多次补焊对30CrMnSi钢焊接接头组织与性能的影响

Material Sciences 材 料 科 学, 2016, 6(2), 110-114 Published Online March 2016 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/ms http://dx.doi.org/10.12677/ms.2016.62014 Influence of Multiple Repair Welding on Microstructure and Properties of 30CrMnSi Steel Welded Joints Lin Ma 1, Xi Xiao 2, Chun Xia 3 1 PLA Military Representative Office in 320 Factory, Nanchang Jiangxi 2 Jiangxi Hongdu Aviation Industry Co., Ltd, Nanchang Jiangxi 3 Nanchang Hangkong University, Nanchang Jiangxi Received: Mar. 2 nd, 2016; accepted: Mar. 23 rd, 2016; published: Mar. 29 th, 2016 Copyright 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Abstract In this paper, the influence of multiple repair welding on the microstructure and properties of 30CrMnSi steel welded joints was studied, and the continuous porosity in the weld center was taken as the representative. The results indicate that the grain coarsening in the complete quenching zone and tempering softening in the incomplete quenching zone occur, due to the repeated thermal effect of the multiple repair welding on the welded joints. As a result, the mechanical properties decrease, and the tensile strength of the welded joints for once, twice and three times repair welding decreases by 8.5%, 15% and 19.8% respectively, comparing with the nonrepair welding. Keywords 30CrMnSi Steel, Multiple Repair Welding, Microstructure, Properties 多 次 补 焊 对 30CrMnSi 钢 焊 接 接 头 组 织 与 性 能 的 影 响 马 林 1, 肖 熙 2 3, 夏 春 文 章 引 用 : 马 林, 肖 熙, 夏 春. 多 次 补 焊 对 30CrMnSi 钢 焊 接 接 头 组 织 与 性 能 的 影 响 [J]. 材 料 科 学, 2016, 6(2): 110-114. http://dx.doi.org/10.12677/ms.2016.62014

1 中 国 人 民 解 放 军 驻 320 厂 军 代 表 室, 江 西 南 昌 2 洪 都 航 空 工 业 集 团 有 限 公 司, 江 西 南 昌 3 南 昌 航 空 大 学, 江 西 南 昌 收 稿 日 期 :2016 年 3 月 2 日 ; 录 用 日 期 :2016 年 3 月 23 日 ; 发 布 日 期 :2016 年 3 月 29 日 摘 要 以 焊 缝 中 心 连 续 气 孔 为 代 表, 研 究 了 多 次 补 焊 对 30CrMnSi 钢 TIG 焊 接 头 组 织 与 性 能 的 影 响 结 果 表 明, 由 于 多 次 补 焊 对 焊 接 接 头 的 重 复 热 作 用, 导 致 完 全 淬 火 区 晶 粒 粗 化 不 完 全 淬 火 区 回 火 软 化, 使 焊 接 接 头 力 学 性 能 下 降, 一 二 三 次 补 焊 接 头 的 抗 拉 强 度 相 比 焊 接 接 头 分 别 降 低 了 8.5% 15% 和 19.8% 关 键 词 30CrMnSi 钢, 多 次 补 焊, 组 织, 性 能 1. 前 言 30CrMnSi 钢 是 典 型 的 Cr-Mn-Si 系 的 中 碳 调 质 钢, 其 碳 和 其 他 合 金 元 素 的 含 量 较 高, 通 过 调 质 处 理 可 获 得 良 好 的 综 合 力 学 性 能, 因 而 被 广 泛 地 应 用 于 飞 行 器 动 力 设 备 等 需 承 受 较 高 负 荷 的 重 要 部 件 的 制 造 [1] [2] 目 前, 薄 壁 30CrMnSi 钢 零 部 件 的 连 接 方 式 主 要 是 诸 如 TIG 焊 等 的 手 工 惰 性 气 体 保 护 焊, 由 于 焊 接 结 构 的 特 殊 性, 一 些 零 部 件 的 制 造 过 程 中 不 可 避 免 地 会 产 生 气 孔 裂 纹 等 焊 接 缺 陷, 导 致 焊 缝 返 修 甚 至 多 次 返 修 有 关 多 次 补 焊 对 焊 接 接 头 组 织 性 能 等 的 影 响, 已 有 一 定 的 研 究 报 道 [3]-[5], 但 对 于 30CrMnSi 钢 多 次 补 焊 后 的 组 织 与 性 能 尚 缺 乏 必 要 的 试 验 数 据 本 文 以 焊 缝 中 心 连 续 气 孔 为 代 表, 研 究 多 次 补 焊 对 TIG 焊 接 头 组 织 与 性 能 的 影 响, 为 焊 接 构 件 可 实 施 多 次 补 焊 提 供 试 验 数 据 2. 实 验 材 料 与 方 法 试 板 为 调 制 态 30CrMnSiA 钢 板, 尺 寸 150 mm 50 mm 2 mm, 加 工 45 坡 口, 钝 边 0.5 mm 采 用 TIG 的 方 法 进 行 焊 接, 焊 丝 为 φ2.0 mm 的 H18CrMoA, 焊 接 时 气 体 流 量 为 5~6 L/min, 焊 接 电 流 80~82 A, 焊 接 电 压 11~15 V 将 两 试 板 对 接 焊 后, 沿 焊 缝 中 心 加 工 U 型 槽 ( 如 图 1), 槽 宽 约 2 mm 深 1 mm 长 12 mm, 槽 与 槽 之 间 间 隔 6 mm, 用 来 模 拟 连 续 气 孔 的 根 除, 补 焊 时 利 用 TIG 焊 的 方 法 填 满 U 型 槽, 二 次 三 次 补 焊 皆 在 前 次 补 焊 的 基 础 上 在 同 一 位 置 加 工 U 型 槽 后 完 成 补 焊 操 作 按 图 2 截 取 拉 伸 和 金 相 试 样, 拉 伸 实 验 在 WAW-300B 试 验 机 上 进 行, 拉 伸 速 率 为 2 mm/min; 显 微 组 织 观 察 在 Zeiss Microlmaging GmbH 型 光 学 显 微 镜 下 进 行 ; 利 用 数 显 显 微 硬 度 仪 401MVDTM 由 焊 缝 中 心 向 母 材 方 向 每 隔 0.5 mm 进 行 显 微 硬 度 测 试, 选 择 1 kg 力 为 加 载 力 保 压 10 s 3. 实 验 结 果 及 讨 论 3.1. 显 微 组 织 分 析 一 般 认 为, 热 影 响 区 是 焊 接 接 头 的 最 薄 弱 环 节, 为 此 本 文 主 要 分 析 多 次 补 焊 对 焊 接 接 头 热 影 响 区 显 微 组 织 的 影 响 图 3 为 补 焊 次 数 对 热 影 响 区 完 全 淬 火 区 显 微 组 织 的 影 响 焊 接 条 件 下, 由 于 完 全 淬 火 区 111

