戴浩，王寶龍，李智勇，王燕

江西昌河航空工業(yè)有限公司 江西景德鎮(zhèn) 333002

1 序言

15CrMnMoVA是一種具有較低合金含量和良好焊接性能的低碳貝氏體高強(qiáng)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可以獲得高強(qiáng)度、良好的韌性和塑性以及良好的焊接性能，主要用在直升機(jī)主減撐桿、發(fā)動機(jī)支架等重要部件[1]。30CrMnSiA屬中碳調(diào)質(zhì)鋼，強(qiáng)度高，焊接性能較差，30CrMnSiA鋼調(diào)質(zhì)后有很高的強(qiáng)度和足夠的韌性以及淬透性，常用于汽車、飛機(jī)各種特殊耐磨零配件等。部分航空焊接零件由于特殊的使用要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計時選用15CrMnMoVA與30CrMnSiA兩種材料，并且需要通過焊接方法制造成形。但是這兩種材料焊接主要存在以下兩點(diǎn)問題：①焊接工藝規(guī)范中兩種材料焊接使用的焊絲不同，15CrMnMoVA鋼焊接應(yīng)選擇15CrMnMoVA焊絲，30CrMnSiA鋼焊接應(yīng)選擇H18CrMoA焊絲。②熱處理工藝規(guī)范中，為使兩種材料滿足Rm=（1180±100）MPa強(qiáng)度要求所采用的熱處理工藝制度不同。通過開展鎢極氬弧焊工藝試驗(yàn)，分析添加15CrMnMoVA鋼和30CrMnSiA鋼焊接時所用焊絲對焊接接頭強(qiáng)度的影響，以及不同熱處理溫度對焊接接頭強(qiáng)度的影響，確定這兩種材料焊接合適的焊絲種類和熱處理工藝制度。

2 材料焊接及熱處理工藝性分析

15CrMnMoVA屬于珠光體耐熱鋼，焊接中存在的主要問題是冷裂紋、熱影響區(qū)的硬化、軟化，以及焊后熱處理或高溫長期使用中的消除應(yīng)力裂紋（SR裂紋）。如果焊接材料選擇不當(dāng)，焊縫中還有可能出現(xiàn)熱裂紋[2]，15CrMnMoVA鋼化學(xué)成分見表1，連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線如圖1所示。

表1 15CrMnMoVA鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 15CrMnMoVA鋼連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線[3]

30CrMnSiA屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，含碳量高、合金元素多，在快速冷卻時，從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的起始溫度Ms點(diǎn)較低，焊后熱處理區(qū)產(chǎn)生硬度很高的馬氏體，容易造成脆化，對氫致冷裂紋的敏感性很大。此外，焊接熔池凝固時，固液相溫度區(qū)間大，結(jié)晶偏析傾向大。因此，焊接時具有較大的熱裂紋傾向，需要采用低碳、低硫和磷的焊接材料[4]，30CrMnSiA鋼化學(xué)成分見表2，連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線如圖2所示。

圖2 30CrMnSiA鋼連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線[5]

表2 30CrMnSiA鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用手工鎢極氬弧焊，試件材料為30CrMnSiA鋼與15CrMnMoVA鋼，規(guī)格為300mm×100mm×1.5mm，材料焊前熱處理狀態(tài)為冷軋+退火態(tài)。分別選用H18CrMoA、15CrMnMoVA兩種焊絲進(jìn)行焊接，H18CrMoA、15CrMnMoVA焊絲室溫抗拉強(qiáng)度分別為630MPa、860MPa[6]，焊絲化學(xué)成分見表3、表4。焊接電流為60～70A，電弧電壓為8～13V，氬氣流量8～12L/min。試驗(yàn)件焊接完成后，分別采用30CrMnSiA鋼、15CrMnMoVA鋼淬火和回火溫度進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。其中，30CrMnSiA鋼淬火溫度為880～900℃，油淬，回火溫度為500～570℃，水冷；15CrMnMoVA鋼淬火溫度為975℃，油淬，回火溫度為650～680℃，空冷。同時還選用H18CrMoA焊絲完成冷軋+退火態(tài)的30CrMnSiA鋼同種材料焊接，按30CrMnSiA鋼熱處理工藝制度進(jìn)行焊后調(diào)質(zhì)處理；選用15CrMnMoVA焊絲完成冷軋+退火態(tài)的15CrMnMoVA鋼同種材料焊接，按15CrMnMoVA鋼熱處理工藝制度進(jìn)行焊后調(diào)質(zhì)處理。按HB 5135—2000一級焊縫質(zhì)量要求經(jīng)過X射線檢測合格后截取這六類焊接試件焊縫試樣，按GB/T 228.1—2010要求進(jìn)行拉伸檢測，以及母材硬度檢測、焊接接頭金相檢測。

表3 H18CrMoA焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 15CrMnMoVA焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

