莊明祥，李小曼，徐 梅，張兵憲，楊海歐

（1.中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安 710089；（2.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

隨著對(duì)航空裝備性能要求的不斷提高，大量先進(jìn)材料和新型結(jié)構(gòu)的選用給焊接技術(shù)提出了新的更高的要求[1]。真空電子束焊接（Electron Beam Welding, EBW）是在真空環(huán)境下，利用匯聚的高速電子流轟擊工件接縫處所產(chǎn)生的熱能，使被焊金屬熔合的一種焊接方法。具有能量密度高、穿透能力強(qiáng)、焊縫深寬比大、焊接速度快、熱影響區(qū)（Heat Affected Aonen，HAZ）窄、焊接變形小、電子束易受控等特點(diǎn)，并能有效地防止有害氣體對(duì)焊縫的影響，改善焊縫的組織和性能[2-3]，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)滿足了設(shè)計(jì)要求，在航空制造工程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼在飛機(jī)機(jī)體制造中被廣泛應(yīng)用，主要用于飛機(jī)起落架、框體、襟翼滑軌等一些重要的承力結(jié)構(gòu)。30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼的含碳量及合金元素含量都較高，焊接過(guò)程中液-固相區(qū)間較大，偏析嚴(yán)重，具有較大的熱裂紋傾向。焊后由于淬火傾向大，容易在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)形成淬硬的馬氏體，造成大的冷裂紋傾向，因而此類鋼的焊接性較差[4]。采用傳統(tǒng)的焊接方法需要較高的預(yù)熱溫度，嚴(yán)格控制其層間溫度，焊接質(zhì)量很難滿足設(shè)計(jì)要求。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)主要集中在對(duì)該材料電子束焊接的基礎(chǔ)性研究，而本文針對(duì)飛機(jī)機(jī)體大型構(gòu)件的制造需求，研究了30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼電子束焊接接頭的力學(xué)性能和焊縫組織形貌，優(yōu)化了鎖底對(duì)接型式的真空電子束焊接工藝，實(shí)現(xiàn)了在飛機(jī)機(jī)體產(chǎn)品的焊接，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值[5-11]。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用原始材料為12mm厚30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼鍛件板材，熱處理狀態(tài)為正火+高溫回火態(tài)，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后，試板的尺寸為150mm×75mm×10.5mm和150mm×75mm×7.5mm。

30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料30CrMnSiNi2A合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備使用法國(guó)泰克米特GENVOA98型真空電子束焊機(jī)，該焊機(jī)屬中壓型電子束焊機(jī)，最大加速電壓70kV，最大束流值為714mA。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

大量的焊接試驗(yàn)確定了陰極直徑、加速電壓、聚焦電流、掃描波形、掃描頻率、焊接室的真空度等焊接工藝參數(shù)，重點(diǎn)研究了束流值、掃描幅值和焊接速度對(duì)焊縫形貌的影響，通過(guò)參數(shù)匹配，在保證熔深的前提下，實(shí)現(xiàn)不同的焊縫熔寬，焊接參數(shù)如表2所示。

2 焊接工藝分析

2.1 焊接性分析

碳當(dāng)量是以鋼材中的化學(xué)成分判斷鋼材冷裂敏感性的一種指標(biāo)。30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼屬于中碳低合金調(diào)質(zhì)鋼，含碳量高，加入的合金元素也較多。根據(jù)美國(guó)焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式[12]:

可得出30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼試驗(yàn)材料的碳當(dāng)量：Ceq＝0.72%，說(shuō)明其焊接性很差，研究表明該材料在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)淬硬組織，從而造成焊縫硬度高、脆性大，因此對(duì)焊接冷裂紋甚為敏感。傳統(tǒng)的熔焊由于熱源分散、熔池及熱影響區(qū)保護(hù)不力、加熱與冷卻過(guò)程不均衡，從而使焊縫中H含量過(guò)高和焊接應(yīng)力過(guò)大，最終產(chǎn)生裂紋。采用能量密度高、焊接速度快、焊接變形小、在真空環(huán)境下的電子束焊接，可以顯著地降低焊縫對(duì)冷裂紋的敏感性，提高焊接的整體質(zhì)量。

2.2 焊縫剖面形貌分析

試驗(yàn)采用的焊接接頭形式如圖1所示。

圖1 接頭形式Fig.1 Joint type

圖2 焊縫形貌Fig.2 Weld profile

表2 30CrMnSiNi2A 鋼電子束焊接工藝參數(shù)

