30CrMnSi 钢CO2 焊接冶金缺陷形成机制研究

吴鸿燕，张鑫，陈炯，陈玉华，许明方，杨琦

（1.九江职业技术学院，江西 九江 332007；2.常州工程职业技术学院 智能制造学院，江苏 常州 213164；3.南昌航空大学 航空制造工程学院，南昌 330063）

30CrMnSi 钢是一种高强度合金钢，经调质处理后，其组织主要由回火马氏体组成[1-4]，其铁素体呈现为细针状，碳化物以颗粒状的形式分布于铁素体基体中。该合金钢具有较高的强度和韧性[5-7]，被广泛应用于航空航天、船舶、机械工程、石油和天然气等制造领域[8-9]。30CrMnSi 钢的焊接性较差，通常在焊接过程中会产生一些问题，包括焊接热裂纹、冷裂纹和气孔等[10-15]，特别是焊接冷裂纹。由于焊接材料中碳含量较高，焊后形成的硬脆高碳马氏体组织导致其对裂纹非常敏感[16-20]。滕彬等[21]认为焊接冷裂纹的形成主要受母材成分和厚度、淬硬组织、拘束程度以及扩散氢含量等因素的影响。因此，在焊接工艺中常采取一系列措施，如充分预热材料、缓慢冷却和立即进行回火，严格控制装配要求，降低焊接线能量及确保原材料质量，以预防焊接裂纹的产生[22-23]。

为了保证某型飞机后边条焊接盒段尺寸精度，在刚性拘束条件下采用30CrMnSi 钢进行焊接。然而在随后的检查中发现焊接冷裂纹等缺陷的发生率较高，导致结构件返工率上升，严重影响了制造周期。本文通过分析某型飞机后边条焊接盒段制造过程中30CrMnSi 钢CO2焊接裂纹类型及形态，确定焊接裂纹形成机制，同时对焊缝中的气孔进行分析，以期为实际控制裂纹和气孔缺陷提供理论依据。

1 试验

为了模拟工程中实际焊接构件所承受的高拘束力，采用刚性拘束焊接裂纹试验来模拟实际焊接过程中后边条盒段母材所受的拘束。焊接试板规格为1.8 mm×75 mm×300 mm。依据“对接接头刚性拘束焊接裂纹试验方法”（GB/T 13817‒92）进行焊接试验，刚性拘束对接裂纹试验示意图如图1 所示。

将拘束焊缝在室温下放置24 h 后再进行试验焊缝的焊接。将试验焊缝焊接后放置24 h，铣掉拘束焊缝，对试验焊缝进行磁粉探伤和X 射线探伤，确定焊缝缺陷的位置后采用线切割方法切割缺陷部位并制成金相试样。试样打磨抛光后使用配制的醋酸酒精溶液进行腐蚀，随后通过MR5000 倒置金相显微镜观察裂纹、气孔等缺陷的形貌及其周围的微观组织。采用Nova Nano SEM450 型带能谱的场发射扫描电镜观察裂纹、气孔等缺陷，并测试缺陷附近区域的元素含量。

2 结果与讨论

刚性拘束焊接裂纹试验条件下的X 射线检测结果表明，焊缝中出现了连续裂纹，对裂纹缺陷位置横截面进行分析。试样横截面的宏观形貌如图2 所示，焊缝底部（图2 中a 区）和焊缝表面中心区域（图2中b 区）均存在明显的结晶裂纹。以下分别对a 区和b 区的裂纹形成机制进行分析。

2.1 a 区结晶裂纹的形态及其形成机制

采用50 倍和100 倍金相显微镜对图2 中a 区进行金相观察，结果如图3 所示。结果表明，裂纹形态较为粗大，单个裂纹的连续长度达到600 μm 左右，裂纹的宽度接近30 μm。

