周冠男 曲 伸 李 英 宋文清 楊 爍 李曉光

K4169高溫合金機(jī)匣的精密脈沖弧焊修復(fù)技術(shù)

周冠男 曲 伸 李 英 宋文清 楊 爍 李曉光

(中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，沈陽110043)

精密脈沖弧焊技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、靈活簡便、可精確控制熱輸入等優(yōu)勢，采用該工藝對3 mm厚K4169板材進(jìn)行焊接試驗。結(jié)果表明，焊縫組織呈細(xì)枝晶形態(tài)，并析出細(xì)小均勻的沉淀強(qiáng)化相，X射線檢測結(jié)果表明焊縫內(nèi)無缺陷形成，接頭中焊縫處硬度較母材低，接頭室溫拉伸性能、高溫抗拉強(qiáng)度均與母材相當(dāng)。采用該工藝對機(jī)匣零件裂紋缺陷進(jìn)行了修復(fù)試驗，檢測結(jié)果表明修復(fù)質(zhì)量滿足使用要求，即精密脈沖弧焊技術(shù)可以應(yīng)用于機(jī)匣零件的裂紋修復(fù)。

精密脈沖弧焊 修復(fù)技術(shù) 高溫合金

0 序 言

精密脈沖弧焊(Precision Pulse Arc Welding，PPAW)是一種再制造新技術(shù)，受到制造業(yè)廣泛的重視。作為一種以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則的先進(jìn)修復(fù)技術(shù)［1－4］，現(xiàn)已初步應(yīng)用在民用制造業(yè)，如柴油發(fā)動機(jī)缸體發(fā)動機(jī)、通用機(jī)床等設(shè)備［5］。精密脈沖弧焊在修復(fù)零部件磨損、劃痕以及磕碰損傷方面有著顯著的優(yōu)勢，具有經(jīng)濟(jì)、方便、熱輸入量小等優(yōu)點(diǎn)。

航空發(fā)動機(jī)在服役中，受到惡劣工作環(huán)境和復(fù)雜受力狀況的影響，各部位零件均出現(xiàn)缺損的情況，導(dǎo)致其無法滿足使用要求，為增加使用壽命，避免更換新機(jī)，需要一種穩(wěn)定可靠的修理技術(shù)。目前常用的三種修復(fù)工藝有:①傳統(tǒng)惰性氣體氣保護(hù)焊工藝，如TIG焊，MIG焊等，該種工藝操作簡單，但熱輸入量大，修復(fù)后零件變形嚴(yán)重;②熱噴涂工藝［6］，雖然其修復(fù)精度較高，但修復(fù)厚度有局限性;③激光熔敷工藝［7］，工藝高效、精度高，甚至可增材制造任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，但其設(shè)備和修復(fù)成本過高，修復(fù)后性能無法滿足航空發(fā)動機(jī)服役的苛刻要求。因此，需要一種簡便、修復(fù)效果好、成本低廉、修復(fù)后變形小的修復(fù)技術(shù)，而精密脈沖焊技術(shù)就滿足上述要求。

目前，精密脈沖弧焊尚未在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用，高溫合金的精密脈沖弧焊研究也鮮有報道。文中針對高溫合金機(jī)匣類零件的裂紋故障及修理進(jìn)行深入研究，開展高溫合金精密脈沖弧焊工藝試驗及修復(fù)后質(zhì)量評定工作。

1 精密脈沖弧焊工藝

PPAW與脈沖鎢極惰性氣體保護(hù)焊原理相同，即在保護(hù)氣氛下，鎢極和待修復(fù)工件間在極短時間內(nèi)產(chǎn)生高能電弧，使補(bǔ)焊材料和待焊工件瞬時熔化，達(dá)到冶金結(jié)合;但PPAW在脈沖持續(xù)時間上更加精確的控制，可以保證極低的脈沖持續(xù)時間(t≤0．05 s)。

針對K4169高溫合金機(jī)匣裂紋故障情況，文中采用手工填絲的PPAW工藝，焊道布置如圖1所示，工藝過程為:使用低占空比(D≤0．5%)的PPAW，完成待補(bǔ)焊部位(已去除缺陷)的分層堆焊，并按照圖1中的填充順序進(jìn)行焊接，最終填補(bǔ)整個缺損部位。該工藝具有如下優(yōu)勢:①工藝適應(yīng)性高，各種形貌缺陷均可修復(fù);②操作靈活簡便，焊槍可達(dá)即可修復(fù);③嚴(yán)格控制層間溫度，避免焊接熱量積累，極大的減少焊接內(nèi)應(yīng)力和修復(fù)后變形量，達(dá)到精密修復(fù)的目的。

