1Cr13不銹鋼電磁組件焊接裂紋分析及工藝措施

董錟 牛劭臣 胡靖

摘 要：1Cr13馬氏體不銹鋼焊接性能差，極易產(chǎn)生冷裂紋缺陷。某航空產(chǎn)品零件的材料為1Cr13，在激光焊后焊縫產(chǎn)生延遲裂紋。現(xiàn)針對(duì)工件無(wú)法焊前預(yù)熱及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用氬弧焊代替激光焊，通過(guò)焊接工藝控制解決該產(chǎn)品焊接裂紋問(wèn)題，避免產(chǎn)生焊縫冷裂紋。

關(guān)鍵詞：1Cr13馬氏體不銹鋼;冷裂紋;氬弧焊;工藝控制

0? ? 引言

航空產(chǎn)品插座類零件一般采用激光焊焊接，利用激光焊熱量集中的特點(diǎn)防止焊接熱量燒壞插座內(nèi)部電子元件，影響產(chǎn)品性能。其材料均為奧氏體不銹鋼，焊接性能良好，焊縫無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。其中電磁組件殼體材料為1Cr13馬氏體不銹鋼，在焊接插座時(shí)，經(jīng)試驗(yàn)焊接參數(shù)，降低激光焊的速度，焊縫均勻光滑，無(wú)外觀缺陷。但在外廠使用過(guò)程中出現(xiàn)插座脫落的情況，經(jīng)觀察端口形貌為脆性斷裂，初步定位為裂紋擴(kuò)展引起焊縫失效。領(lǐng)取工件按原工藝進(jìn)行焊接試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，在激光焊1～2天后出現(xiàn)延遲裂紋。本文擬通過(guò)氬弧焊替代激光焊，試驗(yàn)焊接工藝方案，利用焊接加熱來(lái)達(dá)到對(duì)焊縫預(yù)熱和緩冷的效果，控制焊縫冷卻速度，減少脆性相產(chǎn)生，改善焊縫性能，得到優(yōu)良焊縫。

1? ? 裂紋機(jī)理分析

1.1? ? 材料焊接性分析

零件殼體材料為1Cr13，化學(xué)成分如表1所示。

1Cr13馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)焊后狀態(tài)為脆硬的馬氏體組織，另外1Cr13鋼的碳當(dāng)量約為2.76%，因此其焊接性能差[1]。因1Cr13馬氏體不銹鋼導(dǎo)熱性較碳鋼差，焊后殘余應(yīng)力大，特別是焊縫含氫量較高時(shí)，在快速冷卻時(shí)極易產(chǎn)生冷裂紋。其焊接成分特點(diǎn)往往使其組織處于舍夫勒焊縫組織圖中的M和M+F邊界區(qū)，在冷卻速度小于10 ℃/s時(shí)近縫區(qū)會(huì)出現(xiàn)粗大的鐵素體，塑性和韌性也顯著下降[2]。所以，焊接冷卻速度的控制是一個(gè)難題。為得到合適的焊接接頭，往往需要焊前預(yù)熱200～250 ℃來(lái)防止冷裂紋產(chǎn)生，在焊后焊縫冷卻至150 ℃后加熱至650～750 ℃進(jìn)行回火處理[3]，降低焊縫和熱影響區(qū)的硬度，減少焊接殘余應(yīng)力，改善其塑性和韌性。

綜上所述，1Cr13的焊接工藝性能差，必須采用合適的焊接參數(shù)，并對(duì)工件進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊后須進(jìn)行熱處理，以保證焊縫質(zhì)量。

1.2? ? 結(jié)構(gòu)焊接性分析

如圖1所示，電磁組件殼體和插座的焊接接頭為鎖底對(duì)接，焊縫無(wú)坡口，采用不添加焊絲自熔焊接。焊縫在工件的轉(zhuǎn)接處，容易在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)焊接性能差。

