域得到廣泛應用。常用的超高強度鋼為馬氏體時效鋼，它是以Fe、Ni 為基，通過馬氏體相變和時效，析出微小的金屬間化合物而達到強化效果，屈服強度可達到2 400 MPa以上，不失其韌性，而且具有優良的焊接性。我國已研制成功18Ni、馬氏體時效鋼7021 等一系列馬氏體時效鋼并獲得應用[1]。我院某型發動機殼體是重要的受力部件，所使用材料為超高強度鋼18Ni（250 級）。

該發動機殼體由翼肋和殼體圓筒等多個部件，通過多種焊接方法連接而成。其中翼肋和發動機殼體圓筒通過電阻點焊方式連接，每個翼肋上對稱焊兩排共36 個焊點，每臺發動機殼體上有144 個焊點（如圖1所示）。在實際生產中，由于材料較厚，電阻點焊過程中易產生飛濺造成材料缺失，熔核冷卻極快易形成核內縮孔和裂紋。

圖1 某型發動機殼體翼肋點焊示意圖

點焊裂紋是焊接接頭中最為嚴重的缺陷，裂紋易形成應力集中且使用過程中往往形成斷裂源，大大削弱焊縫抗拉強度，其危害性極大[2]。發動機殼體翼肋點焊設計要求需達到QJ 1289—95《結構鋼、不銹鋼電阻點、縫焊技術條件》II 級焊縫要求，焊點不允許存在裂紋，焊點裂紋問題成為焊接生產中的瓶頸。標準規定點焊裂紋缺陷允許一次返修，點焊缺陷的返修存在以下困難：

1）焊點處強度更高，采用機械方法排除缺陷較難；

2）點焊裂紋形成過程較復雜，位置判定較難；

3）殼體內側修補過程中需減小焊接影響。

目前，國內外超高強度鋼點焊裂紋的返修方面的文獻較少，希望找到一種較經濟實用的裂紋修復方案，使其能夠運用到發動機殼體的點焊生產過程中，同時為超高強度鋼的點焊裂紋修復奠定基礎。

2 研究過程

通過點焊試片模擬發動機殼體電阻點焊裂紋，選用電阻點焊和氬弧焊方式對電阻點焊裂紋進行修復，對修復后的試片進行力學性能和顯微組織分析，驗證修復方式能否滿足設計要求，優選出簡單可操作的焊接修復方法。點焊試片厚度為2.5 mm，所用點焊設備為英國SP150 點焊機。

2.1 電阻點焊修復

對有裂紋的焊點上進行二次電阻點焊，通過電阻點焊熱量將焊點重新熔合以達到消除裂紋的目的。經過反復試驗，采用比正常焊接大的電流，略長的鍛壓保持時間，及兩次焊點重合率為95%以上時能有效修復焊點裂紋。返修了15 對試片，經過X 射線檢測合格12 對，合格率為80%。

電阻點焊修復注意事項：

1）兩次焊點重合程度為修復成功與否的關鍵因素，實際操作中，盡量使用模板定位，或技能較高的人員；

2）焊點壓痕深度大于0.15 mm 的帶裂紋焊點修復時，需減小點焊電流和點焊壓力。

2.2 氬弧焊修復

氬弧焊修復分為兩步，先用機械方法排除焊縫缺陷，再用氬弧焊修補。

2.2.1 機械排除缺陷

排除裂紋缺陷應遵循以下原則，既方便徹底地清除焊點裂紋又方便后續氬弧焊修復，且不影響殼體圓筒使用，即對殼體內腔影響要小。由于焊點硬度較高，采用傳統的砂輪機打磨和對焊點進行銑削加工的方法均不可取，經過分析試驗選擇采用鉆孔的方式去除焊點裂紋缺陷。

2.2.1.1 鉆頭形狀的選取

由于普通鉆頭鉆尖處焊槍不可達，補焊時易形成孔洞等缺陷，推薦選用球頭鉆（如圖2 所示），同時由于焊點硬度較高，因此選擇進口硬質合金球頭鉆。

圖2 選用鉆頭規則示意圖

2.2.1.2 鉆頭尺寸及鉆孔深度選擇

裂紋多發生在搭接焊縫中間即縮孔位置邊沿。根據標準要求，焊點熔核直徑要求大于6.5 mm，在發動機殼體點焊過程中焊點熔核直徑d 一般為Φ8 mm 左右，縮孔尺寸不大于0.2 d 即Φ1.6 mm。考慮氬弧焊有一定熔深，鉆頭直徑不應大于Φ7 mm。在本項目中，選擇鉆頭為Φ6 即R3 的球頭鉆即可。