圖1 精密脈沖弧焊焊道布置示意圖

2 試驗方法

為驗證精密脈沖弧焊的工藝適應(yīng)性，采用3 mm厚K4169試板進(jìn)行工藝試驗。試驗中所用的母材為K4169鑄造毛坯，經(jīng)測定其化學(xué)成分見表1，經(jīng)切割和磨加工后制造為板條形試片，規(guī)格為110 mm×40 mm×3 mm，供應(yīng)狀態(tài)為均勻化處理+固溶處理+時效處理。

表1 K4169高溫合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗中所使用焊絲為HGH4169(φ1 mm)，其成分與K4169基本相同，并選用純度≥99．999%的高純氬氣作為保護(hù)氣體，精密脈沖弧焊焊機(jī)型號為LOXOHRWS－3250。接頭為V形坡口對接接頭，如圖2所示。由于在實際修復(fù)過程中需要用機(jī)械方法去除裂紋缺陷，而所用工具(砂輪片或硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)銼)的開槽寬度約為1 mm，為模擬實際情況，需在接頭根部留有1 mm間隙。焊接試驗前仔細(xì)清理待焊表面的氧化物和油污，防止污染焊縫。

圖2 精密脈沖弧焊接頭設(shè)計

經(jīng)前期大量工藝參數(shù)優(yōu)化試驗，結(jié)果表明工藝參數(shù)對組織、性能的影響較小，因此文中不詳細(xì)敘述工藝參數(shù)優(yōu)化試驗過程，僅列出后續(xù)零件修理所使用的工藝參數(shù)，如表2所示。在該參數(shù)下獲得的焊接接頭外觀成形質(zhì)量如圖3所示，焊縫表面整體呈現(xiàn)光亮“魚鱗”形貌，焊縫寬度較為均勻。

按圖3中虛線所示位置，在試板上切取微觀組織觀察樣品，樣品尺寸為12 mm×12 mm×3 mm，觀察方向為焊縫橫截面，采用機(jī)械研磨和拋光的方法制備金相樣品，采用腐蝕液成分為HCl(20 mL)+CuSO4(5 g)+H2O(100 mL)，腐蝕時間為7～15 s。采用 X射線探傷機(jī)對試板進(jìn)行X射線檢測，檢測焊縫內(nèi)缺陷。依據(jù)國標(biāo) GB/T 2651《焊接接頭拉伸試驗方法》、GB/T 4338《金屬材料高溫拉伸試驗方法》將制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行室溫和650℃高溫拉伸性能測試，每個條件測試2個試樣，為了對比分析，測試了相同條件下母材的拉伸性能。拉伸試驗采用島津AG－25KNE型電子拉伸試驗機(jī)。

表2 精密脈沖弧焊工藝參數(shù)

圖3 精密脈沖弧焊接頭形貌

采用LEICA光學(xué)顯微鏡和JSM－6301F掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀組織和斷口觀察。采用LECO顯微硬度儀進(jìn)行接頭硬度測試，施加載荷為1 kg。

3 試驗結(jié)果與分析

3．1 顯微組織形貌

PPAW接頭微觀組織形貌如圖4所示，其組織與熔焊接頭組織基本相同，焊縫與母材形成了較理想的冶金結(jié)合，二者界面處的熔合線清晰可見，并未觀察到裂紋、孔洞等缺陷。通過對比發(fā)現(xiàn)，焊縫組織呈枝晶生長，且與母材相比枝晶明顯細(xì)化，這是由于PPAW的特殊工藝過程所致，即填充金屬的非連續(xù)瞬時熔滴過渡［8］，較高的冷卻速率導(dǎo)致凝固組織的一次枝晶顯著細(xì)化。

在極短時間內(nèi)，焊絲端部受高能電弧加熱后形成熔滴，并在強(qiáng)烈的電弧沖擊力以及自身重力和保護(hù)氣體流的共同作用下，脫離焊絲主體沿電弧空間向補(bǔ)焊基體快速轉(zhuǎn)移并與基體結(jié)合，期間由于電弧作用于基體的時間相對較短、輸入熱量較少，基體表面僅處于微熔狀態(tài)，因此母材受到熔融態(tài)填充金屬的快速冷卻作用，其熔合區(qū)近熔合線區(qū)域形成了外延生長的細(xì)小枝晶組織，如圖4b所示。焊縫區(qū)域內(nèi)形成了方向性較明顯的枝晶組織，并沿溫度梯度方向生長，而熱影響區(qū)組織由于熱輸入量相對較少，因此枝晶組織無明顯變化。上述組織形成過程僅為單脈沖工藝的作用，而PPAW工藝為多次單脈沖過程的循環(huán)，并在每次循環(huán)過程中存在較長時間間隔，使組織溫度迅速降低，因此前次循環(huán)中的焊縫組織成為下次循環(huán)中的母材組織，原焊縫組織在新的熱循環(huán)過程中，在新熔合區(qū)附近生成了具有方向性的樹枝狀結(jié)晶組織，這種組織有序堆疊的行為，使整個接頭焊縫組織未能均勻一致。

