K4169高温合金机匣的精密脉冲弧焊修复技术

周冠男 曲 伸 李 英 宋文清 杨 烁 李晓光

K4169高温合金机匣的精密脉冲弧焊修复技术

周冠男 曲 伸 李 英 宋文清 杨 烁 李晓光

(中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司技术中心，沈阳110043)

精密脉冲弧焊技术具有适应性强、灵活简便、可精确控制热输入等优势，采用该工艺对3 mm厚K4169板材进行焊接试验。结果表明，焊缝组织呈细枝晶形态，并析出细小均匀的沉淀强化相，X射线检测结果表明焊缝内无缺陷形成，接头中焊缝处硬度较母材低，接头室温拉伸性能、高温抗拉强度均与母材相当。采用该工艺对机匣零件裂纹缺陷进行了修复试验，检测结果表明修复质量满足使用要求，即精密脉冲弧焊技术可以应用于机匣零件的裂纹修复。

精密脉冲弧焊 修复技术 高温合金

0 序 言

精密脉冲弧焊(Precision Pulse Arc Welding，PPAW)是一种再制造新技术，受到制造业广泛的重视。作为一种以优质、高效、节能、节材、环保为准则的先进修复技术［1－4］，现已初步应用在民用制造业，如柴油发动机缸体发动机、通用机床等设备［5］。精密脉冲弧焊在修复零部件磨损、划痕以及磕碰损伤方面有着显著的优势，具有经济、方便、热输入量小等优点。

航空发动机在服役中，受到恶劣工作环境和复杂受力状况的影响，各部位零件均出现缺损的情况，导致其无法满足使用要求，为增加使用寿命，避免更换新机，需要一种稳定可靠的修理技术。目前常用的三种修复工艺有:①传统惰性气体气保护焊工艺，如TIG焊，MIG焊等，该种工艺操作简单，但热输入量大，修复后零件变形严重;②热喷涂工艺［6］，虽然其修复精度较高，但修复厚度有局限性;③激光熔敷工艺［7］，工艺高效、精度高，甚至可增材制造任意复杂结构零件，但其设备和修复成本过高，修复后性能无法满足航空发动机服役的苛刻要求。因此，需要一种简便、修复效果好、成本低廉、修复后变形小的修复技术，而精密脉冲焊技术就满足上述要求。

目前，精密脉冲弧焊尚未在航空发动机领域中应用，高温合金的精密脉冲弧焊研究也鲜有报道。文中针对高温合金机匣类零件的裂纹故障及修理进行深入研究，开展高温合金精密脉冲弧焊工艺试验及修复后质量评定工作。

1 精密脉冲弧焊工艺

PPAW与脉冲钨极惰性气体保护焊原理相同，即在保护气氛下，钨极和待修复工件间在极短时间内产生高能电弧，使补焊材料和待焊工件瞬时熔化，达到冶金结合;但PPAW在脉冲持续时间上更加精确的控制，可以保证极低的脉冲持续时间(t≤0．05 s)。

针对K4169高温合金机匣裂纹故障情况，文中采用手工填丝的PPAW工艺，焊道布置如图1所示，工艺过程为:使用低占空比(D≤0．5%)的PPAW，完成待补焊部位(已去除缺陷)的分层堆焊，并按照图1中的填充顺序进行焊接，最终填补整个缺损部位。该工艺具有如下优势:①工艺适应性高，各种形貌缺陷均可修复;②操作灵活简便，焊枪可达即可修复;③严格控制层间温度，避免焊接热量积累，极大的减少焊接内应力和修复后变形量，达到精密修复的目的。

图1 精密脉冲弧焊焊道布置示意图

2 试验方法

为验证精密脉冲弧焊的工艺适应性，采用3 mm厚K4169试板进行工艺试验。试验中所用的母材为K4169铸造毛坯，经测定其化学成分见表1，经切割和磨加工后制造为板条形试片，规格为110 mm×40 mm×3 mm，供应状态为均匀化处理+固溶处理+时效处理。

表1 K4169高温合金化学成分(质量分数，%)

试验中所使用焊丝为HGH4169(φ1 mm)，其成分与K4169基本相同，并选用纯度≥99．999%的高纯氩气作为保护气体，精密脉冲弧焊焊机型号为LOXOHRWS－3250。接头为V形坡口对接接头，如图2所示。由于在实际修复过程中需要用机械方法去除裂纹缺陷，而所用工具(砂轮片或硬质合金旋转锉)的开槽宽度约为1 mm，为模拟实际情况，需在接头根部留有1 mm间隙。焊接试验前仔细清理待焊表面的氧化物和油污，防止污染焊缝。

图2 精密脉冲弧焊接头设计

经前期大量工艺参数优化试验，结果表明工艺参数对组织、性能的影响较小，因此文中不详细叙述工艺参数优化试验过程，仅列出后续零件修理所使用的工艺参数，如表2所示。在该参数下获得的焊接接头外观成形质量如图3所示，焊缝表面整体呈现光亮“鱼鳞”形貌，焊缝宽度较为均匀。

按图3中虚线所示位置，在试板上切取微观组织观察样品，样品尺寸为12 mm×12 mm×3 mm，观察方向为焊缝横截面，采用机械研磨和抛光的方法制备金相样品，采用腐蚀液成分为HCl(20 mL)+CuSO4(5 g)+H2O(100 mL)，腐蚀时间为7～15 s。采用 X射线探伤机对试板进行X射线检测，检测焊缝内缺陷。依据国标 GB/T 2651《焊接接头拉伸试验方法》、GB/T 4338《金属材料高温拉伸试验方法》将制成的标准试样进行室温和650℃高温拉伸性能测试，每个条件测试2个试样，为了对比分析，测试了相同条件下母材的拉伸性能。拉伸试验采用岛津AG－25KNE型电子拉伸试验机。

