孔兆財(cái) 王 賀 鄒鶴飛 馬麗翠 張龍飛 高鳳林 徐宋娟

GH4169與電鑄鎳異種金屬焊接技術(shù)

孔兆財(cái) 王 賀 鄒鶴飛 馬麗翠 張龍飛 高鳳林 徐宋娟

(首都航天機(jī)械公司，北京100076)

針對電鑄鎳與GH4169(Fe－Ni－Cr高溫合金)異種材料的焊接問題，開展了電鑄鎳焊前狀態(tài)、焊絲材料和異種材料焊接工藝等相關(guān)研究。基于宏觀檢查、力學(xué)性能測試與微觀組織結(jié)果，提出了正式產(chǎn)品的焊接工藝及產(chǎn)品檢測方法，最終實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的生產(chǎn)，并經(jīng)過了試車與飛行考核。

高溫合金 電鑄鎳 異種金屬 焊接

0 序 言

GH4169合金是一種以體心立方的γ″和面心立方γ'沉淀強(qiáng)化的Fe－Ni－Cr高溫合金，具有強(qiáng)度高、抗氧化、抗輻射、較高的高溫強(qiáng)度等特點(diǎn)，在－253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合力學(xué)性能，是現(xiàn)代航天、航空及核能等領(lǐng)域大量應(yīng)用的關(guān)鍵材料［1－3］。但是，GH4169合金同樣具有硬度高、塑性韌性差的特點(diǎn)，其焊接難度較大，易產(chǎn)生焊接裂紋、應(yīng)力集中及焊接變形等缺陷［4］。

電鑄鎳為一種純鎳電沉積而成的特種材料，不同于純鎳，其在400℃以上塑性突然下降，在500℃時，塑性幾乎下降至30%左右，且當(dāng)溫度升高至700℃時，晶粒長大嚴(yán)重，晶界變寬，上述特性都給電鑄鎳的焊接帶來極為不利的影響［5］。

現(xiàn)某型號產(chǎn)品因制造工藝和材料強(qiáng)度的共同需求，涉及到GH4169與電鑄鎳兩種異性金屬的焊接，其焊接技術(shù)難度較大。由于電鑄鎳與GH4169的物性差異，焊接過程中易在電鑄鎳一側(cè)的近焊縫區(qū)產(chǎn)生大量裂紋，同時焊接熱輸入會導(dǎo)致整體焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有所下降［6］。目前，國內(nèi)尚未有關(guān)于GH4169與電鑄鎳焊接技術(shù)的報(bào)道，文中開展了相關(guān)工藝試驗(yàn)，以探索GH4169與電鑄鎳的焊接技術(shù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1．1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中使用的電鑄鎳為板狀，厚度均為7 mm，化學(xué)成分見表1。焊接時電鑄鎳為兩種狀態(tài):第一種狀態(tài)為電鑄鎳焊前進(jìn)行退火處理，即280℃保溫2 h;第二種狀態(tài)為電鑄鎳未進(jìn)行退火處理。兩種狀態(tài)下，電鑄鎳的室溫抗拉強(qiáng)度分別為730 MPa和523 MPa。

試驗(yàn)中使用的GH4169為固溶態(tài)，板材厚度同為7 mm，化學(xué)成分見表2。GH4169的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率分別為1 275 MPa，1 030 MPa和12%。

試驗(yàn)中選用的焊材為HGH830焊絲，直徑有兩種，分別為 1．2 mm 和 1．6 mm，其主要成分為 Ni，Ti，Mn，Si等，化學(xué)成分見表3。

表1 電鑄鎳的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 GH4169的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 HGH830的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1．2 試驗(yàn)方法

焊接過程采用普通的手工氬弧焊，焊接設(shè)備為Miller350焊機(jī)。焊前對GH4169以及焊絲均進(jìn)行酸洗處理，而對電鑄鎳采用酒精或汽油清洗。對GH4169與電鑄鎳均開V形坡口，鈍邊為0．5 mm，如圖1所示。鑒于板厚為7 mm，無法一次填充完畢，手工氬弧焊為多層焊接，焊接電流為110～130 A。

圖1 試樣坡口形式和尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果

2．1宏觀檢查

首先，對試驗(yàn)后的焊接接頭進(jìn)行外觀檢查，結(jié)果顯示，接頭表面無氣孔、裂紋、焊瘤和未焊透等外觀缺陷，符合QJ1842—95Ⅰ級焊縫要求。

隨后，對焊接接頭按QJ1842—95Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行X射線檢查，結(jié)果顯示焊縫內(nèi)部無裂紋、超標(biāo)氣孔、未熔合等內(nèi)部缺陷，符合Ⅰ級焊縫內(nèi)部質(zhì)量要求。

