應用與開發

30CrMnSiNi2A鋼電子束焊接接頭的組織與性能研究

余 槐,袁 鴻,王金雪,張國棟

(北京航空材料研究院,北京 100095)

摘 要:為了探究30CrMnSiNi2A鋼電子束焊接接頭的組織與性能,采用電子束焊接工藝對12 mm厚30CrMnSiNi2A鋼進行了焊接,并對焊態及完全熱處理態的接頭進行了室溫拉伸和沖擊韌性試驗。結果表明:該鋼的電子束焊接工藝性良好;焊態及完全熱處理態的接頭拉伸斷裂均位于母材,經完全熱處理后的接頭強度比焊態接頭強度提高近一倍,略高于同狀態下母材的強度,延伸率及斷面收縮率與母材相當,室溫沖擊韌性略高于母材;焊態焊縫組織主要表現為粗大針狀馬氏體與殘余奧氏體組織,經完全退火處理后焊縫及熱影響區組織主要表現為回火馬氏體組織和殘余奧氏體組織,母材組織為回火馬氏體及少量的殘余奧氏體組織;接頭與母材的沖擊斷裂均表現為韌性斷裂。

關鍵詞:焊接;30CrMnSiNi2A鋼;電子束焊接;組織與性能

0 前 言

30CrMnSiNi2A鋼是我國航空工業廣泛使用的低合金超高強度鋼[1-3]。該鋼在30CrMnSiA鋼的基礎上提高了Mn和Cr含量,并添加了1.40%~1.80%的Ni,使其淬透性得到了明顯提高,韌性和抗回火穩定性得到改善[4]。熱處理后強度高,塑性、韌性好,有良好的抗疲勞性能和斷裂韌性,切削和焊接性尚好,但對缺口和氫脆較敏感。材料的成分[5]或熱處理工藝不同[6-7],其性能會出現很大差異。該鋼適宜于制造高強度連接件和軸類零件等重要受力結構部件,廣泛用于制造飛機起落架、機翼主梁,中央翼的帶板及緣條,對合接頭、結合螺栓,壓氣機中機匣后段等重要受力結構件[8]。該鋼已被使用在某型飛機的襟翼滑軌上,經電子束焊接制造完成,大大減輕了以前螺栓連接方式的構件質量。

本研究分析了12 mm厚30CrMnSiNi2A鋼電子束焊接接頭的組織與性能,以期為該材料的電子束焊接工藝及熱處理方法提供參考。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 試驗材料

試驗用料為 600 mm×200 mm×15 mm (長×寬×厚)鍛件板材,材料的化學成分見表1。電子束焊前經固溶退火處理,并機械加工成200 mm×80 mm×12 mm (長×寬×厚)的焊接試板。焊接工藝試驗在中國航發北京航空材料研究院KL-106M型真空電子束焊機上進行。KL-106M型真空電子束焊機實物照片見圖1,焊接工藝參數[9]見表2,電子束焊接采用 “Ⅰ”型平頭對接,對接間隙不大于0.10 mm。焊接試板對接形式如圖2所示。

表1 30CrMnSiNi2A鋼化學成分 %

w(C)w(S)w(M n)w(S i)0.2 7~0.3 4 1.0~1.3 0 0.9 0~1.2 0≤0.0 1 5 w(P)w(C r)w(N i)w(C u)≤0.0 2 5 0.9 0~1.2 0 1.4 0~1.8 0≤0.2 5

圖1 KL-106M真空電子束焊機

表2 電子束焊接工藝試驗參數

板厚/m m 焊接速度/(m m·s-1)焊接束電流/m A加速電壓/k V 1 2 2 0 1 4 0~1 2 0 6 0聚焦電流/m A 工作距離/m m 掃描頻率/H z 8 6 0 1 8 0 3 0 0

圖2 焊接試板對接形式示意圖

2.2 焊后熱處理制度

A:焊態。

B (完全熱處理)[8]: 高溫回火(600±10)℃/1 h+(900±10)℃/2 h, 冷卻介質硝鹽(280~300)℃/4 h+回火(250~300)℃/4 h, AC。

3 試驗結果與分析

3.1 電子束焊接工藝分析

按照表2電子束焊接工藝參數焊接試板,焊接過程中熔池形狀穩定,無飛濺。所形成的焊縫表面無可見明顯咬邊,焊縫正面、背面成形光滑,如圖3所示。30CrMnSiNi2A鋼電子束焊接接頭低倍金相照片如圖4所示。焊縫橫截面均呈現小 “V”字形焊縫特征。焊后對工藝試板進行X射線檢測,結果表明,焊接接頭質量符合GJB1718A—2005中Ⅰ級焊縫的要求。

