薄壁超高強度鋼熔敷焊接導帶裂紋成因分析及預防

柳燕，姜華，于正偉，朱序，劉海艷，徐宇航，趙明波

(北方華安工業集團有限公司, 黑龍江 齊齊哈爾 161046)

0 引言

在兵器制造業中，導帶是彈藥炮彈極其重要的組成部分，是炮彈能否“安全”實現“遠”和“準”作戰指標的關鍵部件。傳統炮彈導帶采用機械壓帶工藝，限制了炮彈的裝藥量，同時彈體與導帶的機械連接易使導帶在發射過程中松動、脫落等，影響射擊精度。隨著武器裝備的發展，要求彈體的壁厚減薄，以增加爆炸威力，滿足這一設計要求勢必需要導帶槽的深度減小，因此導帶焊接技術引起廣泛關注與研究[1-4]。導帶熔敷焊接技術是目前國際上先進的導帶焊接技術，其原理為：采用高頻感應電流作為熱源，將預置在彈體相應部位的環帶或條帶整體或局部熔化，在固態粉末保護下，使導帶與彈體發生冶金結合，而彈體不發生熔化[5-7](圖1)。

圖1 熔敷焊接原理圖

為確保產品戰績指標，將產品設計成單邊壁厚只有3mm左右的薄壁殼體筒狀體。根據產品設計要求，導帶采用熔敷焊接方式。在產品設計定型過程中，導帶焊接質量穩定。但在產品生產階段，導帶焊后微觀組織分析時，發現銅-鋼結合界面處鋼側出現顯微裂紋(見圖2、圖3)。裂紋是焊縫中最危險的缺陷，導帶中的裂紋會導致炮彈在發射出膛后炮彈瞬間破碎、火炮炸膛。嚴重時會造成人員傷亡。所以需要分析其裂紋產生的原因，并采取有效的處理方案。

圖2 導帶銅鋼結合界面微觀組織合格圖片

圖3 導帶銅鋼結合界面裂紋圖片

1 材料及焊接工藝

彈體原材料采用D6AC(45CrNiMo1VA)鋼，導帶采用H90(黃銅)其成分見表1、表2。

表1 D6AC鋼的質量分數 %

表2 H90的質量分數 %

焊接工藝見圖4。

圖4 焊接工藝曲線

2 導帶裂紋產生原因分析

2.1 原材料成分分析

彈體原材料選用D6AC鋼，該鋼種具有硬度高、淬透性強、高比強等特點。因其良好的綜合力學性能，常用于火箭、導彈部件、重型裝備等重要零部件的生產，是制造薄壁殼體類零件的理想材料[8-9]。對該原材料驗收記錄進行排查，發現其質量分數、力學性能、低倍組織等各項指標均滿足要求。

導帶材料選用H90(黃銅)，因其具有良好的力學性能和冷熱壓力加工性能，耐腐蝕性好，而被廣泛應用于炮彈的導帶生產。對該批生產階段H90黃銅質量分數、力學性能等進行了檢查，發現其質量分數、力學性能同樣均滿足要求。

2.2 生產設備網壓波動因素分析

抽取10發彈體，并進行4次焊接實驗。實驗過程中網壓控制在360V～400V之間，以考核網壓波動是否影響焊接電流、焊接時間等工藝參數，從而影響焊接質量(見表3)。

表3 焊接情況統計表

從表3中可以看出，10發導帶的微觀組織圖片中有7發導帶微觀組織圖片與標準圖片不符，3發導帶微觀組織圖片與標準圖片相符。從微觀組織圖片中可以看出母材(彈體)中鐵元素呈塊狀向銅層(導帶)中滲透，個別微觀組織圖片中，導帶出現顯微裂紋情況(見圖5、圖6)。在不同網壓下，焊接工藝參數：焊接能量、焊接時間均很穩定，但焊接質量卻出現很大波動，這說明網壓波動不是影響焊接質量的主要原因。

圖5 鐵元素滲透圖片

圖6 裂紋圖片

2.3 彈體、導帶表面沾染雜質分析

采用掃描電鏡檢測裂紋源、裂紋附近的質量分數，發現裂紋源、裂紋附近S、M含量超標(表4)，超過原材料本身含量。S元素是典型的低熔點夾渣物，在焊接加熱過程中容易產生熱裂紋等焊接缺陷，S元素過多對焊接質量的影響是致命的。初步判斷在焊接之前彈體、導帶基體中有MoS2成分存在，即彈體或導帶在加工過程中可能沾染雜質。導帶采用數控車床加工，車削過程中使用冷卻液，加工后再涂抹防銹油封存。常規冷卻液和防銹油對彈體表面無影響，實際生產中，多種冷卻液會反復使用，可能會帶入車床導軌使用潤滑劑(MoS2)等，導致彈體表面存在MoS2等雜質。

