国外高硬度装甲钢焊接工艺进展

罗 晔

(武钢有限技术中心，湖北430080)

随着全球气候变暖和环境法规限制，运输车辆的轻量化也成为了开发的方向。制造企业都在试图采用重量更轻、强度更高的材料，以期实现轻量化的效果。为了提升战斗车辆的抗弹性能，目前主要采用了厚度较大的装甲材料，尽管抗弹性能优秀，但随着战斗车辆的重量增加，由于受到燃料效率、战斗区域的移动范围及兵力运输等因素的限制，其战斗能力就会明显下降。因此，为了确保抗弹性能，减小装甲钢材的厚度，业内正在开展轻量化的研究。由于价格低廉，同时兼具理想的强度和焊接性，装甲钢材料已经得到了广泛应用，主要包括高硬度装甲钢HHA(High Hardness Armor)和轧制均质装甲钢RHA(Rolled Homogeneous Armor)。高硬度装甲钢淬火后经过热处理，抗弹性能非常优秀；轧制均质装甲钢经过空冷和轧制，硬度相对较低，但抗脆断性能很高。与此同时，业界还在开发超高硬度装甲钢UHHA(Ultra High Hardness Armour)[1]。

战斗车辆是装甲钢的结构物，装甲钢的接头部位采用焊接工艺制作而成。此前，主要采用手动焊接方式制作而成，但随着自动化技术及机器人产业的发展，采用半自动及自动系统就可以快速完成。随着装甲钢材料强度的提高，焊缝区氢脆和残余应力会导致热影响区裂纹，热软化则会造成硬度下降，这些缺陷的发生，迫切需要对现有焊接工艺进行必要的改进，同时开发新工艺。

1 高硬度装甲钢的开发现状

1.1 高硬度装甲钢的制造标准

目前各国装甲钢的制造标准不尽相同，尚无国际通用标准。大部分国家主要采用了美国的装甲钢制造标准MIL-A-46100D，该军标于2008年起修订为MIL-DTL-46100E，该标准要求装甲钢具有很高的硬度水平；另一制造标准是MIL-A-12560，要求轧制均质装甲钢的硬度低于高硬度装甲钢，但可以避免脆性裂纹的材料破损，同时通过提升韧性和延性而改善焊接性，2009年起，该标准名称由美国陆军研究所正式修订为MIL-DTL-12560J，同时，引进了改进的轧制均匀装甲钢IRHA(Improved Rolled Homogeneous Armor)。在改进的轧制均匀装甲钢开发之前，美国主要采用了厚度不足1.5英寸(38.1 mm)的Mn-Mo-B合金和Ni-Cr-Mo合金[2]。

1.2 高硬度装甲钢的焊接性

如图1所示，高硬度装甲钢可以分为焊缝区、母材和热影响区HAZ(Heat Affected Zone)，热影响区又可以分为再硬化热影响区RH-HAZ(Rehardened Heat Affect Zone)、回火热影响区T-HAZ(Tempered Heat Affect Zone)等区域。这些区域根据硬度的不同，再硬化后硬度变高的范围命名为RH-HAZ，热软化后硬度降低的范围命名为T-HAZ。图2显示了高硬度装甲钢焊缝区的硬度分布，特别是热影响区的力学强度下降，很容易发生热软化及氢脆裂纹。这类现象的影响因素包括：高硬度和高强度钢的特殊金属组织，焊接热源产生的残余应力程度及向熔融金属内扩散的氢。

图1 高硬度装甲钢的焊缝区域Figure 1 Weld area of high hardness armor steel

图2 高硬度装甲钢的硬度分布
Figure 2 Hardness distribution of high hardness armor steel

表1 生产高硬度装甲钢的全球先进企业产品情况Table 1 Products situations in global advanced enterprise for high hardness armor steel

图3 Y型坡口试样的裂纹类型Figure 3 Type of cracks in Y-type groove specimens

1.3 高硬度装甲钢的应用及制造企业

目前，瑞典、澳大利亚、美国和德国等国家都在开发和生产高硬度装甲钢，大部分是根据美国MIL标准进行制造，主要生产和供应硬度500HBW级的高硬度装甲钢，也有少部分可以生产600HBW级的超高硬度装甲钢。表1总结了高硬度装甲钢的生产国、制造企业以及种类。