表2 精密脉冲弧焊工艺参数

图3 精密脉冲弧焊接头形貌

采用LEICA光学显微镜和JSM－6301F扫描电子显微镜进行微观组织和断口观察。采用LECO显微硬度仪进行接头硬度测试，施加载荷为1 kg。

3 试验结果与分析

3．1 显微组织形貌

PPAW接头微观组织形貌如图4所示，其组织与熔焊接头组织基本相同，焊缝与母材形成了较理想的冶金结合，二者界面处的熔合线清晰可见，并未观察到裂纹、孔洞等缺陷。通过对比发现，焊缝组织呈枝晶生长，且与母材相比枝晶明显细化，这是由于PPAW的特殊工艺过程所致，即填充金属的非连续瞬时熔滴过渡［8］，较高的冷却速率导致凝固组织的一次枝晶显著细化。

在极短时间内，焊丝端部受高能电弧加热后形成熔滴，并在强烈的电弧冲击力以及自身重力和保护气体流的共同作用下，脱离焊丝主体沿电弧空间向补焊基体快速转移并与基体结合，期间由于电弧作用于基体的时间相对较短、输入热量较少，基体表面仅处于微熔状态，因此母材受到熔融态填充金属的快速冷却作用，其熔合区近熔合线区域形成了外延生长的细小枝晶组织，如图4b所示。焊缝区域内形成了方向性较明显的枝晶组织，并沿温度梯度方向生长，而热影响区组织由于热输入量相对较少，因此枝晶组织无明显变化。上述组织形成过程仅为单脉冲工艺的作用，而PPAW工艺为多次单脉冲过程的循环，并在每次循环过程中存在较长时间间隔，使组织温度迅速降低，因此前次循环中的焊缝组织成为下次循环中的母材组织，原焊缝组织在新的热循环过程中，在新熔合区附近生成了具有方向性的树枝状结晶组织，这种组织有序堆叠的行为，使整个接头焊缝组织未能均匀一致。

图4 精密脉冲修复焊接头局部

K4169是典型沉淀强化型高温合金，强化相的形貌对于合金的性能非常重要。对接头不同位置的强化相形貌观察可见，焊缝内沉淀相的形貌特征与母材位置强化相的形貌特征基本一致(图5)。

图5 接头不同位置处沉淀强化型形貌

3．2 X射线检测

图6 精密脉冲焊试样的X射线照片

对于PPAW工艺，通过对焊接接头进行X射线检测，检测结果如图6所示，4片试样均无裂纹、气孔等缺陷。分析认为PPAW工艺过程中对热输入的精确控制，有效降低了裂纹敏感性，同时对气孔的产生同样具有抑制效果。

3．3 力学性能对比

接头各位置显微硬度分布结果如图7所示。可见，接头各部位硬度差别较大，焊缝区硬度偏低，平均硬度为236．3 HV;热影响区硬度最低，平均硬度为219．5 HV;熔合线处硬度平均值为220．9 HV，而从热影响区到母材硬度值逐渐升高。

图7 接头各位置室温显微硬度分布

PPAW试样的室温拉伸、高温拉伸测试结果见表3，母材的拉伸测试结果见表4。可以看出PPAW试样的室温拉伸性能可以达到母材强度的85%，其断后伸长率略优于母材，试样断裂位置均位于焊缝边缘的热影响区，这是因为即使精密脉冲修复焊的热输入量较小，但不可避免的析出了少量MC和M23C6

［9］，引起了热影响区组织的脆性;另一方面，受PPAW热过程的影响，热影响区内的强化相γ'或γ″等可能会发生一定的溶解，从而降低了该位置的沉淀强化效果，从室温硬度测试结果也可以看出，焊接态样品室温时其热影响区的硬度较低，表明该位置室温强度较低。650℃温度下的PPAW试样的拉伸性能与母材相当，试样断裂位置均断于母材。这可以表明在室温及650℃温度下的焊缝强度可以与母材强度相当。

断口观察表明(图8)，拉伸后样品均呈塑性断裂形貌，断口表面出现较明显的塑性变形撕裂棱和韧窝，说明样品断裂前发生了较显著塑性变形。

综上所述，精密脉冲修复焊作为一种修复工艺，在修复后接头性能方面，可以满足使用要求。

表3 精密脉冲弧焊的力学性能

表4 K4169高温合金的性能

图8 拉伸断口形貌

4 结 论

(1)精密脉冲弧焊K4169合金接头内微观组织均匀，焊缝内呈细枝晶形貌，并析出细小均匀的沉淀强化相。

(2)精密脉冲弧焊接头中，焊缝的室温硬度较母材低;接头室温拉伸强度可以达到母材强度的85%，650℃的高温拉伸强度与母材相当，拉伸断口呈塑性断裂特征。

(3)精密脉冲弧焊工艺作为一种低脉冲持续时间(t≤0．05 s)和低占空比(D≤0．5%)的修复工艺可以用于K4169高温合金的修复。

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TG444

2017－01－06

周冠男，1987年出生，硕士研究生，工程师。主要从事焊接工艺研究，已发表论文4篇。