航空超高強度鋼TIG焊修復接頭性能分析

晁耀杰，周元彪，李德勝

1.大連長豐實業總公司 遼寧大連 116038

2.大連工業大學信息科學與工程學院 遼寧大連 116034

1 序言

30CrMnSiNi2A是航空制造業中應用最普遍的一種低合金超高強度鋼，其具備比強度高、硬度高、耐磨性好、疲勞擴展速率低及抗疲勞性好等優點，在飛機制造中常被用來作為起落架活塞桿、高強度聯接螺栓、平尾大軸等關鍵承力結構件的主體材料[1，2]。在飛機服役過程中，由于承受交變載荷和各種腐蝕環境影響，所以30CrMnSiNi2A鋼航空零件難免會產生磨損、腐蝕、掉塊和開裂等缺陷，而TIG焊是最常見的修復工藝，也是一種降低成本且能保證零件結構完整性的重要手段。

TIG焊（Tungten Innert Gas）又稱鎢極氬弧焊或GTA焊（Gas Tungten Arc），是所有焊接方法中應用面最廣且能夠實現高品質焊接的一種方法[3]。TIG焊修復工藝作為一種集化學冶金、不平衡傳熱和應力變形于一體的物理化學過程[4]，其修復接頭的性能對零件的服役可靠性有著重要影響。目前，國內外針對30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復接頭性能方面的研究比較少，因此開展該超高強度鋼TIG焊修復性能研究對同材質航空零件TIG焊修復的可靠性評估具有十分重要的理論和實際意義。

本文針對30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復接頭的金相組織、拉伸性能、顯微硬度分布和沖擊韌度進行了測試分析，并通過掃描電鏡觀察了拉伸斷口和沖擊斷口的形貌特征。

2 試驗材料與試驗方法

2.1 試驗材料

試驗材料采用的是航空用30CrMnSiNi2A鋼，供貨熱處理狀態為900℃淬火+290℃回火3h+空冷，其化學成分見表1。試驗材料的尺寸為200mm×100mm×11mm，為模擬此類航空零件的TIG焊修復工藝，將試驗材料的焊接坡口加工成如圖1所示尺寸。為最大程度地減少焊接缺陷的產生，首先對焊接坡口及附近區域進行噴砂處理并采用蘸有丙酮的干凈棉布擦拭干凈，然后采用φ3mm的H18CrMoA焊絲對坡口進行TIG焊修復，保證坡口完全被填充，在TIG焊修復前后均需要將試驗材料放置在熱處理爐中加熱至（260±5）℃保溫2～3h，最后隨爐冷卻至室溫。

表1 30CrMnSiNi2A鋼化學成分（質量分數） （%）

圖1 TIG焊修復坡口尺寸

2.2 試驗方法

為了研究TIG焊修復對30CrMnSiNi2A鋼微觀組織的影響，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》制作金相試樣，并采用VHX-1000E光學顯微鏡觀察TIG焊修復接頭焊縫區和熱影響區等各微區的金相組織形貌。

為了測試分析TIG焊修復對30CrMnSiNi2A鋼靜強度與塑性的影響，依據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》加工出標準拉伸試樣，并采用UH-FI萬能試驗機進行靜拉伸試驗。

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》加工出硬度檢測試樣（見圖2），并采用AMH43全自動顯微硬度儀進行測試，加載載荷5N，保持時間10s。

圖2 硬度取點位置

為考察TIG焊修復接頭的沖擊韌度，按照GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》加工出沖擊試樣（見圖3），并在Instron9350型落錘儀器化沖擊試驗機上開展常溫沖擊試驗。

圖3 沖擊試樣尺寸

為了分析拉伸斷口和沖擊斷口的微觀形貌特征，采用Quanta200FEG場發射環境掃描電子顯微鏡進行微觀形貌觀察。

3 試驗結果與分析

3.1 金相觀察試驗

30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復接頭的形貌如圖4所示，接頭由焊縫區、熔合線、熱影響區和母材區組成。接頭微觀組織如圖5所示。焊縫中心主要為粗大等軸晶，靠近熔合線的焊縫區主要由柱狀晶構成。這是因為熔融的填充金屬首先從熔合線開始凝固，由于冷卻速度較快，過冷度較大，容易生成柱狀晶，焊縫中心凝固速度變慢且過冷度減小，更容易生成等軸晶。焊縫金屬在冷卻過程中經歷了固態相變，首先形成奧氏體和鐵素體組織，隨著溫度進一步下降，轉化為板條馬氏體和少量殘留奧氏體[5]。

圖4 TIG焊修復接頭形貌

從圖4可以看出，靠近熔合線的熱影響區依次為完全淬火過熱粗晶區和完全淬火細晶區，完全淬火過熱粗晶區的放大形貌如圖5b所示，完全淬火細晶區的放大形貌如圖5c所示。由于完全淬火過熱粗晶區靠近熔合線，所以在TIG焊熱量的作用下發生過熱，奧氏體晶粒變粗大，而完全淬火細晶區最高溫度相對較低，奧氏體晶粒未變粗大，隨著焊縫的快速冷卻，熱影響區的奧氏體轉變為馬氏體和少量貝氏體。由于冷卻過程中晶粒尺寸未發生變化，因此完全淬火過熱粗晶區組織主要由粗大的板條馬氏體和少量貝氏體組成，而完全淬火細晶區組織主要由細小均勻的針狀馬氏體和少量貝氏體組成[6，7]。

