30CrMnSiNi2A鋼電子束焊接接頭的組織與性能研究

余 槐，袁 鴻，王金雪，張國棟

（北京航空材料研究院，北京 100095）

0 前 言

30CrMnSiNi2A鋼是我國航空工業廣泛使用的低合金超高強度鋼[1-3]。該鋼在30CrMnSiA鋼的基礎上提高了Mn和Cr含量，并添加了1.40%～1.80%的Ni，使其淬透性得到了明顯提高，韌性和抗回火穩定性得到改善[4]。熱處理后強度高，塑性、韌性好，有良好的抗疲勞性能和斷裂韌性，切削和焊接性尚好，但對缺口和氫脆較敏感。材料的成分[5]或熱處理工藝不同[6-7]，其性能會出現很大差異。該鋼適宜于制造高強度連接件和軸類零件等重要受力結構部件，廣泛用于制造飛機起落架、機翼主梁，中央翼的帶板及緣條，對合接頭、結合螺栓，壓氣機中機匣后段等重要受力結構件[8]。該鋼已被使用在某型飛機的襟翼滑軌上，經電子束焊接制造完成，大大減輕了以前螺栓連接方式的構件質量。

本研究分析了12 mm厚30CrMnSiNi2A鋼電子束焊接接頭的組織與性能，以期為該材料的電子束焊接工藝及熱處理方法提供參考。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 試驗材料

試驗用料為 600 mm×200 mm×15 mm （長×寬×厚）鍛件板材，材料的化學成分見表1。電子束焊前經固溶退火處理，并機械加工成200 mm×80 mm×12 mm （長×寬×厚）的焊接試板。焊接工藝試驗在中國航發北京航空材料研究院KL－106M型真空電子束焊機上進行。KL－106M型真空電子束焊機實物照片見圖1，焊接工藝參數[9]見表2，電子束焊接采用 “Ⅰ”型平頭對接，對接間隙不大于0.10 mm。焊接試板對接形式如圖2所示。

表1 30CrMnSiNi2A鋼化學成分 %

表2 電子束焊接工藝試驗參數

圖2 焊接試板對接形式示意圖

2.2 焊后熱處理制度

A：焊態。

B （完全熱處理）[8]： 高溫回火（600±10）℃/1 h+（900±10）℃/2 h， 冷卻介質硝鹽（280～300）℃/4 h+回火（250～300）℃/4 h， AC。

3 試驗結果與分析

3.1 電子束焊接工藝分析

按照表2電子束焊接工藝參數焊接試板，焊接過程中熔池形狀穩定，無飛濺。所形成的焊縫表面無可見明顯咬邊，焊縫正面、背面成形光滑，如圖3所示。30CrMnSiNi2A鋼電子束焊接接頭低倍金相照片如圖4所示。焊縫橫截面均呈現小 “V”字形焊縫特征。焊后對工藝試板進行X射線檢測，結果表明，焊接接頭質量符合GJB1718A—2005中Ⅰ級焊縫的要求。

圖3 30CrMnSiNi2A鋼焊接試板焊縫形貌

圖4 30CrMnSiNi2A鋼焊接接頭低倍金相照片

3.2 接頭室溫拉伸、沖擊韌性試驗結果及分析

焊縫位于拉伸試樣中心位置，沖擊試樣缺口開在焊縫位置，接頭焊態及熱處理下的室溫拉伸、沖擊韌性試驗結果見表3。從表3得出，接頭焊態（A）抗拉強度明顯低于經熱處理后的接頭和母材，完全熱處理狀態 （B）的接頭強度稍高于母材，因此接頭拉伸斷于基體，30CrMnSiNi2A鋼經過熱處理后才能使用，延伸率及斷面收縮率都與母材相當。比較焊態及熱處理接頭母材的沖擊韌性，可以看出，焊態接頭韌性明顯好于熱處理接頭與母材，同熱處理狀態下的接頭與母材兩者的沖擊韌性處于相同水平。因此，接頭經900℃硝鹽浴等溫加低溫回火熱處理后可獲得良好的接頭性能。

表3 30CrMnSiNi2A焊接接頭及母材拉伸性能、沖擊韌性檢測結果

3.3 接頭顯微組織分析

接頭焊態下的顯微組織如圖5所示。熱處理狀態為經900℃淬火加低溫回火，接頭熱處理狀態下的顯微組織如圖6所示。

圖5 接頭焊態下的顯微組織

圖6 接頭熱處理狀態下的顯微組織

從圖5可見，接頭焊態焊縫的顯微組織為典型的粗大針狀馬氏體+殘余奧氏體，這是由于電子束焊接時峰值溫度極高 （2 000℃左右），對于30CrMnSiNi2A 鋼，臨界溫度Ac為805～830℃[10]，其焊后冷卻速度極快，加之奧氏體區域停留時間較長形成的。熱影響區的顯微組織為板條狀馬氏體、貝氏體及少量的奧氏體，因此焊后冷卻速度較焊縫慢，形成一定量的中溫組織。

由圖6可見，焊縫和熱影響區組織主要為回火馬氏體和殘余奧氏體，母材為低溫回火馬氏體組織，低溫回火馬氏體呈板條狀，它仍保持了淬火馬氏體形態，板條界面清晰可見。

圖7 焊態接頭沖擊斷口形貌

3.4 沖擊斷口形貌分析

焊態、完全熱處理態及母材沖擊斷口形貌如圖7～圖9所示。從圖7～圖9可以看出，焊態接頭、完全熱處理狀態接頭和母材的宏觀斷口均表現為凹凸不平的斷裂面。從局部放大斷口可以看出，斷裂面均表現為大量的韌窩，斷裂方式為韌性斷裂，從室溫沖擊值數據可以看出沖擊值都比較高。

圖8 完全熱處理狀態下接頭沖擊斷口形貌

圖9 母材沖擊斷口形貌

4 結 論

（1）30CrMnSiNi2A鋼電子束焊接工藝性優良，采用合適的工藝參數能使接頭達到一級焊接接頭的質量。

（2）30CrMnSiNi2A鋼焊前經固溶處理，焊接后必須經完全熱處理才能使用，接頭才能獲得優良的綜合力學性能，接頭的強度稍高于母材，延伸率及斷面收縮率都與母材相當。

（3）接頭經完全熱處理后，焊縫和熱影響區的顯微組織為回火馬氏體、殘余奧氏體，母材組織也表現為回火馬氏體及少量的殘余奧氏體。

（4）焊態及熱處理態接頭與母材的沖擊斷裂方式為韌性斷裂，斷裂面呈現了大量的韌窩狀。