鉆孔深度h 的選擇應保證能徹底去除裂紋，且對殼體內腔影響最小。實際生產中根據裂紋大小選擇，一般深度為3 mm±0.3 mm（注：此深度應不包括壓痕深度）。

2.2.2 氬弧焊修復缺陷

在氬弧焊修復時為避免產生新缺陷，修復中需注意以下事項：

1）焊前清理：超高強度鋼中氬弧焊對雜質較敏感，易造成熱裂紋等缺陷[3]。因此,氬弧焊修復的焊前清理尤為重要。通常先用氣槍清理鉆孔的切屑，然后用丙酮擦洗，確保焊接部位無油污等影響焊接質量的污物。

2）焊絲選擇：選用與母材材料相近的TORBOLOY250焊絲，直徑為Φ1.2 mm，焊絲必須經過表面清理，避免污染焊縫。

3）焊接過程：由于超高強度鋼結晶時奧氏體向馬氏體轉變的溫度變化范圍為100～155 ℃，故應盡可能采用小熱輸入焊接，不預熱，層間溫度不大于100 ℃。故在氬弧焊修復時，電流不宜過大，保證連續送絲控制層間溫度。為降低氬弧焊修復過程中對殼體圓筒內腔的影響，須在殼體內腔墊銅板增強散熱。

4）焊后打磨清理：對氬弧焊修復后高出基體的部分采用百葉輪打磨平整，注意打磨過程中不允許損傷基體。

采用以上修復方法，經X 射線檢測，裂紋消除，且無其他焊接缺陷，氬弧焊修復合格。

2.3 力學性能測試

力學性能測試采用拉伸試驗設備WE-100，試片分為合格點焊試片、帶裂紋點焊試片、點焊修復試片、氬弧焊修復試片共4 組，每組各5 對。以上試片經過熱處理時效后進行拉伸試驗，測單點抗剪力，試驗結果如表1 所示。

表1 試片拉伸結果

由上表可以看出，兩種修復方式均能滿足抗剪力大于30 kN 的設計要求，氬弧焊修復強度更高且波動較小，電阻點焊修復試片抗拉強度不穩定，分析其原因主要為：

1）兩次電阻點焊壓痕深淺不一，修復后差別更大；

2）兩次電阻點焊都形成縮孔，兩次焊點重合率對縮孔尺寸影響較大。

2.4 顯微組織測試

將正常點焊、電阻點焊修復和氬弧焊修復試片進行焊縫接頭晶相分析。晶相分析結果顯示，氬弧焊試片焊縫中心區域、熔合線區域和熱影響區域晶粒較正常點焊試片、點焊修復試片晶粒明顯增加，且熱影響區域擴大。采用點焊方法進行點焊修復熱影響區、熔合區、焊縫中心區域晶粒均未明顯增大，氬弧焊方式焊縫晶粒均有明顯增大。

對三種試片熱影響區HAZ 進行晶粒度評測，正常點焊試片、電阻點焊修復試片、氬弧焊試片評測結果分別為6.5 級、6.5級、4級。

另外從發動機殼體使用情況來看，殼體內腔需承受較大的內壓、溫度也較高，因此考核晶粒主要是從殼體內側考核。分析殼體內焊縫晶粒無明顯漲大趨勢（如圖3 所示）。因此，從晶相結果分析，氬弧焊和電阻點焊修復兩種方法均能滿足設計使用要求。

圖3 殼體內側晶粒圖

3 結論

1）從以上試驗可以看出，點焊修復方法和氬弧焊方法均能滿足設計要求。

2）氬弧焊修復方法存在焊縫區域晶粒變大，熱影響區范圍擴大等問題，但是對發動機殼體內側晶粒無影響，氬弧焊修復合格率高，無縮孔等缺陷導致氬弧焊修復后整體抗剪切強度較點焊修復方法高且穩定。

3）電阻點焊修復時焊點前后兩次電阻點焊焊點重合率要求較高，焊點重合率將影響電阻點焊裂紋能否修復和單點抗剪力強度；同時對于壓痕深度超過0.15 mm（max）的焊點不能采用電阻點焊修復，零件最終要求壓痕深度0.2 mm（max）。

4）發動機殼體點焊裂紋修復優先選用氬弧焊方法修復點焊裂紋。該方案可適用于超高強度鋼點焊裂紋的修復，修復方案較簡單，質量穩定可靠。