15CrMnMoVA钢与30CrMnSiA钢氩弧焊及焊后热处理工艺研究

2021-07-20戴浩王宝龙李智勇王燕

金属加工(热加工) 2021年7期

戴浩，王宝龙，李智勇，王燕

江西昌河航空工业有限公司江西景德镇 333002

1 序言

15CrMnMoVA是一种具有较低合金含量和良好焊接性能的低碳贝氏体高强钢，经调质处理后可以获得高强度、良好的韧性和塑性以及良好的焊接性能，主要用在直升机主减撑杆、发动机支架等重要部件[1]。30CrMnSiA属中碳调质钢，强度高，焊接性能较差，30CrMnSiA钢调质后有很高的强度和足够的韧性以及淬透性，常用于汽车、飞机各种特殊耐磨零配件等。部分航空焊接零件由于特殊的使用要求，结构设计时选用15CrMnMoVA与30CrMnSiA两种材料，并且需要通过焊接方法制造成形。但是这两种材料焊接主要存在以下两点问题：①焊接工艺规范中两种材料焊接使用的焊丝不同，15CrMnMoVA钢焊接应选择15CrMnMoVA焊丝，30CrMnSiA钢焊接应选择H18CrMoA焊丝。②热处理工艺规范中，为使两种材料满足Rm=（1180±100）MPa强度要求所采用的热处理工艺制度不同。通过开展钨极氩弧焊工艺试验，分析添加15CrMnMoVA钢和30CrMnSiA钢焊接时所用焊丝对焊接接头强度的影响，以及不同热处理温度对焊接接头强度的影响，确定这两种材料焊接合适的焊丝种类和热处理工艺制度。

2 材料焊接及热处理工艺性分析

15CrMnMoVA属于珠光体耐热钢，焊接中存在的主要问题是冷裂纹、热影响区的硬化、软化，以及焊后热处理或高温长期使用中的消除应力裂纹（SR裂纹）。如果焊接材料选择不当，焊缝中还有可能出现热裂纹[2]，15CrMnMoVA钢化学成分见表1，连续转变曲线如图1所示。

表1 15CrMnMoVA钢化学成分（质量分数）（%）

图1 15CrMnMoVA钢连续转变曲线[3]

30CrMnSiA属于中碳调质钢，含碳量高、合金元素多，在快速冷却时，从奥氏体转变为马氏体的起始温度Ms点较低，焊后热处理区产生硬度很高的马氏体，容易造成脆化，对氢致冷裂纹的敏感性很大。此外，焊接熔池凝固时，固液相温度区间大，结晶偏析倾向大。因此，焊接时具有较大的热裂纹倾向，需要采用低碳、低硫和磷的焊接材料[4]，30CrMnSiA钢化学成分见表2，连续转变曲线如图2所示。

图2 30CrMnSiA钢连续转变曲线[5]

表2 30CrMnSiA钢化学成分（质量分数）（%）

3 试验方法

试验采用手工钨极氩弧焊，试件材料为30CrMnSiA钢与15CrMnMoVA钢，规格为300mm×100mm×1.5mm，材料焊前热处理状态为冷轧+退火态。分别选用H18CrMoA、15CrMnMoVA两种焊丝进行焊接，H18CrMoA、15CrMnMoVA焊丝室温抗拉强度分别为630MPa、860MPa[6]，焊丝化学成分见表3、表4。焊接电流为60～70A，电弧电压为8～13V，氩气流量8～12L/min。试验件焊接完成后，分别采用30CrMnSiA钢、15CrMnMoVA钢淬火和回火温度进行调质处理。其中，30CrMnSiA钢淬火温度为880～900℃，油淬，回火温度为500～570℃，水冷；15CrMnMoVA钢淬火温度为975℃，油淬，回火温度为650～680℃，空冷。同时还选用H18CrMoA焊丝完成冷轧+退火态的30CrMnSiA钢同种材料焊接，按30CrMnSiA钢热处理工艺制度进行焊后调质处理；选用15CrMnMoVA焊丝完成冷轧+退火态的15CrMnMoVA钢同种材料焊接，按15CrMnMoVA钢热处理工艺制度进行焊后调质处理。按HB 5135—2000一级焊缝质量要求经过X射线检测合格后截取这六类焊接试件焊缝试样，按GB/T 228.1—2010要求进行拉伸检测，以及母材硬度检测、焊接接头金相检测。

