AF1410鋼電子束焊接接頭組織及性能研究

唐代斌，李 凱，毛智勇，吳 冰

（中國航空制造技術(shù)研究院高能束流加工技術(shù)國防科技重點實驗室，北京100024）

高合金超高強度鋼AF1410是一種可用于損傷容限設(shè)計的高性能結(jié)構(gòu)用鋼，在結(jié)構(gòu)件、軸類零件、緊固件及各種應(yīng)力或應(yīng)變集中區(qū)的復(fù)雜承力件（如起落架、水平梁、著陸鉤、重要接頭、承力框架[1-3]等）上具有廣泛應(yīng)用。氬弧焊等傳統(tǒng)焊接方法存在熱輸入量大、效率低等不足，在焊接AF1410鋼等高Co-Ni合金鋼時易發(fā)生接頭合金元素偏聚、熱影響區(qū)軟化等現(xiàn)象[4]。電子束焊接具有能量密度高、熱影響區(qū)小、變形小、缺陷少、精度可調(diào)等特點，是獲得超高強度鋼高品質(zhì)接頭的有效方法之一[5-6]。

目前，關(guān)于AF1410鋼電子束焊接接頭的報道較少，主要集中在疲勞、耐蝕等性能方面[7-8]，并未涉及研究焊接工藝及室溫常規(guī)力學性能。本文采用電子束掃描焊接+修飾焊接的焊接工藝對5 mm AF1410鋼薄板進行焊接，并分析接頭顯微組織和室溫拉伸、沖擊等性能，對AF1410鋼電子束焊接方面的研究具有重要的參考價值。

1 試驗材料及方法

試驗材料為正火+高溫回火態(tài)的AF1410鍛件，試板尺寸為250mm(L)×120mm(W)×5mm(H)，詳細成分見表1。焊接設(shè)備為ZD150-15MH CV3M電子束焊機。

試板經(jīng)退磁處理后，采用鋼絲刷打磨清除表面氧化層，待丙酮擦拭試板表面后放入真空室，進行焊接工藝試驗，詳細焊接工藝參數(shù)如表2所示。

針對AF1410鋼電子束掃描焊+修飾焊焊縫，按HB-7608-1998標準進行100% X射線探傷。在滿足焊接質(zhì)量要求情況下，對上述焊接試板進行焊后熱處理：（1）正火：900℃ ±10℃ ×1h，空冷；（2）淬火：860℃ ±10℃ 1h 油淬；（3）時效：510℃ ±5℃ 5h 空冷至室溫。對熱處理前、后的接頭，制備金相試樣，并對試樣進行研磨、拋光，用含10% HNO3酒精溶液進行腐蝕，采用OLYMPUS型光學顯微鏡、ZeissSUPRA55掃描電子顯微鏡觀察顯微組織，采用HXD-1000TMC/LCD數(shù)字顯微硬度計測試接頭各區(qū)的顯微硬度。參照GB/T228.1-2010和GB/T 229-2007標準，對熱處理后的接頭進行室溫拉伸和沖擊試驗，試驗溫度分別為23℃和20℃，每組拉伸、沖擊各4個相同試樣，試驗后取平均值。

表1 AF1410鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù))%

表2 電子束掃描焊及修飾焊工藝參數(shù)

圖1 AF1410鋼接頭宏觀形貌及熱影響區(qū)顯微組織Fig.1 Macrostructures of AF1410 steel joints and microstructures in HAZ

2 結(jié)果與討論

2.1 AF1410鋼EBW接頭組織分析

AF1410鋼電子束焊接焊縫表面成形及焊縫橫截面形貌分別如圖1（a）～（c）所示。比較掃描焊、掃描焊+修飾焊接頭可知，后者在消除咬邊缺陷、改善焊縫表面成形等方面具有顯著優(yōu)勢。但修飾焊時受二次熱輸入影響，掃描焊+修飾焊焊縫沿厚度方向分為重熔區(qū)、正火區(qū)、回火區(qū)，因此后續(xù)主要針對掃描焊+修飾焊焊接接頭組織進行分析。