2．2 力學(xué)性能測試

將焊后的試件進(jìn)行室溫下的拉伸性能試驗(yàn)，兩種電鑄鎳狀態(tài)下分別進(jìn)行3組試驗(yàn)。

首先，對斷裂試樣進(jìn)行宏觀斷口形貌觀察，結(jié)果如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)試件斷裂位置都在電鑄鎳一側(cè)的熱影響區(qū)，并且均有明顯的變形縮頸，除拉斷位置外未發(fā)現(xiàn)裂紋或其他焊接缺陷。

圖2 拉斷試樣形貌

電鑄鎳與GH4169焊接接頭的拉伸性能，見表4，退火態(tài)與未退火態(tài)電鑄鎳焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度分別為335 MPa和400 MPa。對比焊接前電鑄鎳的力學(xué)性能可知，其強(qiáng)度已經(jīng)明顯低于電鑄鎳原始狀態(tài)的性能。經(jīng)過焊接后所有斷裂發(fā)生在電鑄鎳上，這說明焊接過程中由于熱輸入的原因，導(dǎo)致電鑄鎳本體力學(xué)性能惡化。

表4 電鑄鎳與GH4169焊接接頭的拉伸性能

2．3 微觀組織

圖3a為GH4169與電鑄鎳焊縫試件剖切后各區(qū)域的微觀組織，可見熔合區(qū)組織正常、無缺陷;如圖3b所示，熱影響區(qū)內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)裂紋。進(jìn)一步對焊縫電鑄鎳一側(cè)進(jìn)行組織觀察發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的母材晶粒細(xì)小，并存在少量長條晶粒，晶粒度約為10級，如圖3c所示;而受焊接熱輸入的影響，熱影響區(qū)晶粒發(fā)生明顯長大現(xiàn)象，晶粒度達(dá)到3～5級，如圖3d所示。

圖3 電鑄鎳與GH4169焊接接頭的顯微組織

由電鑄鎳一側(cè)熱影響區(qū)的金相組織可知，電鑄鎳組織對加熱溫度極其敏感。為探究電鑄鎳的熱敏感性，文中進(jìn)行多種熱處理測試。

對電鑄鎳進(jìn)行700℃，900℃，1 000℃，1 200℃熱處理。發(fā)現(xiàn)加熱至700℃晶粒就已經(jīng)有長大現(xiàn)象;當(dāng)溫度繼續(xù)升至900℃和1 000℃，晶粒長大明顯，但加熱后的金相組織中未發(fā)現(xiàn)裂紋;在1 200℃加熱后，電鑄鎳中出現(xiàn)了沿晶裂紋。

而文中試驗(yàn)的電鑄鎳與GH4169對接接頭拉伸后并未在各區(qū)域發(fā)現(xiàn)焊接裂紋，同時斷裂僅發(fā)生在電鑄鎳一側(cè)的熱影響區(qū)，這表明GH4169與電鑄鎳焊后焊縫的強(qiáng)度明顯降低主要是電鑄鎳自身特性所致。

2．4 正式產(chǎn)品的焊接

在前文的焊接工藝下，進(jìn)行正式產(chǎn)品性能驗(yàn)證。具體方法為通過設(shè)計(jì)強(qiáng)度增加裕度進(jìn)行考核，其液壓試驗(yàn)壓力為23 MPa，保持10 min后焊縫未出現(xiàn)滲漏;同時氣密試驗(yàn)壓力為16 MPa，保持5 min后焊縫未出現(xiàn)泄露。

近年來該型號產(chǎn)品經(jīng)過多次試車考核和飛行考核，均無異常，且試車考核后的焊縫外觀無損檢測并未出現(xiàn)異常。

3 結(jié) 論

通過對GH4169與兩種狀態(tài)電鑄鎳開展相關(guān)工藝試驗(yàn)，選擇了合適的焊絲及焊接工藝參數(shù)，最終獲得了符合要求的焊接工藝，其型號產(chǎn)品也通過了熱試車考核和飛行考核。

［1］ 周振豐，張文鉞．焊接冶金與金屬焊接性［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993．

［2］ 明憲良，陳 靜，譚 華，等．激光修復(fù)GH4169高溫合金的持久斷裂機(jī)制研究［J］．中國激光，2015，42(4):63－69．

［3］ 李胡燕．GH4169鎳基高溫合金的組織和性能研究［D］．上海:東華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014．

［4］ 陳伯蠡．焊接工程缺欠分析與對策［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

［5］ 621所．航空材料焊接性能手冊［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1978．

［6］ 鄧景云．電鑄鎳錳合金與不銹鋼焊接接頭力學(xué)性能的研究［J］．宇航材料工藝，1991(1):46－50．

TG444+．2

2017－02－07

孔兆財(cái)，1978年出生，碩士，高級工程師。主要研究方向異種金屬焊接。