汪朝陽(yáng)

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院， 河南 洛陽(yáng) 471009）

1 項(xiàng)目背景

超高強(qiáng)度鋼由于其高強(qiáng)度、高韌性、低加工硬化率、優(yōu)良的冷變形等特性，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。常用的超高強(qiáng)度鋼為馬氏體時(shí)效鋼，它是以Fe、Ni 為基，通過(guò)馬氏體相變和時(shí)效，析出微小的金屬間化合物而達(dá)到強(qiáng)化效果，屈服強(qiáng)度可達(dá)到2 400 MPa以上，不失其韌性，而且具有優(yōu)良的焊接性。我國(guó)已研制成功18Ni、馬氏體時(shí)效鋼7021 等一系列馬氏體時(shí)效鋼并獲得應(yīng)用[1]。我院某型發(fā)動(dòng)機(jī)殼體是重要的受力部件，所使用材料為超高強(qiáng)度鋼18Ni（250 級(jí)）。

該發(fā)動(dòng)機(jī)殼體由翼肋和殼體圓筒等多個(gè)部件，通過(guò)多種焊接方法連接而成。其中翼肋和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體圓筒通過(guò)電阻點(diǎn)焊方式連接，每個(gè)翼肋上對(duì)稱焊兩排共36 個(gè)焊點(diǎn)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上有144 個(gè)焊點(diǎn)（如圖1所示）。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于材料較厚，電阻點(diǎn)焊過(guò)程中易產(chǎn)生飛濺造成材料缺失，熔核冷卻極快易形成核內(nèi)縮孔和裂紋。

圖1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)殼體翼肋點(diǎn)焊示意圖

點(diǎn)焊裂紋是焊接接頭中最為嚴(yán)重的缺陷，裂紋易形成應(yīng)力集中且使用過(guò)程中往往形成斷裂源，大大削弱焊縫抗拉強(qiáng)度，其危害性極大[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)殼體翼肋點(diǎn)焊設(shè)計(jì)要求需達(dá)到QJ 1289—95《結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼電阻點(diǎn)、縫焊技術(shù)條件》II 級(jí)焊縫要求，焊點(diǎn)不允許存在裂紋，焊點(diǎn)裂紋問(wèn)題成為焊接生產(chǎn)中的瓶頸。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點(diǎn)焊裂紋缺陷允許一次返修，點(diǎn)焊缺陷的返修存在以下困難：

1）焊點(diǎn)處強(qiáng)度更高，采用機(jī)械方法排除缺陷較難；

2）點(diǎn)焊裂紋形成過(guò)程較復(fù)雜，位置判定較難；

3）殼體內(nèi)側(cè)修補(bǔ)過(guò)程中需減小焊接影響。

目前，國(guó)內(nèi)外超高強(qiáng)度鋼點(diǎn)焊裂紋的返修方面的文獻(xiàn)較少，希望找到一種較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的裂紋修復(fù)方案，使其能夠運(yùn)用到發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的點(diǎn)焊生產(chǎn)過(guò)程中，同時(shí)為超高強(qiáng)度鋼的點(diǎn)焊裂紋修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

2 研究過(guò)程

通過(guò)點(diǎn)焊試片模擬發(fā)動(dòng)機(jī)殼體電阻點(diǎn)焊裂紋，選用電阻點(diǎn)焊和氬弧焊方式對(duì)電阻點(diǎn)焊裂紋進(jìn)行修復(fù)，對(duì)修復(fù)后的試片進(jìn)行力學(xué)性能和顯微組織分析，驗(yàn)證修復(fù)方式能否滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)選出簡(jiǎn)單可操作的焊接修復(fù)方法。點(diǎn)焊試片厚度為2.5 mm，所用點(diǎn)焊設(shè)備為英國(guó)SP150 點(diǎn)焊機(jī)。

2.1 電阻點(diǎn)焊修復(fù)

對(duì)有裂紋的焊點(diǎn)上進(jìn)行二次電阻點(diǎn)焊，通過(guò)電阻點(diǎn)焊熱量將焊點(diǎn)重新熔合以達(dá)到消除裂紋的目的。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，采用比正常焊接大的電流，略長(zhǎng)的鍛壓保持時(shí)間，及兩次焊點(diǎn)重合率為95%以上時(shí)能有效修復(fù)焊點(diǎn)裂紋。返修了15 對(duì)試片，經(jīng)過(guò)X 射線檢測(cè)合格12 對(duì)，合格率為80%。

