5mm厚15CrMnMoVA高強度鋼鎢極氬弧焊工藝研究

戴浩 李智勇 劉澤宇 楊世亮

摘要：通過工藝試驗及性能檢測，研究了某型直升機零件厚板15CrMnMoVA鎢極氬弧焊接工藝，提供合適的焊接工藝參數范圍，減少焊接缺陷。研究結果表明：5mm厚15CrMnMoVA焊接時，采用兩層焊方式，打底焊焊接電流值為120～140A， 蓋面焊焊接電流為130～150A，鎢極保護氣體流量為14L/min左右，背面保護氣體流量為3～6L/min，鈍邊間隙為1.5mm左右。

關鍵詞：厚板;15CrMnMoVA;鎢極氬弧焊

中圖分類號：XXXX 文獻標識碼：A

引 言

高強度鋼15CrMnMoVA是一種低合金貝氏體鋼。該鋼有二次硬化現象，淬火加高溫回火后有高的強度，好的塑性和韌性，良好的沖壓性能和焊接性能。經調質處理后，可焊接任何復雜的構件，焊后無需進行熱處理[1]。某型直升機零件選用的15CrMnMoVA材料厚度為5mm，超過了工藝規范參數適用的厚度范圍。發動機支架接頭的焊縫等級為Ⅱ級，根據HB5135-2000要求，焊后需要對其進行X光檢測[2]。在實際生產中，焊工在施焊時缺乏指導性依據，過度依賴自身經驗，常采用單層焊方式進行焊接，容易產生未熔合和未焊透等缺陷，降低了產品交付質量和使用壽命。典型零件如圖1所示，屬于對接接頭形式，但是由于焊件較厚，且底板凸起高度很小，熱量容易擴散，底板坡口端很容易出現未焊透現象，單層焊無法獲得高質量的焊接接頭。因此，多層焊方式是該厚板結構焊接的優先選用工藝之一。

1 試驗方法

使用規格為110×300×5mm的15CrMnMoVA板材，材料化學成分如表1所示，焊接邊緣開3×45 °坡口。為了使獲得的焊接規范參數具有代表性，焊接工藝試驗由三名具備航空Ⅲ級氬弧焊資質的焊工完成，焊工代號分別為A、B、C。試驗使用兩件開坡口的15CrMnMoVA板材對接，選用H15CrMnMoVA焊絲，焊絲直徑為2mm，采用兩層焊的方式進行焊接，焊前機械清理坡口和焊絲。每名焊工在一定的焊接參數范圍內，可結合自身實際情況合理選擇打底焊及蓋面焊的工藝參數，每對試板上需焊接3～4段焊縫，其中焊工A和B所使用試板焊前狀態為調質，焊工C所用試板焊前狀態為熱軋。各焊工不同段焊縫序號分別記為A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3，焊接各段焊縫所使用的工藝參數如表2所示。試樣焊接完成后，先進行目視檢驗，察看焊縫成形質量。根據HB5135-2000對焊縫進行X光檢測。按GB/T228.1-2010要求，在各段焊縫上截取拉伸試樣，測試焊接接頭抗拉強度[3]，并分析拉伸斷口。

2 試驗結果與分析

15CrMnMoVA屬于珠光體耐熱鋼，焊接中存在的主要問題是冷裂紋、熱影響區的硬化、軟化，以及焊后熱處理或高溫長期使用中的消除應力裂紋（SR裂紋）。如果焊接材料選擇不當，焊縫中還有可能出現熱裂紋。當焊縫中擴散氫含量過高、焊接熱輸入較小時，由于淬硬組織和擴散氫的作用，焊接接頭中常出現冷裂紋。消除應力裂紋主要出現在焊接熱影響區的粗晶區，一般在500～700℃的敏感溫度范圍內形成，當采用大熱輸入的焊接方法時，在接頭處高拘束應力作用下，焊層間的過熱區易出現消除應力裂紋。鉻鉬耐熱鋼及其焊接接頭在350～500℃溫度區間長期運行過程中發生脆變的現象稱為回火脆性。產生回火脆性的主要原因是雜質元素在奧氏體晶界偏析而引起的晶界脆化，Mn、Si等元素可以促進脆化過程[4]。

各試樣的焊縫正反面成形良好，魚鱗紋清晰，焊縫尺寸符合HB 5135-2000要求。試樣分層焊接時外觀如圖2所示。

X光檢測結果表明，除A1、A4段焊縫局部存在未焊透外，其他各段焊縫均合格。抗拉強度結果如圖3所示。根據《中國航空材料手冊（第一卷）》，15CrMnMoVA調質狀態下的抗拉強度為1080±100MPa，拉伸力學試驗結果表明：各段焊縫的抗拉強度均滿足要求，斷裂位置均為焊縫熱影響區，出現明顯撕裂痕跡，斷口上有韌窩，屬于延性斷裂。

A1與A4段出現局部未焊透的主要原因是焊接熱輸入量不足。通過與C1段工藝參數比較發現，A1段采用的焊接電流較小，焊接速度較大，導致焊接熱輸入量不足。通過與B2段工藝參數比較發現，A4段采用的焊接電流較大，但是焊接速度過大，導致熱輸入量不足。因此，選用較小的焊接電流時，焊工在施焊過程中，需要適當減小焊接速度;選用較大的焊接電流時，焊工施焊過程中應合理增加焊接速度，不能過大。

3 結論

5mm厚15CrMnMoVA高強度鋼焊接時，應采用兩層焊方式，推薦的焊接工藝參數如下：打底焊焊接電流值為120～140A， 蓋面焊焊接電流為130～150A，鎢極保護氣體流量為14L/min左右，背面保護氣體流量為3～6L/min，鈍邊間隙為1.5mm左右。

參考文獻：

[1] 中國航空材料手冊編輯委員會. 航空材料手冊（結構鋼、不銹鋼）[M].北京：中國標準出版社，1988，161-165.

[2] HB5135-2000 結構鋼和不銹鋼熔焊接頭質量檢驗

[3] GB/T228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗（第1部分：室溫試驗方法）

[4] 張學軍. 航空弧焊技術[M].北京：航空工業出版社，123-128.

作者簡介：戴浩（1995—），男，學士，工程師，研究方向：航空焊接工藝技術。

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