GH4169与电铸镍异种金属焊接技术

2017-10-23孔兆财邹鹤飞马丽翠张龙飞高凤林徐宋娟

焊接 2017年5期

孔兆财王贺邹鹤飞马丽翠张龙飞高凤林徐宋娟

GH4169与电铸镍异种金属焊接技术

孔兆财王贺邹鹤飞马丽翠张龙飞高凤林徐宋娟

(首都航天机械公司，北京100076)

针对电铸镍与GH4169(Fe－Ni－Cr高温合金)异种材料的焊接问题，开展了电铸镍焊前状态、焊丝材料和异种材料焊接工艺等相关研究。基于宏观检查、力学性能测试与微观组织结果，提出了正式产品的焊接工艺及产品检测方法，最终实现了产品的生产，并经过了试车与飞行考核。

高温合金电铸镍异种金属焊接

0 序言

GH4169合金是一种以体心立方的γ″和面心立方γ'沉淀强化的Fe－Ni－Cr高温合金，具有强度高、抗氧化、抗辐射、较高的高温强度等特点，在－253～700℃温度范围内具有良好的综合力学性能，是现代航天、航空及核能等领域大量应用的关键材料［1－3］。但是，GH4169合金同样具有硬度高、塑性韧性差的特点，其焊接难度较大，易产生焊接裂纹、应力集中及焊接变形等缺陷［4］。

电铸镍为一种纯镍电沉积而成的特种材料，不同于纯镍，其在400℃以上塑性突然下降，在500℃时，塑性几乎下降至30%左右，且当温度升高至700℃时，晶粒长大严重，晶界变宽，上述特性都给电铸镍的焊接带来极为不利的影响［5］。

现某型号产品因制造工艺和材料强度的共同需求，涉及到GH4169与电铸镍两种异性金属的焊接，其焊接技术难度较大。由于电铸镍与GH4169的物性差异，焊接过程中易在电铸镍一侧的近焊缝区产生大量裂纹，同时焊接热输入会导致整体焊接结构的强度有所下降［6］。目前，国内尚未有关于GH4169与电铸镍焊接技术的报道，文中开展了相关工艺试验，以探索GH4169与电铸镍的焊接技术。

1 试验材料及方法

1．1 试验材料

试验中使用的电铸镍为板状，厚度均为7 mm，化学成分见表1。焊接时电铸镍为两种状态:第一种状态为电铸镍焊前进行退火处理，即280℃保温2 h;第二种状态为电铸镍未进行退火处理。两种状态下，电铸镍的室温抗拉强度分别为730 MPa和523 MPa。

试验中使用的GH4169为固溶态，板材厚度同为7 mm，化学成分见表2。GH4169的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为1 275 MPa，1 030 MPa和12%。

试验中选用的焊材为HGH830焊丝，直径有两种，分别为 1．2 mm 和 1．6 mm，其主要成分为 Ni，Ti，Mn，Si等，化学成分见表3。

表1 电铸镍的化学成分(质量分数，%)

表2 GH4169的化学成分(质量分数，%)

表3 HGH830的化学成分(质量分数，%)

1．2 试验方法

焊接过程采用普通的手工氩弧焊，焊接设备为Miller350焊机。焊前对GH4169以及焊丝均进行酸洗处理，而对电铸镍采用酒精或汽油清洗。对GH4169与电铸镍均开V形坡口，钝边为0．5 mm，如图1所示。鉴于板厚为7 mm，无法一次填充完毕，手工氩弧焊为多层焊接，焊接电流为110～130 A。

图1 试样坡口形式和尺寸

2 试验结果

2．1宏观检查

首先，对试验后的焊接接头进行外观检查，结果显示，接头表面无气孔、裂纹、焊瘤和未焊透等外观缺陷，符合QJ1842—95Ⅰ级焊缝要求。

随后，对焊接接头按QJ1842—95Ⅰ级标准进行X射线检查，结果显示焊缝内部无裂纹、超标气孔、未熔合等内部缺陷，符合Ⅰ级焊缝内部质量要求。

2．2 力学性能测试

将焊后的试件进行室温下的拉伸性能试验，两种电铸镍状态下分别进行3组试验。

首先，对断裂试样进行宏观断口形貌观察，结果如图2所示，可以发现试件断裂位置都在电铸镍一侧的热影响区，并且均有明显的变形缩颈，除拉断位置外未发现裂纹或其他焊接缺陷。

图2 拉断试样形貌

电铸镍与GH4169焊接接头的拉伸性能，见表4，退火态与未退火态电铸镍焊接接头的平均抗拉强度分别为335 MPa和400 MPa。对比焊接前电铸镍的力学性能可知，其强度已经明显低于电铸镍原始状态的性能。经过焊接后所有断裂发生在电铸镍上，这说明焊接过程中由于热输入的原因，导致电铸镍本体力学性能恶化。

表4 电铸镍与GH4169焊接接头的拉伸性能

2．3 微观组织

图3a为GH4169与电铸镍焊缝试件剖切后各区域的微观组织，可见熔合区组织正常、无缺陷;如图3b所示，热影响区内并未发现裂纹。进一步对焊缝电铸镍一侧进行组织观察发现，远离焊缝区域的母材晶粒细小，并存在少量长条晶粒，晶粒度约为10级，如图3c所示;而受焊接热输入的影响，热影响区晶粒发生明显长大现象，晶粒度达到3～5级，如图3d所示。