電阻點(diǎn)焊修復(fù)注意事項(xiàng)：

1）兩次焊點(diǎn)重合程度為修復(fù)成功與否的關(guān)鍵因素，實(shí)際操作中，盡量使用模板定位，或技能較高的人員；

2）焊點(diǎn)壓痕深度大于0.15 mm 的帶裂紋焊點(diǎn)修復(fù)時(shí)，需減小點(diǎn)焊電流和點(diǎn)焊壓力。

2.2 氬弧焊修復(fù)

氬弧焊修復(fù)分為兩步，先用機(jī)械方法排除焊縫缺陷，再用氬弧焊修補(bǔ)。

2.2.1 機(jī)械排除缺陷

排除裂紋缺陷應(yīng)遵循以下原則，既方便徹底地清除焊點(diǎn)裂紋又方便后續(xù)氬弧焊修復(fù)，且不影響殼體圓筒使用，即對(duì)殼體內(nèi)腔影響要小。由于焊點(diǎn)硬度較高，采用傳統(tǒng)的砂輪機(jī)打磨和對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行銑削加工的方法均不可取，經(jīng)過(guò)分析試驗(yàn)選擇采用鉆孔的方式去除焊點(diǎn)裂紋缺陷。

2.2.1.1 鉆頭形狀的選取

由于普通鉆頭鉆尖處焊槍不可達(dá)，補(bǔ)焊時(shí)易形成孔洞等缺陷，推薦選用球頭鉆（如圖2 所示），同時(shí)由于焊點(diǎn)硬度較高，因此選擇進(jìn)口硬質(zhì)合金球頭鉆。

圖2 選用鉆頭規(guī)則示意圖

2.2.1.2 鉆頭尺寸及鉆孔深度選擇

裂紋多發(fā)生在搭接焊縫中間即縮孔位置邊沿。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊點(diǎn)熔核直徑要求大于6.5 mm，在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體點(diǎn)焊過(guò)程中焊點(diǎn)熔核直徑d 一般為Φ8 mm 左右，縮孔尺寸不大于0.2 d 即Φ1.6 mm?？紤]氬弧焊有一定熔深，鉆頭直徑不應(yīng)大于Φ7 mm。在本項(xiàng)目中，選擇鉆頭為Φ6 即R3 的球頭鉆即可。

鉆孔深度h 的選擇應(yīng)保證能徹底去除裂紋，且對(duì)殼體內(nèi)腔影響最小。實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)裂紋大小選擇，一般深度為3 mm±0.3 mm（注：此深度應(yīng)不包括壓痕深度）。

2.2.2 氬弧焊修復(fù)缺陷

在氬弧焊修復(fù)時(shí)為避免產(chǎn)生新缺陷，修復(fù)中需注意以下事項(xiàng)：

1）焊前清理：超高強(qiáng)度鋼中氬弧焊對(duì)雜質(zhì)較敏感，易造成熱裂紋等缺陷[3]。因此,氬弧焊修復(fù)的焊前清理尤為重要。通常先用氣槍清理鉆孔的切屑，然后用丙酮擦洗，確保焊接部位無(wú)油污等影響焊接質(zhì)量的污物。

2）焊絲選擇：選用與母材材料相近的TORBOLOY250焊絲，直徑為Φ1.2 mm，焊絲必須經(jīng)過(guò)表面清理，避免污染焊縫。

3）焊接過(guò)程：由于超高強(qiáng)度鋼結(jié)晶時(shí)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度變化范圍為100～155 ℃，故應(yīng)盡可能采用小熱輸入焊接，不預(yù)熱，層間溫度不大于100 ℃。故在氬弧焊修復(fù)時(shí)，電流不宜過(guò)大，保證連續(xù)送絲控制層間溫度。為降低氬弧焊修復(fù)過(guò)程中對(duì)殼體圓筒內(nèi)腔的影響，須在殼體內(nèi)腔墊銅板增強(qiáng)散熱。