從結(jié)構(gòu)功能的角度來(lái)看，把2mm寬的鎖底寬度全部熔合，即達(dá)到圖2中焊縫形貌1的形式，屬于最理想狀況，優(yōu)勢(shì)在于尖角處的疲勞源/裂紋源消失，缺點(diǎn)是焊縫寬度增大，接頭熱輸入增加，從而導(dǎo)致焊接變形增大、接頭性能有所下降。而從接頭的性能來(lái)看，圖2中焊縫形貌2是最佳選擇，優(yōu)勢(shì)在于焊縫窄、熱影響區(qū)小，力學(xué)性能相對(duì)提高；缺點(diǎn)是未熔合的鎖底寬度可能成為疲勞源，對(duì)飛機(jī)安全造成一定的威脅。通過(guò)大量的焊接試驗(yàn)，在保證鎖底部分不焊透的前提下，全部熔合鎖底寬度無(wú)法實(shí)現(xiàn)，最終選擇為盡量減小未熔合的鎖底寬度，控制在0.5～0.8mm范圍內(nèi)。

2.3 預(yù)熱焊與消除焊接應(yīng)力的選擇

通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)，選用合理的預(yù)熱焊對(duì)焊縫成形和提高焊縫質(zhì)量作用明顯，尤其是抑制冷裂紋的產(chǎn)生。試驗(yàn)采用較小熱輸入的焊接參數(shù)進(jìn)行電子束預(yù)焊，預(yù)焊的目的是預(yù)熱和對(duì)焊接部位進(jìn)行封焊，預(yù)焊一般選用正式焊接束流值的1/2進(jìn)行施焊。在焊后0.5h內(nèi)進(jìn)行高溫回火以消除焊接應(yīng)力，加熱溫度為650℃左右，保溫1h后空冷。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 金相分析

從30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼6組工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的焊縫外觀與橫截面形貌（見(jiàn)圖3～圖4）可以看出：圖3（a）～（c）焊縫正面成形非常好，焊縫寬度一致，魚(yú)鱗紋分布均勻，無(wú)咬邊。圖4（a）的焊縫截面形態(tài)為釘子狀，底部形態(tài)較尖銳，且焊縫底部距離材料邊緣還有一段距離，焊接熔深明顯不足；當(dāng)掃描幅值相同時(shí)，隨著束流值的增加，焊縫熔池深度明顯增加，但是焊縫底部形態(tài)仍然較尖銳，可見(jiàn)束流值的大小影響熔池深度，束流越大，熔池越深，同時(shí)對(duì)比圖 4（c）～（d）和圖（e）～（f），可以得到同樣的結(jié)論。除了束流值對(duì)焊縫熔深的影響外，掃描幅值對(duì)對(duì)焊縫形貌也有很大的影響，對(duì)比圖4（b）與（c）、圖 4（d）與（e），在束流值相同時(shí)，適當(dāng)降低焊接速度，增加掃描幅值，可以發(fā)現(xiàn)焊縫形態(tài)有一定的改善，特別是焊縫底部由尖銳趨于圓滑，隨著掃描幅值的繼續(xù)增大，焊縫形態(tài)有明顯的變化，焊縫底部更加圓滑，整體形態(tài)也較為理想，可見(jiàn)掃描幅值的大小對(duì)焊縫形態(tài)的影響效果顯著。但隨著掃描幅值的增加，在保證焊縫熔深的前提下，焊接過(guò)程往往需要增加束流值，適當(dāng)降低焊接速度，繼續(xù)加大焊接熱輸入量。圖3（a）～（b）出現(xiàn)了類似氣孔的缺陷，產(chǎn)生氣孔的原因主要有：（1）焊縫快速凝固過(guò)程中母材溶解的氣體來(lái)不及溢出；（2）凝固過(guò)程中，由于液態(tài)金屬體積收縮引起的收縮孔，也叫冷隔，如圖5所示，于是圖3（c）繼續(xù)增加了掃描幅值、降低了焊接速度，如此有益于熔池氣體的溢出和避免冷隔的形成。從6組金相照片（見(jiàn)圖4）來(lái)看，焊縫鑄區(qū)外觀呈不對(duì)稱狀，其原因主要是不等厚鎖底對(duì)接，焊接過(guò)程接頭散熱不對(duì)稱。

圖3 30CrMnSiNi2A 超高強(qiáng)度鋼電子束焊縫外觀形貌（焊縫正面與背面）Fig.3 Appearance shape of 30CrMnSiNi2A ultra-high strength steel (front and back) by EBW

圖4 30CrMnSiNi2A 鋼電子束焊縫橫截面形貌Fig.4 Cross section shape of 30CrMnSiNi2A steel by EBM

綜合考慮焊縫熔深、截面形貌和內(nèi)部缺陷的控制，最終選取了圖4（e）對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行電子束焊接，得到了較為理想的焊縫形貌（近似鐘罩形），并經(jīng)X光和磁粉探傷，結(jié)果完全滿足GJB 1718A-2005中I級(jí)焊縫的要求。