AF1410鋼電子束掃描焊+修飾焊焊接接頭熱影響區(qū)由淺腐蝕區(qū)和深腐蝕區(qū)組成，分別對應(yīng)完全正火區(qū)和A1～A3線（600～800℃）之間的兩相區(qū)[9]，熱處理前、后組織分別如圖1（d）、（e）所示。淺腐蝕區(qū)為板條馬氏體（M）單相區(qū)；深腐蝕區(qū)為過時效區(qū)，組織較粗大，M發(fā)生分解，形成沿晶界分布的白色逆轉(zhuǎn)奧氏體（Ar），在隨后的冷卻過程中保留至室溫，Ar易造成焊接接頭熱影響區(qū)軟化，力學性能下降。但AF1410鋼電子束焊接接頭熱影響區(qū)極窄（本試驗寬度0.9～1.4mm），遠小于高Co-Ni超高強度鋼C250 （H=5.5mm）傳統(tǒng)焊接接頭的寬度[10]，縮小了超高強度鋼焊接接頭力學性能薄弱區(qū)域存在的范圍。熱處理后，熱影響區(qū)的深、淺腐蝕區(qū)在光學顯微鏡下難以辨別，顯微組織為板條M+極少量Ar。

AF1410鋼掃描焊+修飾焊接頭焊縫區(qū)熱處理前、后組織如圖2所示。熱處理前，焊縫區(qū)均由柱狀晶組成，晶界附近為白色殘留奧氏體（A），晶內(nèi)為M。在修飾焊時，重熔區(qū)金屬受熱熔化，熔池四周溫差小，溫度梯度遠大于掃描焊，柱狀晶更易于大量形核，且無規(guī)律地交替長大，具體表現(xiàn)為心部結(jié)晶線消失，晶粒細化，柱狀晶直徑遠小于正、回火區(qū)。而晶粒尺寸越大，晶界面積越小，所以，正火區(qū)、回火區(qū)晶界面積較小，加劇了焊縫組織的不均勻性，造成晶界附近殘留A含量較多。對晶界殘留A進行EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)僅Mo、Cr元素在晶界的含量高于晶內(nèi)，晶界Cr、Mo元素的富集，也利于馬氏氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms的降低和焊縫金屬快速凝固過程中殘留A的形成。

熱處理后，焊縫區(qū)殘留A消失，為板條狀M+少量Ar，組織不均勻性明顯消除，但仍呈初始焊接態(tài)柱狀晶形貌。更多研究進一步表明AF1410等高鈷鎳鋼經(jīng)時效后存在與基體共格、尺度在納米級的強化相M2C[11-12]。

2.2 顯微硬度

圖2 AF1410鋼偏轉(zhuǎn)掃描焊+修飾焊焊縫區(qū)組織Fig.2 Microstructures of AF1410 steel oscillated EBW with cosmetic welding in weld zone

圖3 AF1410鋼掃描焊焊接接頭顯微硬度分布Fig.3 Microhardness of oscillated EBW welding joint of AF1410 steel

AF1410鋼電子束掃描焊接頭(Ⅰ)、掃描焊+修飾焊接頭 (Ⅱ )在 1.2mm(重熔區(qū) )、2.5mm(正火區(qū) )、4mm(回火區(qū) )熔深處顯微硬度分別如圖3（a）、（b）、（c）所示。

熱處理前，兩種AF140鋼工藝接頭顯微硬度具有相同變化趨勢，即均從母材區(qū)約325HV水平開始迅速增至淺腐蝕區(qū)的峰值硬度，再緩慢過渡到焊縫區(qū)硬度水平。但兩種接頭中部、下部顯微硬度值差異明顯：受修飾焊時熱輸入影響，接頭Ⅱ熱影響區(qū)硬度普遍低于接頭Ⅰ，軟化現(xiàn)象明顯；焊縫Ⅱ正火區(qū)、回火區(qū)的顯微硬度明顯高于重熔區(qū)和Ⅰ焊縫，表明正、回火區(qū)有碳化物的析出，其對顯微硬度的硬化效果比殘留A對顯微硬度的影響軟化效果更大，總體表現(xiàn)為顯微硬度值的提高。結(jié)合修飾焊接時焊縫各區(qū)溫度變化及AF1410鋼相圖[13]，可初步推斷正、回火區(qū)碳化物分別為M2C、F3C，但仍需進一步觀察證實。