图3 图2 中a 区裂纹的局部放大Fig.3 Local magnification of cracks in region a in Fig.2

采用扫描电镜对裂纹进行观察，以进一步分析裂纹的形貌及裂纹形成机理，结果如图4 所示。可以看出，裂纹两侧边缘存在一些明显的金属颗粒，这是因为在凝固结晶过程中，焊缝产生的裂纹被拉裂，形成裂缝后，部分低熔点金属在裂纹两侧壁上凝固、结晶。观察放大图可以看到，裂纹附近还存在一些较为细小的微裂纹。

图4 图2 中a 区裂纹的扫描电镜观察Fig.4 SEM observation of the cracks in region a in Fig.2

对图4 中裂纹的尖端部位进行深入分析，结果如图5 所示。裂纹尖端部位比较细小，并且具有明显的沿晶开裂特征，低熔点金属在裂纹两侧壁上凝固、结晶所形成的金属颗粒较少（见图5a）。从图5b 可以看出，裂纹止裂部位的组织形貌和裂纹产生区域的组织形貌不同，有明显的金属凝固结晶现象（见图5b中方框标记区）。这是因为此处为晶界，存在低熔点金属，在晶粒已经凝固结晶后此处才开始凝固，其化学成分和晶粒内部的不同，因此，其微观组织形态有所变化，并且呈现后结晶的形态。对裂纹尖端止裂部位、裂纹边缘和母材的元素含量进行分析，发现裂纹尖端止裂部位的Si 含量相对母材有所增加。

结合上述裂纹形态和元素含量进行综合分析，认为焊缝底部中心区域结晶裂纹的形成机理如下：在焊缝金属从自熔化状态向固态转变的冷却过程中，由于低熔共晶元素Si 在枝晶之间偏聚，形成了晶间低熔点液相层，在热收缩的作用下，液态金属不足以弥补晶间的间隙，最终形成了裂纹[14]。另外，由于焊缝底部中心区域接近焊缝的根部，应力较大，在实际焊接过程中，结晶裂纹在此处萌生。

2.2 b 区结晶裂纹的形态及其形成机制

对图2 中b 区进一步观察，结果如图6 所示。可以发现，此处的裂纹实际上是一个较大的缺口，在裂纹的周边区域还存在较多不连续、微小的裂纹，此处组织较为疏松。根据焊缝表面中心区域结晶裂纹的形态和位置并结合焊接中焊缝的凝固过程进行分析，认为其形成机制如下：焊缝的凝固结晶过程和铸造过程比较接近，焊缝两侧靠近固态母材，所以其冷却速度较快，先凝固结晶；而焊缝中心区域温度较高、冷却速度慢，最后凝固结晶。当焊缝表面中心区域开始凝固结晶时，会产生金属的收缩，但此时周围金属早已凝固，没有液态金属去填充焊缝表面中心区域因凝固收缩而形成的裂缝，加之焊接接头存在一定的应力，在拉伸力作用下，此处形成结晶裂纹。

2.3 热影响区的液化裂纹的形态和形成机制

在一些试板的检测过程中，虽然X 射线检测未发现缺陷，但在光镜下却观察到熔合线附近的热影响区存在微裂纹（25 μm），如图7 所示。

在扫描电镜下观察发现，裂纹边缘也有金属凝固结晶的痕迹，且呈沿晶开裂的特征，如图8a 所示。此外，在熔合线附近的其他区域也发现了更为细小的微裂纹（15 μm），该裂纹同样也在熔合线附近的粗晶区中，如图8b 所示。根据裂纹产生的位置和形态，可以判定其为液化裂纹，属于热裂纹的一种。其形成机制如下：在焊接热的作用下，在焊缝熔合线外侧金属内产生了沿晶界的局部熔化，以及在随后冷却收缩时引起了沿晶界的液化层开裂。产生这种裂纹是因为材料晶粒边界有较多的低熔点物质，以及由于迅速加热，某些金属化合物分解来不及扩散，导致局部晶界出现一些合金元素的富集甚至达到共晶成分。