圖4 精密脈沖修復(fù)焊接頭局部

K4169是典型沉淀強(qiáng)化型高溫合金，強(qiáng)化相的形貌對于合金的性能非常重要。對接頭不同位置的強(qiáng)化相形貌觀察可見，焊縫內(nèi)沉淀相的形貌特征與母材位置強(qiáng)化相的形貌特征基本一致(圖5)。

圖5 接頭不同位置處沉淀強(qiáng)化型形貌

3．2 X射線檢測

圖6 精密脈沖焊試樣的X射線照片

對于PPAW工藝，通過對焊接接頭進(jìn)行X射線檢測，檢測結(jié)果如圖6所示，4片試樣均無裂紋、氣孔等缺陷。分析認(rèn)為PPAW工藝過程中對熱輸入的精確控制，有效降低了裂紋敏感性，同時對氣孔的產(chǎn)生同樣具有抑制效果。

3．3 力學(xué)性能對比

接頭各位置顯微硬度分布結(jié)果如圖7所示?？梢?，接頭各部位硬度差別較大，焊縫區(qū)硬度偏低，平均硬度為236．3 HV;熱影響區(qū)硬度最低，平均硬度為219．5 HV;熔合線處硬度平均值為220．9 HV，而從熱影響區(qū)到母材硬度值逐漸升高。

圖7 接頭各位置室溫顯微硬度分布

PPAW試樣的室溫拉伸、高溫拉伸測試結(jié)果見表3，母材的拉伸測試結(jié)果見表4?？梢钥闯鯬PAW試樣的室溫拉伸性能可以達(dá)到母材強(qiáng)度的85%，其斷后伸長率略優(yōu)于母材，試樣斷裂位置均位于焊縫邊緣的熱影響區(qū)，這是因為即使精密脈沖修復(fù)焊的熱輸入量較小，但不可避免的析出了少量MC和M23C6

［9］，引起了熱影響區(qū)組織的脆性;另一方面，受PPAW熱過程的影響，熱影響區(qū)內(nèi)的強(qiáng)化相γ'或γ″等可能會發(fā)生一定的溶解，從而降低了該位置的沉淀強(qiáng)化效果，從室溫硬度測試結(jié)果也可以看出，焊接態(tài)樣品室溫時其熱影響區(qū)的硬度較低，表明該位置室溫強(qiáng)度較低。650℃溫度下的PPAW試樣的拉伸性能與母材相當(dāng)，試樣斷裂位置均斷于母材。這可以表明在室溫及650℃溫度下的焊縫強(qiáng)度可以與母材強(qiáng)度相當(dāng)。

斷口觀察表明(圖8)，拉伸后樣品均呈塑性斷裂形貌，斷口表面出現(xiàn)較明顯的塑性變形撕裂棱和韌窩，說明樣品斷裂前發(fā)生了較顯著塑性變形。

綜上所述，精密脈沖修復(fù)焊作為一種修復(fù)工藝，在修復(fù)后接頭性能方面，可以滿足使用要求。

表3 精密脈沖弧焊的力學(xué)性能

表4 K4169高溫合金的性能

圖8 拉伸斷口形貌

4 結(jié) 論

(1)精密脈沖弧焊K4169合金接頭內(nèi)微觀組織均勻，焊縫內(nèi)呈細(xì)枝晶形貌，并析出細(xì)小均勻的沉淀強(qiáng)化相。

(2)精密脈沖弧焊接頭中，焊縫的室溫硬度較母材低;接頭室溫拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到母材強(qiáng)度的85%，650℃的高溫拉伸強(qiáng)度與母材相當(dāng)，拉伸斷口呈塑性斷裂特征。

(3)精密脈沖弧焊工藝作為一種低脈沖持續(xù)時間(t≤0．05 s)和低占空比(D≤0．5%)的修復(fù)工藝可以用于K4169高溫合金的修復(fù)。

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TG444

2017－01－06

周冠男，1987年出生，碩士研究生，工程師。主要從事焊接工藝研究，已發(fā)表論文4篇。