超高强度钢点焊裂纹修复技术

汪朝阳

（中国空空导弹研究院， 河南 洛阳 471009）

1 项目背景

超高强度钢由于其高强度、高韧性、低加工硬化率、优良的冷变形等特性，在航空航天领域得到广泛应用。常用的超高强度钢为马氏体时效钢，它是以Fe、Ni 为基，通过马氏体相变和时效，析出微小的金属间化合物而达到强化效果，屈服强度可达到2 400 MPa以上，不失其韧性，而且具有优良的焊接性。我国已研制成功18Ni、马氏体时效钢7021 等一系列马氏体时效钢并获得应用[1]。我院某型发动机壳体是重要的受力部件，所使用材料为超高强度钢18Ni（250 级）。

该发动机壳体由翼肋和壳体圆筒等多个部件，通过多种焊接方法连接而成。其中翼肋和发动机壳体圆筒通过电阻点焊方式连接，每个翼肋上对称焊两排共36 个焊点，每台发动机壳体上有144 个焊点（如图1所示）。在实际生产中，由于材料较厚，电阻点焊过程中易产生飞溅造成材料缺失，熔核冷却极快易形成核内缩孔和裂纹。

图1 某型发动机壳体翼肋点焊示意图

点焊裂纹是焊接接头中最为严重的缺陷，裂纹易形成应力集中且使用过程中往往形成断裂源，大大削弱焊缝抗拉强度，其危害性极大[2]。发动机壳体翼肋点焊设计要求需达到QJ 1289—95《结构钢、不锈钢电阻点、缝焊技术条件》II 级焊缝要求，焊点不允许存在裂纹，焊点裂纹问题成为焊接生产中的瓶颈。标准规定点焊裂纹缺陷允许一次返修，点焊缺陷的返修存在以下困难：

1）焊点处强度更高，采用机械方法排除缺陷较难；

2）点焊裂纹形成过程较复杂，位置判定较难；

3）壳体内侧修补过程中需减小焊接影响。

目前，国内外超高强度钢点焊裂纹的返修方面的文献较少，希望找到一种较经济实用的裂纹修复方案，使其能够运用到发动机壳体的点焊生产过程中，同时为超高强度钢的点焊裂纹修复奠定基础。

2 研究过程

通过点焊试片模拟发动机壳体电阻点焊裂纹，选用电阻点焊和氩弧焊方式对电阻点焊裂纹进行修复，对修复后的试片进行力学性能和显微组织分析，验证修复方式能否满足设计要求，优选出简单可操作的焊接修复方法。点焊试片厚度为2.5 mm，所用点焊设备为英国SP150 点焊机。

2.1 电阻点焊修复

对有裂纹的焊点上进行二次电阻点焊，通过电阻点焊热量将焊点重新熔合以达到消除裂纹的目的。经过反复试验，采用比正常焊接大的电流，略长的锻压保持时间，及两次焊点重合率为95%以上时能有效修复焊点裂纹。返修了15 对试片，经过X 射线检测合格12 对，合格率为80%。

电阻点焊修复注意事项：

1）两次焊点重合程度为修复成功与否的关键因素，实际操作中，尽量使用模板定位，或技能较高的人员；

2）焊点压痕深度大于0.15 mm 的带裂纹焊点修复时，需减小点焊电流和点焊压力。

2.2 氩弧焊修复

氩弧焊修复分为两步，先用机械方法排除焊缝缺陷，再用氩弧焊修补。

2.2.1 机械排除缺陷

排除裂纹缺陷应遵循以下原则，既方便彻底地清除焊点裂纹又方便后续氩弧焊修复，且不影响壳体圆筒使用，即对壳体内腔影响要小。由于焊点硬度较高，采用传统的砂轮机打磨和对焊点进行铣削加工的方法均不可取，经过分析试验选择采用钻孔的方式去除焊点裂纹缺陷。

2.2.1.1 钻头形状的选取

由于普通钻头钻尖处焊枪不可达，补焊时易形成孔洞等缺陷，推荐选用球头钻（如图2 所示），同时由于焊点硬度较高，因此选择进口硬质合金球头钻。

图2 选用钻头规则示意图

2.2.1.2 钻头尺寸及钻孔深度选择

裂纹多发生在搭接焊缝中间即缩孔位置边沿。根据标准要求，焊点熔核直径要求大于6.5 mm，在发动机壳体点焊过程中焊点熔核直径d 一般为Φ8 mm 左右，缩孔尺寸不大于0.2 d 即Φ1.6 mm。考虑氩弧焊有一定熔深，钻头直径不应大于Φ7 mm。在本项目中，选择钻头为Φ6 即R3 的球头钻即可。