熱處理后，接頭Ⅰ、Ⅱ不同區(qū)域的顯微硬度值無明顯差異，均高于焊接態(tài)硬度（底部例外）。接頭Ⅱ母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的顯微硬度均值分別為543.9HV、543.4HV和544.8HV，說明熱處理后接頭各區(qū)組織趨于均勻，這對力學性能具有積極作用，但熱影響區(qū)靠近焊縫一側(cè)的硬度略低。

表3 掃描焊+修飾焊焊接接頭拉伸、沖擊性能

圖4 掃描焊+修飾焊焊試樣室溫拉伸失效宏觀形貌Fig.4 Macromorphology of tensile failure fracture of oscillated EBW with cosmetic welding joint

圖5 掃描焊+修飾焊焊接接頭斷口組織Fig.5 Fracture of oscillated EBW with cosmetic welding joint

2.3 拉伸、沖擊性能試驗

對熱處理后的AF1410鋼母材、掃描焊+修飾焊焊接接頭進行室溫拉伸和沖擊試驗，測試結(jié)果見表3。

焊縫沖擊韌性均值為67J/cm2，達到了母材的75%。接頭室溫斷后伸長率均值達到了12.3%，接頭拉伸抗拉強度和屈服強度均值分別為1542MPa和1721MPa，分別達到了母材98%和94%，基本與母材相當。接頭室溫拉伸斷裂位置及斷口宏觀形貌如圖4所示，斷口兩側(cè)面有強烈塑性變形痕跡，拉伸斷裂位置源于焊縫熱影響區(qū)，裂紋沿試樣邊緣約60°方向穿過焊縫并擴展至另一側(cè)的母材。接頭斷口均由中部暗灰色纖維區(qū)和邊緣剪切唇構(gòu)成，纖維區(qū)表面粗糙，占斷口橫截面面積大于剪切唇。

AF140鋼掃描焊+修飾焊接頭室溫拉伸失效后斷口在光學顯微鏡和掃描電鏡下圖像如圖5所示。由光學顯微組織可以看出，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)均為穿晶斷裂。斷口附近，柱狀晶（焊縫區(qū)）在拉應(yīng)力作用下沿軸向延伸變形，距斷口越近，變形程度加劇，還有少量貫穿柱狀晶的細小裂紋；熱影響區(qū)晶粒形變則不明顯，裂紋尺寸較大、數(shù)目多，說明熱影響區(qū)拉伸強度較低，在應(yīng)力作用下，顯微孔洞更易聚合、長大，形成裂紋。由圖5 （c）、（d）觀察分析，斷口在焊縫區(qū)、熱影響區(qū)均為大小不等的等軸韌窩，但前者韌窩較大且深，并伴有較大的韌性剪切撕裂紋，在拉伸時需比熱影響區(qū)消耗更大塑性變形能。綜上所述，可以推斷焊縫區(qū)室溫拉伸性能優(yōu)于熱影響區(qū)，并表現(xiàn)出良好塑性和較高強度。

3 結(jié)論

（1）AF1410鋼掃描焊+修飾焊焊接接頭焊縫表面成形質(zhì)量比掃描焊接頭好，熱影響區(qū)深、淺腐蝕區(qū)分別為M+少量逆轉(zhuǎn)A、M；焊縫區(qū)為M+少量殘留A，修飾焊后，分為重熔區(qū)、正火區(qū)、回火區(qū)，重熔區(qū)晶粒細化，晶界附近殘留A含量較少，正火區(qū)、回火區(qū)較多。

（2）熱處理后，接頭組織不均勻性得到改善，各區(qū)均為板條M+極少量Ar，顯微硬度均值也基本持平，平均抗拉強度達到了母材的98%以上，熱影響區(qū)為室溫拉伸性能弱區(qū)，失效裂紋沿大約60°方向貫穿整個接頭。

參 考 文 獻

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