4）焊后打磨清理：對(duì)氬弧焊修復(fù)后高出基體的部分采用百葉輪打磨平整，注意打磨過(guò)程中不允許損傷基體。

采用以上修復(fù)方法，經(jīng)X 射線檢測(cè)，裂紋消除，且無(wú)其他焊接缺陷，氬弧焊修復(fù)合格。

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

力學(xué)性能測(cè)試采用拉伸試驗(yàn)設(shè)備WE-100，試片分為合格點(diǎn)焊試片、帶裂紋點(diǎn)焊試片、點(diǎn)焊修復(fù)試片、氬弧焊修復(fù)試片共4 組，每組各5 對(duì)。以上試片經(jīng)過(guò)熱處理時(shí)效后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)單點(diǎn)抗剪力，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 試片拉伸結(jié)果

由上表可以看出，兩種修復(fù)方式均能滿足抗剪力大于30 kN 的設(shè)計(jì)要求，氬弧焊修復(fù)強(qiáng)度更高且波動(dòng)較小，電阻點(diǎn)焊修復(fù)試片抗拉強(qiáng)度不穩(wěn)定，分析其原因主要為：

1）兩次電阻點(diǎn)焊壓痕深淺不一，修復(fù)后差別更大；

2）兩次電阻點(diǎn)焊都形成縮孔，兩次焊點(diǎn)重合率對(duì)縮孔尺寸影響較大。

2.4 顯微組織測(cè)試

將正常點(diǎn)焊、電阻點(diǎn)焊修復(fù)和氬弧焊修復(fù)試片進(jìn)行焊縫接頭晶相分析。晶相分析結(jié)果顯示，氬弧焊試片焊縫中心區(qū)域、熔合線區(qū)域和熱影響區(qū)域晶粒較正常點(diǎn)焊試片、點(diǎn)焊修復(fù)試片晶粒明顯增加，且熱影響區(qū)域擴(kuò)大。采用點(diǎn)焊方法進(jìn)行點(diǎn)焊修復(fù)熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫中心區(qū)域晶粒均未明顯增大，氬弧焊方式焊縫晶粒均有明顯增大。

對(duì)三種試片熱影響區(qū)HAZ 進(jìn)行晶粒度評(píng)測(cè)，正常點(diǎn)焊試片、電阻點(diǎn)焊修復(fù)試片、氬弧焊試片評(píng)測(cè)結(jié)果分別為6.5 級(jí)、6.5級(jí)、4級(jí)。

另外從發(fā)動(dòng)機(jī)殼體使用情況來(lái)看，殼體內(nèi)腔需承受較大的內(nèi)壓、溫度也較高，因此考核晶粒主要是從殼體內(nèi)側(cè)考核。分析殼體內(nèi)焊縫晶粒無(wú)明顯漲大趨勢(shì)（如圖3 所示）。因此，從晶相結(jié)果分析，氬弧焊和電阻點(diǎn)焊修復(fù)兩種方法均能滿足設(shè)計(jì)使用要求。

圖3 殼體內(nèi)側(cè)晶粒圖

3 結(jié)論

1）從以上試驗(yàn)可以看出，點(diǎn)焊修復(fù)方法和氬弧焊方法均能滿足設(shè)計(jì)要求。

2）氬弧焊修復(fù)方法存在焊縫區(qū)域晶粒變大，熱影響區(qū)范圍擴(kuò)大等問(wèn)題，但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)側(cè)晶粒無(wú)影響，氬弧焊修復(fù)合格率高，無(wú)縮孔等缺陷導(dǎo)致氬弧焊修復(fù)后整體抗剪切強(qiáng)度較點(diǎn)焊修復(fù)方法高且穩(wěn)定。

3）電阻點(diǎn)焊修復(fù)時(shí)焊點(diǎn)前后兩次電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)重合率要求較高，焊點(diǎn)重合率將影響電阻點(diǎn)焊裂紋能否修復(fù)和單點(diǎn)抗剪力強(qiáng)度；同時(shí)對(duì)于壓痕深度超過(guò)0.15 mm（max）的焊點(diǎn)不能采用電阻點(diǎn)焊修復(fù)，零件最終要求壓痕深度0.2 mm（max）。

4）發(fā)動(dòng)機(jī)殼體點(diǎn)焊裂紋修復(fù)優(yōu)先選用氬弧焊方法修復(fù)點(diǎn)焊裂紋。該方案可適用于超高強(qiáng)度鋼點(diǎn)焊裂紋的修復(fù)，修復(fù)方案較簡(jiǎn)單，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。