表3 H18CrMoA焊丝化学成分（质量分数）（%）

表4 15CrMnMoVA焊丝化学成分（质量分数）（%）

4 结果分析与讨论

4.1 力学性能

试件焊接接头试样拉伸性能、硬度检测、断裂位置结果见表5，试验结果表明，30CrMnSiA钢与15CrMnMoVA钢异种材料焊接时，无论是添加H18CrMoA焊丝还是15CrMnMoVA焊丝，当采用15CrMnMoVA钢热处理温度进行焊后调质处理的试件时，30CrMnSiA钢母材侧硬度与焊接接头抗拉强度均低于1180MPa，相差约180MPa。这可能是，一方面，当采用更高的淬火温度时，由于30CrMnSiA钢的连续转变曲线形状与15CrMnMoVA钢不同，在975℃转变后奥氏体转变量不充分；另一方面，当采用更低的回火温度，30CrMnSiA钢产生魏氏组织，均导致30CrMnSiA钢母材及近母材侧焊缝力学性能下降[7]。

表5 焊接接头试样力学性能测试结果

30CrMnSiA钢与15CrMnMoVA钢异种材料焊接时，当添加H18CrMoA焊丝时，使用30CrMnSiA钢的热处理工艺焊后调质处理后的焊接接头性能较佳，达1180MPa，与30CrMnSiA钢、15CrMnMoVA钢同种材料焊接后经相应热处理温度调质处理后的焊接接头基本相同；当添加15CrMnMoVA焊丝时，使用30CrMnSiA钢的热处理工艺焊后调质处理后的焊接接头性能较佳，达1180MPa，与30CrMnSiA钢、15CrMnMoVA钢同种材料焊接后经相应热处理温度调质处理后的焊接接头基本接近。总体表明，这两种材料焊接时，使用稍低的淬火温度、稍高的回火温度，可以获得综合力学性能更优的接头，与调质处理后的基体材料力学性能相当。

4.2 金相组织

30CrMnSiA钢与15CrMnMoVA钢异种材料焊接接头的金相组织如图3～图6所示，在图3和图5中，焊接试件使用热处理淬火温度为880～900℃，回火温度为500～570℃，15CrMnMoVA钢母材侧和30CrMnSiA钢母材侧组织呈现索氏体组织特征，为属于铁素体和渗碳体的混合，焊缝区晶粒粗大，没有明显的结晶取向，图3和图4焊缝区的差异在于使用H18CrMoA与15CrMnMoVA焊丝焊缝区组织中铁素体和渗碳体比例不同，这是由于两种焊丝成分不同导致熔化结晶后的析出相分布差异。

图3 1号试验件金相组织

图5 3号试验件金相组织

在图4和图6中，焊接试件使用热处理淬火温度为975℃，回火温度为650～680℃，15CrMnMoVA钢母材侧和30CrMnSiA钢母材侧组织呈现粒状贝氏体组织特征，晶粒沿奥氏体晶界析出，在铁素体间分布有渗碳体。图4的焊缝区组织无异常，铁素体与渗碳体交叉，但是图6的焊缝区出现了明显的魏氏组织特征，且明显具有过烧痕迹，分析这是由于焊接热循环过程中，奥氏体晶粒重新长大，冷却时，首先沿奥氏体晶界析出粗大的针状铁素体，富集的奥氏体转变为珠光体，铁素体沿奥氏体晶界析出后，顺奥氏体晶粒内惯习面上不断长大形成的[8]，这种组织的焊接接头的力学性能很差，符合拉伸性能测试结果，仅为894MPa。