表4 裂紋源化學元素成分

抽取10發彈體進行實驗，5發彈體表面涂抹防銹油，使用汽油和酒精對焊接部位進行清擦；5發彈體表面沒有涂抹防銹油，使用汽油和酒精對焊接部位進行清擦(見表5、圖7)。

表5 彈體或導帶沾染雜質驗證試驗焊接情況統計表

從表5中可以看出，10發導帶的微觀組織圖片中有6發導帶微觀組織圖片出現顯微裂紋，與標準圖片不符，4發導帶微觀組織圖片與標準圖片相符。從圖7可以看出銅-鋼結合界面呈現鋸齒狀，界面不平整，雜質存在于界面中，在鋼一側明顯有裂紋存在。試驗結果表明：彈體或導帶表面沾染雜質不是銅-鋼界面產生裂紋的原因。

圖7 裂紋圖片

2.4 焊接區域淺表層存在微缺陷分析

為分析得出S元素存在于彈體表面的形式，將生產用彈體的彈尾至焊接區域加工成試塊，發現部分彈體距外表面100 μm區域存在疏松缺陷層(圖8、圖9)，存在缺陷層的彈體S含量超標(S含量0.95%，原材料S含量≤0.005%)。缺陷層從彈尾部向彈頭部逐漸變窄、變淺，并消失。若缺陷層延伸至焊接區域，焊接后則出現微裂紋。

圖8 淺表層缺陷微觀組織I 圖9 淺表層缺陷微觀組織Ⅱ

2.5 微缺陷來源(彈體工藝過程)分析

該產品制造工藝流程如下：彈體沖拔—彈體粗車—彈體探傷—導帶焊接。

彈體毛坯采用φ160mm棒材切割下料，經三道熱擠壓—拉拔成形，擠壓加熱溫度1 150℃，終擠溫度>850℃，形成的毛坯。

熱擠壓—拉拔成形后，毛坯存在氧化層、劇烈變形層和應力應變層，隨后的機械加工，需將氧化層、變形層和應力應變層全部加工消除，保留完好的鍛造態合金用于焊接(圖10)；同時，彈體熱擠壓一般采用石墨作為潤滑劑，而石墨中通常會加入含有增強性能的FeS2或MoS2。熱擠壓過程的劇烈變形，會將FeS2或MoS2帶入彈體表層或淺表層，必須將該層全部切除。若未能完全切除，將在彈體淺表層存在微裂紋、微孔洞、晶間低熔點夾渣物等缺陷(圖8)，在焊接加熱過程中，直接產生液化裂紋、擴大原有缺陷，特別是：在表面存在硫化物的情況下，S進入缺陷層，造成晶間和微缺陷聚集大量的低熔點夾雜物，在加熱過程中，微缺陷加速擴大，成形焊接裂紋。對生產用彈體進行電鏡掃描，發現彈體經擠壓—拉拔后，表面微觀組織存在微孔洞(圖11)。

圖10 彈體沖拔后正常微觀形貌

圖11 擠壓-拉拔后彈體(未受熱)表面形貌

3 裂紋預防措施

通過上述沖拔原理分析、金相組織分析等表明：熱擠壓—拉拔工藝造成焊接部位彈體產生了劇烈的變形，現有擠壓毛坯在焊接區域存在較為嚴重的夾雜物、微孔洞、微觀裂紋和晶間低熔點夾雜物。在批量生產過程中，必須將其有效地切削清除。

針對該產生缺陷原因，對產品沖拔料的尺寸進行調整。增加沖拔后毛坯外徑，由φ163 mm增加到φ165 mm；增長沖拔毛坯全長，由825 mm增加至835mm。這樣在焊接前機加尺寸不變的情況下，加大車削尺寸，盡最大量消除產品在沖拔過程中產生的氧化層、劇烈變形層和應力應變層。其切削用量見表6。

通過焊后微觀組織圖片(圖12)可以看出，彈體、彈帶及銅-鋼結合界面組織正常，結合界面平整，沒有未熔合、晶間滲銅及成塊的鐵元素存在。

表6 沖壓彈體加工情況統計表 mm

圖12 沖拔工藝調整后焊接導帶后組織圖片

4 結語

通過對彈體和導帶原材料分析、導帶理化檢測分析，經過對生產現場網壓波動、彈體和導帶表面沾染雜質、彈體焊接區域淺表層微缺陷等分析排查，準確找到了導帶產生裂紋的原因是彈體熱擠壓過程中FeS2或MoS2進入彈體表層或淺表層， S含量超標(S含量0.95%，原材料S含量≤0.005%)，焊接過程中大量S產生低熔點夾雜物，同時微缺陷加速擴大，形成焊接裂紋。通過調整相關工藝，增加沖拔后毛坯外徑，加大車削尺寸，熔敷焊接后的導帶其微觀組織沒有出現裂紋問題。