焊態(tài)下的焊縫微觀組織形貌金相照片如圖6所示，焊縫區(qū)域組織以粗大的板條馬氏體為主，并有少量的殘余奧氏體。這是因?yàn)殡娮邮附訜崃考?，峰值溫度很高，而?duì)于30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼材料其AC3大約在800℃，在其奧氏體化過(guò)程中，奧氏體長(zhǎng)大速度非?？?，由于在高溫區(qū)保持時(shí)間很短，之后的快速冷卻使這種粗大的奧氏體組織過(guò)冷后形成了板條狀馬氏體組織，但是仍有少數(shù)奧氏體由于來(lái)不及轉(zhuǎn)變而殘留下來(lái)，形成了板條狀馬氏體+殘余奧氏體的組織。

圖5 EBW焊接缺陷——冷隔形態(tài)Fig.5 EBW weld defect—cold shut

圖6 焊態(tài)下焊縫處高倍光學(xué)顯微金相組織Fig.6 Optical metallographic morphology of welding beam without heat treatment

經(jīng)過(guò)900℃油淬加低溫回火的焊縫組織形貌照片如圖7所示，在掃描電鏡下，焊縫和熱影響區(qū)的顯微組織主要為回火馬氏體和殘余奧氏體。觀察發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)的組織較母材和焊縫區(qū)域的組織晶粒稍微增大，焊縫和熱影響區(qū)相比，組織細(xì)且均勻[13]。仔細(xì)對(duì)比會(huì)發(fā)現(xiàn)焊縫和熱影響區(qū)的晶粒排布有一定的方向性，而母材沒(méi)有，排布無(wú)序，出現(xiàn)這種方向性的原因在于焊接和冷卻過(guò)程中晶粒生長(zhǎng)的方向受溫度梯度和焊接方向的影響，晶粒以焊縫中心為分界線，向焊縫兩側(cè)橫向生長(zhǎng)，從而使得晶粒排布出現(xiàn)一定的方向性。

3.2 顯微硬度

材料經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理（淬火至σb=（1670±100）MPa）后顯微硬度測(cè)試結(jié)果如圖8所示，在焊縫中線沿深度方向上，焊縫區(qū)域的顯微硬度值分布沒(méi)有明顯區(qū)別；在焊縫寬度方向上，焊縫區(qū)域的顯微硬度略大于母材處，由于試驗(yàn)取點(diǎn)數(shù)量較少，所以對(duì)HAZ區(qū)域的顯微硬度難以分析。

3.3 機(jī)械性能

采用工藝3A焊接并調(diào)質(zhì)熱處理后進(jìn)行了常規(guī)力學(xué)性能檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。母材要求熱處理后的抗拉強(qiáng)度為（1670±100）MPa。拉伸試件均斷在母材處，說(shuō)明斷裂處的拉伸應(yīng)力大于母材的抗拉強(qiáng)度，焊接接頭的拉伸性能優(yōu)于母材，沖擊性能達(dá)到母材的78.5%。

圖7 調(diào)質(zhì)熱處理后掃描電鏡下接頭組織Fig.7 Microstructures of the EBM joints under the SEM after tempering heat treatment

圖8 工藝3A接頭顯微硬度Fig.8 Microhardness of process 3A

表3 接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.4 工程產(chǎn)品的焊接

采用EBM工藝得到的飛機(jī)機(jī)體零件如圖9所示。零件為腔體結(jié)構(gòu)，焊縫在上下表面呈對(duì)稱分布，每條焊縫均為封閉型平面焊縫，現(xiàn)已將此焊接工藝成功應(yīng)用于該零件的焊接。

表4 接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖9 采用EBM工藝得到的機(jī)體零件Fig.9 Airframe parts by EBM

4 結(jié)論

（1）通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)，得出工藝3A為最佳的焊接參數(shù)，焊接接頭經(jīng)X光和磁粉探傷檢測(cè)滿足I級(jí)焊縫要求。

（2）焊態(tài)下焊縫的組織主要以粗大板條馬氏體組織為主，并有少量的殘余奧氏體。經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后焊縫和熱影響區(qū)的顯微組織主要為回火馬氏體+殘余奧氏體。熱影響區(qū)的組織較母材和焊縫區(qū)域的組織晶粒稍微增大，焊縫和熱影響區(qū)相比，組織細(xì)且均勻。焊縫和熱影響區(qū)的晶粒排布有一定的方向性。

（3）焊接接頭在調(diào)質(zhì)熱處理后的強(qiáng)度優(yōu)于母材強(qiáng)度，σb達(dá)到1680MPa以上，且均斷在母材，沖擊性能達(dá)到母材的78.5%,焊縫顯微硬度略高于母材。

（4）已將此焊接工藝成功地應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)體產(chǎn)品的焊接。

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