2 高硬度装甲钢焊接工艺

2.1 电弧焊

1996年，学者Alkemade采用GMAW方法，并对预热温度和热输入量条件进行改变，研究了三种焊接材料的硬度，并确认其是否发生了裂纹[3]。焊接材料采用了铁素体及奥氏体不锈钢，以及Duplex奥氏体/铁素体不锈钢。焊接材料的抗拉强度小于母材。试样采用了509～568HV级的高硬度装甲钢，制作出斜Y型坡口试样，研究预热温度0～150℃，热输入量0.5 kJ/mm～1.4 kJ/mm时，是否发生裂纹。只有在热输入量1.0 kJ/mm～1.4 kJ/mm，预热温度50～75℃时，没有出现裂纹。在焊缝区中心部位出现裂纹时，从焊缝区根部开始，沿着焊缝区边界向焊缝区焊趾扩展。根据试验结果，可以确认三种焊接材料试样中，在热软化作用下硬度显著下降的部分。采用奥氏体不锈钢材料的焊缝区中，可以确认其硬度最低。图3显示了焊缝区中心部位和沿着焊缝区边界线产生的裂纹。

2008年Magudeeswaran等学者采用了遮护金属棒电弧焊SMAW(Shield Metal Arc Welding)和药芯焊丝电弧焊FCAW(Flux Cored Arc Welding)等方法，同时运用了奥氏体不锈钢焊接材料和低氢铁素体焊接材料，确认了高硬度装甲钢中的氢扩散程度、抗拉强度、韧性及疲劳强度，并对高硬度装甲钢焊缝区的焊接性进行检查[4]。氢扩散试验结果显示，与低氢铁素体焊接材料相比，奥氏体不锈钢焊接材料在焊缝区的氢饱和程度更低，而且与SMAW相比，FCAW对氢扩散的抵抗能力更高一些。抗拉强度及冲击试验结果显示，采用低氢铁素体焊接材料，焊缝区的抗拉强度较高，拉伸性能优秀，这是因为存在铁素体，同时粗晶HAZ(CGHAZ)的软化程度较低。在冲击性能方面，由于镍含量较高，同时含有大量的奥氏体相，使用奥氏体不锈钢焊接材料的焊缝区性能更好。与FCAW相比，SMAW的抗拉强度和冲击性能更高；在疲劳性能方面，低氢铁素体焊接材料的耐疲劳性更高，与FCAW相比，SMAW的疲劳寿命更长。

与采用SMAW的试样相比，采用FCAW工艺的金相组织中形成了粗大的δ铁素体。采用低氢铁素体焊接材料时，生成了针状铁素体和多边形铁素体的金相组织。整体而言，与FCAW相比，运用SMAW工艺的试样的金相组织尺寸更为细微，力学性能更好。

2.2 激光焊接

激光焊接可以实现较窄的HAZ部位和较深的焊透层，从而形成质量较高的焊缝区，因而用于高硬度轻量化材料的焊接。与电弧焊相比，有关装甲钢激光焊接的研究并不多。1998年Basset等人采用激光焊接技术，确认两种高硬度装甲钢是否可以进行对接焊，利用10 kW CO2激光，根据焊接条件和焊接材料的不同，对焊接性进行评价[5]。分别选定了一种铁素体实芯焊丝、两种铁素体药芯焊丝、两种奥氏体药芯焊丝、两种奥氏体金属芯焊丝等作为焊接材料，在不同的激光功率、焊接速度、焊接材料直径和焊接材料供应速度下，评价冲击性能和抗弹性能。

图4 不同焊接材料形成的焊缝
Figure 4 Welds formed by different welding materials

图5 激光电弧混合焊接工艺及焊缝
Figure 5 Laser arc hybrid welding technology and welds

图4显示的是不同焊接材料生成的焊缝，肉眼检查可以确认，采用药芯焊丝的焊缝区在焊缝表面和内部出现了裂纹缺陷。抗弹试验采用了0.3英寸(7.6 mm)的APM2子弹，弹道极限速度目标值V50，对焊缝区、HAZ和母材区域的抗弹性能进行确认。整体试样中并未发生贯穿，仅仅留下了弹痕。而且采用自熔焊缝区和实芯焊丝时，确认焊缝区具有最高的V50值。

2.3 摩擦搅拌焊接

摩擦搅拌焊接工艺是将高速旋转的非消耗性工具插入到被接合的材料中，利用工具与被接合材料之间的摩擦生热，从而进行接合的方法。1991年由英国焊接研究所(The Welding Institute)开发。摩擦搅拌焊接工艺中没有发生熔化和凝固的过程，作为一种固相焊接工艺，不仅焊缝区的力学性能优秀，而且可以获得完整的焊缝区，焊接金属材料可以显示出优秀的焊接性能[6]。