圖3 30CrMnSiNi2A鋼焊接試板焊縫形貌

圖4 30CrMnSiNi2A鋼焊接接頭低倍金相照片

3.2 接頭室溫拉伸、沖擊韌性試驗結果及分析

焊縫位于拉伸試樣中心位置,沖擊試樣缺口開在焊縫位置,接頭焊態及熱處理下的室溫拉伸、沖擊韌性試驗結果見表3。從表3得出,接頭焊態(A)抗拉強度明顯低于經熱處理后的接頭和母材,完全熱處理狀態 (B)的接頭強度稍高于母材,因此接頭拉伸斷于基體,30CrMnSiNi2A鋼經過熱處理后才能使用,延伸率及斷面收縮率都與母材相當。比較焊態及熱處理接頭母材的沖擊韌性,可以看出,焊態接頭韌性明顯好于熱處理接頭與母材,同熱處理狀態下的接頭與母材兩者的沖擊韌性處于相同水平。因此,接頭經900℃硝鹽浴等溫加低溫回火熱處理后可獲得良好的接頭性能。

表3 30CrMnSiNi2A焊接接頭及母材拉伸性能、沖擊韌性檢測結果

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3.3 接頭顯微組織分析

接頭焊態下的顯微組織如圖5所示。熱處理狀態為經900℃淬火加低溫回火,接頭熱處理狀態下的顯微組織如圖6所示。

圖5 接頭焊態下的顯微組織

圖6 接頭熱處理狀態下的顯微組織

從圖5可見,接頭焊態焊縫的顯微組織為典型的粗大針狀馬氏體+殘余奧氏體,這是由于電子束焊接時峰值溫度極高 (2 000℃左右),對于30CrMnSiNi2A 鋼,臨界溫度 Ac為805~830℃[10],其焊后冷卻速度極快,加之奧氏體區域停留時間較長形成的。熱影響區的顯微組織為板條狀馬氏體、貝氏體及少量的奧氏體,因此焊后冷卻速度較焊縫慢,形成一定量的中溫組織。

由圖6可見,焊縫和熱影響區組織主要為回火馬氏體和殘余奧氏體,母材為低溫回火馬氏體組織,低溫回火馬氏體呈板條狀,它仍保持了淬火馬氏體形態,板條界面清晰可見。

圖7 焊態接頭沖擊斷口形貌

3.4 沖擊斷口形貌分析

焊態、完全熱處理態及母材沖擊斷口形貌如圖7~圖9所示。從圖7~圖9可以看出,焊態接頭、完全熱處理狀態接頭和母材的宏觀斷口均表現為凹凸不平的斷裂面。從局部放大斷口可以看出,斷裂面均表現為大量的韌窩,斷裂方式為韌性斷裂,從室溫沖擊值數據可以看出沖擊值都比較高。

圖8 完全熱處理狀態下接頭沖擊斷口形貌

圖9 母材沖擊斷口形貌

4 結 論

(1)30CrMnSiNi2A鋼電子束焊接工藝性優良,采用合適的工藝參數能使接頭達到一級焊接接頭的質量。

(2)30CrMnSiNi2A鋼焊前經固溶處理,焊接后必須經完全熱處理才能使用,接頭才能獲得優良的綜合力學性能,接頭的強度稍高于母材,延伸率及斷面收縮率都與母材相當。

(3)接頭經完全熱處理后,焊縫和熱影響區的顯微組織為回火馬氏體、殘余奧氏體,母材組織也表現為回火馬氏體及少量的殘余奧氏體。

(4)焊態及熱處理態接頭與母材的沖擊斷裂方式為韌性斷裂,斷裂面呈現了大量的韌窩狀。

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Properties and Microstructure of Welded Joint of 30CrMnSiNi2A Steel Electron Beam Welding

YU Huai, YUAN Hong, WANG Jinxue, ZHANG Guodong
Beijing Institute of Aeronautical MaterialsBeijing 100095China

Abstract:In order to explore the microstructure and properties of 30CrMnSiNi2A steel electron beam welded joint,the welding process was used to weld the 12 mm thick 30CrMnSiNi2A Steel,and the tensile and impact toughness tests at room temperature were carried out for the welded and fully heat treated joints.The results show that the electron beam welding technology of the steel works well.The tensile fracture of the welded and fully heat-treated joints is located in the base metal.The strength of the joint after the full heat-treatment is nearly twice as much as that of the welded joint,slightly higher than that of the base metal under the same state.The elongation and the reduction of the section are equivalent to that of the base metal,and the impact toughness at room temperature is slightly higher than that of the base metal.The microstructure of weld seam is mainly the coarse acicular martensite and retained austenite.After full annealing,the microstructure of the weld and heat affected zone is mainly tempered martensite and retained austenite.The microstructure of base metal is tempered martensite and a small amount of retained austenite.The impact fracture of the joint and base metal is ductile fracture.

Key words:welding; 30CrMnSiNi2A steel; electron beam welding; properties and microstructure

中圖分類號:TG456.3

文獻標識碼:A

DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2020.01.006

作者簡介:余 槐 (1977—),男,高級工程師,從事航空航天金屬材料的焊接性及復雜構件電子束焊接技術研究,發表論文10余篇。

收稿日期:2019-01-22

編輯:謝淑霞

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