4 結(jié)果分析與討論

4.1 力學(xué)性能

試件焊接接頭試樣拉伸性能、硬度檢測、斷裂位置結(jié)果見表5，試驗(yàn)結(jié)果表明，30CrMnSiA鋼與15CrMnMoVA鋼異種材料焊接時，無論是添加H18CrMoA焊絲還是15CrMnMoVA焊絲，當(dāng)采用15CrMnMoVA鋼熱處理溫度進(jìn)行焊后調(diào)質(zhì)處理的試件時，30CrMnSiA鋼母材側(cè)硬度與焊接接頭抗拉強(qiáng)度均低于1180MPa，相差約180MPa。這可能是，一方面，當(dāng)采用更高的淬火溫度時，由于30CrMnSiA鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線形狀與15CrMnMoVA鋼不同，在975℃轉(zhuǎn)變后奧氏體轉(zhuǎn)變量不充分；另一方面，當(dāng)采用更低的回火溫度，30CrMnSiA鋼產(chǎn)生魏氏組織，均導(dǎo)致30CrMnSiA鋼母材及近母材側(cè)焊縫力學(xué)性能下降[7]。

表5 焊接接頭試樣力學(xué)性能測試結(jié)果

30CrMnSiA鋼與15CrMnMoVA鋼異種材料焊接時，當(dāng)添加H18CrMoA焊絲時，使用30CrMnSiA鋼的熱處理工藝焊后調(diào)質(zhì)處理后的焊接接頭性能較佳，達(dá)1180MPa，與30CrMnSiA鋼、15CrMnMoVA鋼同種材料焊接后經(jīng)相應(yīng)熱處理溫度調(diào)質(zhì)處理后的焊接接頭基本相同；當(dāng)添加15CrMnMoVA焊絲時，使用30CrMnSiA鋼的熱處理工藝焊后調(diào)質(zhì)處理后的焊接接頭性能較佳，達(dá)1180MPa，與30CrMnSiA鋼、15CrMnMoVA鋼同種材料焊接后經(jīng)相應(yīng)熱處理溫度調(diào)質(zhì)處理后的焊接接頭基本接近。總體表明，這兩種材料焊接時，使用稍低的淬火溫度、稍高的回火溫度，可以獲得綜合力學(xué)性能更優(yōu)的接頭，與調(diào)質(zhì)處理后的基體材料力學(xué)性能相當(dāng)。

4.2 金相組織

30CrMnSiA鋼與15CrMnMoVA鋼異種材料焊接接頭的金相組織如圖3～圖6所示，在圖3和圖5中，焊接試件使用熱處理淬火溫度為880～900℃，回火溫度為500～570℃，15CrMnMoVA鋼母材側(cè)和30CrMnSiA鋼母材側(cè)組織呈現(xiàn)索氏體組織特征，為屬于鐵素體和滲碳體的混合，焊縫區(qū)晶粒粗大，沒有明顯的結(jié)晶取向，圖3和圖4焊縫區(qū)的差異在于使用H18CrMoA與15CrMnMoVA焊絲焊縫區(qū)組織中鐵素體和滲碳體比例不同，這是由于兩種焊絲成分不同導(dǎo)致熔化結(jié)晶后的析出相分布差異。

圖3 1號試驗(yàn)件金相組織

圖5 3號試驗(yàn)件金相組織

在圖4和圖6中，焊接試件使用熱處理淬火溫度為975℃，回火溫度為650～680℃，15CrMnMoVA鋼母材側(cè)和30CrMnSiA鋼母材側(cè)組織呈現(xiàn)粒狀貝氏體組織特征，晶粒沿奧氏體晶界析出，在鐵素體間分布有滲碳體。圖4的焊縫區(qū)組織無異常，鐵素體與滲碳體交叉，但是圖6的焊縫區(qū)出現(xiàn)了明顯的魏氏組織特征，且明顯具有過燒痕跡，分析這是由于焊接熱循環(huán)過程中，奧氏體晶粒重新長大，冷卻時，首先沿奧氏體晶界析出粗大的針狀鐵素體，富集的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，鐵素體沿奧氏體晶界析出后，順奧氏體晶粒內(nèi)慣習(xí)面上不斷長大形成的[8]，這種組織的焊接接頭的力學(xué)性能很差，符合拉伸性能測試結(jié)果，僅為894MPa。

圖4 2號試驗(yàn)件金相組織

圖6 4號試驗(yàn)件金相組織

5 結(jié)束語

通過開展15CrMnMoVA和30CrMnSiA合金鋼異種材料焊絲和熱處理工藝制度選用工藝試驗(yàn)，并對焊接接頭的力學(xué)性能和金相組織進(jìn)行對比分析，得出如下結(jié)論：

1）15CrMnMoVA鋼與30CrMnSiA鋼異種材料焊接，選用15CrMnMoVA與H18CrMoA焊絲均能滿足性能要求。

2）15CrMnMoVA鋼與30CrMnSiA鋼異種材料焊接，焊后調(diào)質(zhì)處理宜采用30CrMnSiA鋼的熱處理工藝制度，即淬火溫度為880～900℃，油作為淬火冷卻介質(zhì)，回火溫度為500～570℃，焊后經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)1180MPa左右。