圖5 接頭微觀組織

3.2 拉伸試驗

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》對30CrMnSiNi2A鋼的母材和TIG焊修復接頭進行常溫拉伸性能測試，結果見表2。

表2 靜拉伸性能測試結果

30CrMnSiNi2A作為一種超高強度鋼，具備優良的力學性能，但經過TIG焊修復后接頭的各項力學性能變化較大：母材的抗拉強度為1680.50MPa，TIG焊修復接頭的抗拉強度平均值為1705.85MPa，比母材高1.5%，數值上與母材相當；TIG焊修復接頭的伸長率平均值為5.48%，比母材下降39.11%；TIG焊修復接頭的斷面收縮率平均值為24.55%，比母材下降45.44%。由此可知，TIG焊修復接頭的強度與母材相當，塑性指標下降較嚴重。這是因為TIG焊修復接頭的焊縫組織主要由塑性較差的板條馬氏體構成，而母材組織主要由細小均勻的針狀馬氏體和貝氏體構成，母材塑性要強于焊縫。同時TIG焊修復接頭均斷于熱影響區，這是因為熱影響區相比正常的母材區和焊縫區，其強度最低。

3.3 顯微硬度試驗

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》開展顯微硬度測試，TIG焊修復接頭的顯微硬度分布曲線如圖6所示。從圖6可看出，該接頭的硬度分布趨勢大體是焊縫處最高，為592HV；熱影響區最低，為458HV；遠離熔合區的母材硬度平均值為562HV。這是因為在TIG焊修復過程中，焊縫區冷卻速度較快，生成了硬度較大的板條馬氏體和少量殘留奧氏體組織，靠近熔合線的熱影響區在焊接熱的作用下形成了完全淬火粗晶區，硬度值最低；完全淬火細晶區和母材區均由晶粒細小的馬氏體組織和少量貝氏體組織構成，硬度值較高。

圖6 TIG焊修復接頭的顯微硬度分布曲線

3.4 沖擊試驗結果與分析

按照GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》對30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復接頭與母材開展常溫沖擊試驗，TIG焊修復接頭沖擊曲線如圖7所示，沖擊性能測試結果見表3。

表3 沖擊性能測試結果

圖7 TIG焊修復接頭沖擊曲線

沖擊試驗結果表明，TIG焊修復接頭的平均沖擊韌度值為44.32J/cm2，母材沖擊韌度值為85J/cm2，經TIG焊修復后接頭的沖擊韌度降低了47.86%。由此可知，TIG焊修復接頭的耐沖擊性能相比母材下降嚴重。這是因為焊縫金屬為鑄態組織，且組織主要由板條馬氏體和殘留奧氏體構成，相比母材的軋制態組織，脆性增大，耐沖擊性能下降。

3.5 斷口形貌觀察試驗

通過上述拉伸試驗發現，TIG焊接頭的拉伸試樣均斷裂在熔合線附近的熱影響區，根據金相觀察和顯微硬度測試結果，可以判斷出斷裂位置為完全淬火過熱粗晶區。該斷口的宏觀形貌如圖8a所示，掃描電鏡觀察的高倍微觀形貌如圖8b所示。通過相關文獻[8-10]可知，超高強度鋼材料的沖擊斷口會存在三個典型區域：放射區、纖維區和剪切唇，如圖9所示。本文采用掃描電鏡對TIG焊修復接頭沖擊斷口的底部剪切唇區域進行了觀察，其高倍微觀形貌如圖10所示。

圖8 TIG焊修復接頭拉伸斷口形貌

圖9 沖擊斷口形貌示意

通過圖8b和圖10均可觀察到明顯韌窩和撕裂棱，圖8b顯示的等軸韌窩及圖10顯示的拉長韌窩和等軸韌窩在沖擊斷口中均占據一定比例。通過以上斷口的微觀觀察，可以判斷出TIG焊修復接頭的拉伸斷口和沖擊斷口均呈現塑性斷裂特征。

圖10 TIG焊修復接頭沖擊斷口底部剪切唇高倍微觀形貌

4 結束語

1）30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復接頭焊縫中心為粗大等軸晶，靠近熔合線的焊縫主要為柱狀晶，靠近熔合線的熱影響區依次為完全淬火過熱粗晶區和完全淬火細晶區，前者主要由粗大的板條馬氏體和少量貝氏體組成，后者主要由細小均勻的針狀馬氏體和少量貝氏體組成，該補焊修復接頭組織可通過低溫回火處理得到改善，進而滿足產品性能要求。

2）TIG焊修復接頭的抗拉強度與母材相當，伸長率下降39.11%，斷面收縮率下降45.44%；修復接頭焊縫硬度最高為592HV，熱影響區最低為458HV，遠離熔合區的母材硬度平均值為562HV；修復接頭沖擊韌度為44.32J/cm2，母材沖擊韌度為85J/cm2，TIG焊修復接頭的耐沖擊性能下降嚴重，表明該TIG焊修復部位更容易在沖擊載荷下產生開裂缺陷。因此，可通過增大焊縫余高來保障使用的可靠性。

3）掃描電鏡觀察結果表明，TIG焊修復接頭的拉伸斷口和沖擊斷口均存在大量韌窩和撕裂棱，呈現塑性斷裂特征。