图8 扫描电镜下观察到的熔合线附近微裂纹Fig.8 Microcracks near the fusion line observed by SEM

根据试验研究发现，30CrMnSi 钢CO2焊接还易产生冷裂纹，而且冷裂纹的开裂程度和焊接接头的拘束度有很大关系。当接头的拘束度较大时，冷裂纹可由热影响区向母材扩展，导致整个接头断裂。典型的冷裂纹如图9 所示，可见，裂纹横穿整个接头，致使整个接头裂开。

图9 焊接接头冷裂纹的宏观形貌Fig.9 Macroscopic morphology of cold crack of welded joint

冷裂纹开裂区域及其显微组织如图10 所示。从图10a 可以看出，冷裂纹起始于焊趾位置附近的粗晶区，该区域有明显的马氏体和粒状贝氏体组织（见图10b），裂纹沿着接头的横截面向下扩展，致使整个接头开裂。

对裂纹部位进一步放大并观察，发现裂纹具有典型的沿晶开裂特征，如图11a 所示。此外，在宏观裂纹的周围区域还观察到一些沿晶开裂的微裂纹（图11a 中椭圆区域）。通过分析得出以下结论：粗晶区的淬硬组织会导致性能脆化，这是因为该区域存在的扩散氢含量较高，并且氢分子在焊接缺陷处聚集，产生了巨大的局部压力[8]。此外，焊接接头的焊趾部位承受着较大的焊接拉应力。最终，这些因素共同作用形成冷裂纹。此外，在其他焊趾部位也发现了较小的冷裂纹（图11b 中椭圆区域），但由于此处靠近熔合线，焊缝金属的韧性较好，因此裂纹较小、没有扩展成宏观裂纹。结合30CrMnSi 钢熔合线附近冷裂纹的特征，分析认为：冷裂纹的根源是熔合区的液化裂纹，如图7 所示。在应力集中区域，如焊趾部位，裂纹尖端受到较大的拉应力作用，且该区域呈明显的马氏体组织特征，性能脆化，最终导致形成了冷裂纹[24]。这部分冷裂纹的断口特点表现为既有冷裂纹的脆性断裂的断口特点，又具有焊接热裂纹的典型断口特点。

2.4 焊接接头中的气孔

在试验过程中，在焊缝内部发现了气孔缺陷，气孔内壁呈蜂窝状，并且成堆出现，气孔微观形貌如图12 所示。另外，在实际截面中也有开口于焊缝表面的气孔，从该特征判断，气孔可能是氢气孔。但是，考虑到本试验采用的是CO2气保焊方法，焊丝脱氧能力不足，当焊接速度较快时，CO2气孔也有可能开口于焊缝表面。因此，综合分析，在30CrMnSi 钢CO2气保焊时，其气孔类型应该主要是CO2气孔[25]。

图12 扫描微镜下观察到的气孔形貌Fig.12 Pore morphology observed by SEM

3 结论

1）在30CrMnSi 钢CO2气体保护焊时，可能产生焊缝区的结晶裂纹、熔合区靠近粗晶区一侧的液化裂纹以及起始于粗晶区的冷裂纹。其中，产生冷裂纹的概率较高。

2）在30CrMnSi 钢CO2气保焊时，焊缝中的气孔类型主要是CO2气孔。

3）从裂纹产生的机制来看，接头中容易产生冷裂纹，而且冷裂纹源位于焊趾部位熔合线附近的粗晶区，起始裂纹为微小的液化裂纹，在应力作用下扩展，形成冷裂纹。

综上所述，为了减轻焊接热作用对裂纹敏感性的影响，需要对现行工艺进行优化，同时考虑采用能量密度比较集中的TIG 焊替代原来的CO2气体保护焊，这样也有利于减少或消除CO2气孔缺陷。此外，裂纹的产生都与应力相关，对实际构件进行结构优化，调整焊接次序，都可以降低应力集中，同时，避免在拐角处或焊接可达性差的位置施焊，可以有效降低气孔率。