1.3? ? 工藝焊接性分析

激光焊接的特點(diǎn)是焊接熱量集中，焊接變形小，焊接熱影響區(qū)小，焊縫的冷卻速度快。對(duì)于電磁組件來(lái)說(shuō)，工件因內(nèi)部的電子元器件無(wú)法進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后緩冷處理，激光焊接后焊縫迅速冷卻，焊縫金屬析出大量脆硬的馬氏體組織，焊縫的塑性和韌性大幅度降低，冷裂紋傾向明顯增加[2]。公司使用的激光焊設(shè)備為楚天YAG-400激光焊機(jī)，其功率不足，焊縫的熔深只有0.3～0.5 mm，雖然激光焊的焊接應(yīng)力小，但焊縫的整體承載強(qiáng)度小，在焊接應(yīng)力的作用下產(chǎn)生延遲裂紋，如圖2所示。

2? ? 試驗(yàn)方案

根據(jù)對(duì)焊縫延遲裂紋產(chǎn)生機(jī)理的分析，針對(duì)電磁組件零件特點(diǎn)，用氬弧焊代替激光焊接，選擇美國(guó)微熱AWS-

200自動(dòng)氬弧焊機(jī)，試驗(yàn)不同的焊接參數(shù)，研究不同焊接參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，如表2所示，從而得到最佳焊接工藝。

在試驗(yàn)過(guò)程中，用紫銅工裝保護(hù)插座，加快插座整體散熱速度，避免焊接熱量燒毀插座。同時(shí)，在焊接過(guò)程中用頂針壓緊工件，對(duì)焊縫施加一個(gè)壓力直至完全冷卻，消除一部分焊接拉應(yīng)力，減少焊縫的裂紋傾向。

采用小電流的焊接參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示，圖3和圖4分別對(duì)應(yīng)1#和2#焊接參數(shù)，從圖3可以明顯看到在靠近殼體部分焊縫出現(xiàn)明顯的溝槽裂紋，而圖4未看到焊接裂紋缺陷，但殼體處的焊縫有咬邊缺陷且焊縫表面不光滑。比較1#和2#焊接參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在降低焊接速度后焊縫質(zhì)量有明顯改善，裂紋消失。分析認(rèn)為焊接速度降低，焊縫的冷卻速度變緩，焊縫中脆硬的馬氏體組織析出減少，焊縫的塑性和韌性超過(guò)焊接應(yīng)力產(chǎn)生裂紋的臨界值，未出現(xiàn)開裂情況。

圖5是按3#參數(shù)進(jìn)行焊接的電磁組件，從圖中可以看到，在焊接后焊縫中心位置有明顯的焊接裂紋缺陷且?guī)缀踟灤┱麄€(gè)焊縫。和1#與2#參數(shù)相比，3#參數(shù)焊接熱輸入更大，焊接應(yīng)力超過(guò)焊縫強(qiáng)度的臨界值，焊縫在焊接過(guò)程中直接開裂。

圖6是按4#參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)的電磁組件，焊縫均勻光滑，無(wú)外觀缺陷。和1#、2#、3#焊接參數(shù)相比，4#焊接參數(shù)焊接的工件焊接應(yīng)力更大，但未出現(xiàn)焊接裂紋缺陷。在用4#參數(shù)進(jìn)行焊接時(shí)，焊接熱輸入高，焊接熱影響區(qū)大，整個(gè)工件的溫度升高到一個(gè)較高的值，相當(dāng)于對(duì)焊縫起到緩冷作用，焊縫的脆性相析出減少，焊縫的強(qiáng)度明顯提升。

3? ? 結(jié)論

（1）控制焊接熱輸入和焊縫的冷卻速度是影響1Cr13馬氏體不銹鋼焊接質(zhì)量的重要因素，降低焊縫冷卻速度有助于提高焊縫的塑性與韌性。

（2）使用氬弧焊焊接電磁組件，在沒有焊前預(yù)熱和焊后熱處理的情況下，通過(guò)控制焊接工藝可以加工出合格的產(chǎn)品。

（3）選擇峰值電流60 A、基值電流32 A、焊接速度3 r/min、頻率5 Hz、脈寬比40%的自動(dòng)焊接參數(shù)焊接電磁組件，能夠得到優(yōu)良的焊接接頭。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 楊興華，王海鵬，陳向陽(yáng).1Cr13馬氏體不銹鋼小孔等離子弧打底焊工藝[J].焊接技術(shù)，2012，41（3）：56-57.

[2] 李亞江.焊接冶金學(xué)——材料焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)：第2卷：材料的焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

收稿日期：2021-05-24

作者簡(jiǎn)介：董錟（1983—），男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，主要從事軍用航空產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督工作。