钻孔深度h 的选择应保证能彻底去除裂纹，且对壳体内腔影响最小。实际生产中根据裂纹大小选择，一般深度为3 mm±0.3 mm（注：此深度应不包括压痕深度）。

2.2.2 氩弧焊修复缺陷

在氩弧焊修复时为避免产生新缺陷，修复中需注意以下事项：

1）焊前清理：超高强度钢中氩弧焊对杂质较敏感，易造成热裂纹等缺陷[3]。因此,氩弧焊修复的焊前清理尤为重要。通常先用气枪清理钻孔的切屑，然后用丙酮擦洗，确保焊接部位无油污等影响焊接质量的污物。

2）焊丝选择：选用与母材材料相近的TORBOLOY250焊丝，直径为Φ1.2 mm，焊丝必须经过表面清理，避免污染焊缝。

3）焊接过程：由于超高强度钢结晶时奥氏体向马氏体转变的温度变化范围为100～155 ℃，故应尽可能采用小热输入焊接，不预热，层间温度不大于100 ℃。故在氩弧焊修复时，电流不宜过大，保证连续送丝控制层间温度。为降低氩弧焊修复过程中对壳体圆筒内腔的影响，须在壳体内腔垫铜板增强散热。

4）焊后打磨清理：对氩弧焊修复后高出基体的部分采用百叶轮打磨平整，注意打磨过程中不允许损伤基体。

采用以上修复方法，经X 射线检测，裂纹消除，且无其他焊接缺陷，氩弧焊修复合格。

2.3 力学性能测试

力学性能测试采用拉伸试验设备WE-100，试片分为合格点焊试片、带裂纹点焊试片、点焊修复试片、氩弧焊修复试片共4 组，每组各5 对。以上试片经过热处理时效后进行拉伸试验，测单点抗剪力，试验结果如表1 所示。

表1 试片拉伸结果

由上表可以看出，两种修复方式均能满足抗剪力大于30 kN 的设计要求，氩弧焊修复强度更高且波动较小，电阻点焊修复试片抗拉强度不稳定，分析其原因主要为：

1）两次电阻点焊压痕深浅不一，修复后差别更大；

2）两次电阻点焊都形成缩孔，两次焊点重合率对缩孔尺寸影响较大。

2.4 显微组织测试

将正常点焊、电阻点焊修复和氩弧焊修复试片进行焊缝接头晶相分析。晶相分析结果显示，氩弧焊试片焊缝中心区域、熔合线区域和热影响区域晶粒较正常点焊试片、点焊修复试片晶粒明显增加，且热影响区域扩大。采用点焊方法进行点焊修复热影响区、熔合区、焊缝中心区域晶粒均未明显增大，氩弧焊方式焊缝晶粒均有明显增大。

对三种试片热影响区HAZ 进行晶粒度评测，正常点焊试片、电阻点焊修复试片、氩弧焊试片评测结果分别为6.5 级、6.5级、4级。

另外从发动机壳体使用情况来看，壳体内腔需承受较大的内压、温度也较高，因此考核晶粒主要是从壳体内侧考核。分析壳体内焊缝晶粒无明显涨大趋势（如图3 所示）。因此，从晶相结果分析，氩弧焊和电阻点焊修复两种方法均能满足设计使用要求。

图3 壳体内侧晶粒图

3 结论

1）从以上试验可以看出，点焊修复方法和氩弧焊方法均能满足设计要求。

2）氩弧焊修复方法存在焊缝区域晶粒变大，热影响区范围扩大等问题，但是对发动机壳体内侧晶粒无影响，氩弧焊修复合格率高，无缩孔等缺陷导致氩弧焊修复后整体抗剪切强度较点焊修复方法高且稳定。

3）电阻点焊修复时焊点前后两次电阻点焊焊点重合率要求较高，焊点重合率将影响电阻点焊裂纹能否修复和单点抗剪力强度；同时对于压痕深度超过0.15 mm（max）的焊点不能采用电阻点焊修复，零件最终要求压痕深度0.2 mm（max）。

4）发动机壳体点焊裂纹修复优先选用氩弧焊方法修复点焊裂纹。该方案可适用于超高强度钢点焊裂纹的修复，修复方案较简单，质量稳定可靠。