2016年El-batahgy等人研究摩擦搅拌焊接是否可用于541HV级装甲钢，在工具旋转速度、焊接速度和外加压力等不同参数下分析了力学性能和金相组织。在A1临界点温度723℃，焊接速度600 mm/min，工具旋转速度600 r/min，采用碳化钨工具时，可以得到较高的完整性和完全的焊透层。搅拌区域最高的平均硬度为575HV，HAZ部位最低的平均硬度为325HV。HAZ部位形成了过热的粗大马氏体组织，搅拌区域在塑性变形和较高的冷却速率下出现了细微的马氏体组织。从抗拉强度来看，母材的硬度为541HV，焊缝区硬度为575HV，但拉伸试验结果显示，焊缝区仅为母材的75%，HAZ冲击试验结果显示，母材和焊缝区的冲击性能相似[7]。

2.4 激光电弧混合焊接

激光电弧混合焊接是同时采用激光热源和电弧热源，从而形成焊缝区的焊接方法，可以兼具激光焊接和电弧焊接的优点。首先采用能量密度较高的激光热源，形成锁孔之后，再采用电弧热源将焊丝熔化，从而填满锁孔。这种激光电弧混合焊接可以最大化地减少装甲钢焊缝区产生的缺陷。图5显示了激光电弧混合焊接的焊缝区和工艺简图[8]。

Atabaki等人利用激光电弧混合焊接工艺，对焊接速度、GMAW焊接炬和激光间距等进行了优化。分别对对接接头和角接接头进行优化，对接接头的焊接速度为35 mm/s，GMAW焊接炬和激光间距3 mm时，可以得到最高的焊缝完整性。而且为了减小电弧电压，减少了咬边(Undercut)。角接接头中采用了较高的焊接速度，产生了大量的气孔，将焊接速度降至10 mm/s，气孔显著减少。与对接接头相同，角接接头的GMAW焊接炬和激光间距3 mm时，可以得到最佳的焊缝完整性[9]。Sowards等人采用激光电弧混合焊接时，从变形积累的角度对热软化HAZ部位的断裂机理进行了说明，并通过中子布拉格边缘成像方法确认热软化HAZ部位的变形积累[10]。

2.5 其他焊接工艺

高硬度装甲钢在焊接时产生的HAZ缺陷在车辆轻量化的高强钢焊缝区也会出现。为了减少这些缺陷，需要进行充分的预热，同时尽可能减小HAZ的尺寸，主要采用了低热输入量或者混合焊接工艺技术[11-13]。

首先就是冷金属过渡方法CMT(Cold Metal Transfer)，可以称其为低热输入的电弧焊接工艺，可以最大程度减少HAZ缺陷。CMT工艺是为了在现有的电弧焊接工艺中控制热输入量，采用了脉冲电流，通过对焊丝进行机械控制，从而将热输入量降至最小的焊接方法[14]。机械控制方法是感知到熔化的焊丝脱落时，利用焊丝的后退，从而将热输入量和飞溅降至最小。在脱落状态下，要想完全控制热输入量并非易事，采用机械方法则可以很好地限制电力输入，从而控制热输入量，提升接合部位的力学性能，而且可以将HAZ减至最小。而且再次出现电弧时，可以将飞溅减至最少。其二则是感应电弧混合焊接方法。同时采用了感应加热和电弧焊接，感应加热采用了单一的设备结构，初期投资费用低，便于携带，在安装和焊接场地上不受限制，而且通过合适的控制手段，就可以在焊缝区表面上限制加热部位，从而将HAZ最小化，由于不受到焊接姿势的影响，可以采用机器人进行自动化焊接。借助感应加热，进行预热操作的同时，可以节省高硬度装甲钢的焊接工艺费用，而且通过余热可以将残余应力降至最小，有望释放出氢[15]。

3 结语

综上所述，高硬度装甲钢的焊缝区硬度越高，力学性能和抗弹性能也越优秀。为了提升装甲钢的抗弹性，有必要对低热输入焊接工艺进行研究，从而防止焊缝区的硬度软化。为此，应该对不同的热源进行探讨，并评价焊接性能。另外，对于CMT焊接、混合焊接、摩擦搅拌焊接等工艺在高硬度装甲钢上的应用还需进行更为深入的研究。