Figure 1. Location of U-groove in the weld center 图 1. 焊 缝 中 心 U 形 槽 的 位 置 Figure 2. Sample location of welded workpiece 图 2. 焊 接 试 板 取 样 位 置 (a) 一 次 补 焊 (b) 二 次 补 焊 (c) 三 次 补 焊 Figure 3. Influence of multiple repair welding on microstructure of complete quenching zone 图 3. 多 次 补 焊 对 焊 接 接 头 完 全 淬 火 区 显 微 组 织 的 影 响 的 温 度 高 于 奥 氏 体 转 变 温 度, 在 冷 却 过 程 中 发 生 奥 氏 体 转 变, 因 焊 接 接 头 的 冷 却 速 度 较 快, 过 冷 奥 氏 体 首 先 转 变 为 大 量 的 针 状 贝 氏 体, 穿 过 晶 粒 散 乱 分 布, 随 着 温 度 的 降 低, 剩 余 过 冷 奥 氏 体 向 马 氏 体 转 变 [6] 补 焊 时, 完 全 淬 火 区 相 当 于 重 新 受 到 焊 接 热 的 作 用, 由 图 3 可 发 现, 随 着 补 焊 次 数 的 增 加, 完 全 淬 火 区 受 到 焊 接 热 循 环 作 用 的 次 数 也 不 断 增 加, 晶 粒 有 粗 大 的 趋 势, 片 状 马 氏 体 含 量 减 少, 板 条 状 马 氏 体 含 量 逐 渐 增 加 图 4 为 补 焊 次 数 对 焊 接 接 头 不 完 全 淬 火 区 显 微 组 织 的 影 响 在 不 完 全 淬 火 区, 部 分 组 织 发 生 回 火 转 变, 转 变 为 细 小 的 铁 素 体 与 珠 光 体 随 着 补 焊 次 数 的 增 加, 相 当 于 发 生 多 次 回 火, 铁 素 体 和 珠 光 体 含 量 相 对 增 加, 铁 素 体 发 生 长 大 ( 如 图 4) 3.2. 显 微 硬 度 分 析 图 5 为 多 次 补 焊 对 焊 接 接 头 显 微 硬 度 的 影 响, 图 中 的 虚 线 表 示 为 母 材 的 平 均 硬 度, 以 此 为 标 准 对 焊 接 接 头 的 硬 度 变 化 进 行 分 析 从 图 中 可 以 看 出, 多 次 补 焊 对 焊 接 接 头 淬 火 区 显 微 硬 度 的 影 响 不 大, 但 随 着 补 焊 次 数 的 增 加, 回 火 区 明 显 出 现 了 的 软 化, 在 三 次 补 焊 时, 接 头 回 火 区 最 小 硬 度 仅 为 母 材 平 均 硬 度 的 79.9% 这 归 因 于 补 焊 热 循 环 对 焊 接 接 头 的 多 次 回 火 作 用, 加 剧 了 接 头 的 回 火 软 化 作 用 3.3. 接 头 强 度 分 析 图 6 为 多 次 补 焊 对 焊 接 接 头 抗 拉 强 度 的 影 响 由 图 可 见, 随 补 焊 次 数 的 增 加, 接 头 抗 拉 强 度 明 显 下 112

降, 一 二 三 次 补 焊 接 头 平 均 抗 拉 强 度 分 别 为 993 MPa 922 MPa 和 870 MPa, 相 比 于 焊 接 接 头 1085 MPa 的 抗 拉 强 度 分 别 降 低 了 8.5% 15% 和 19.8% 结 合 显 微 组 织 和 显 微 硬 度 分 析, 可 以 认 为 补 焊 时 的 再 次 热 作 用 促 使 完 全 淬 火 区 的 晶 粒 粗 化 以 及 不 完 全 淬 火 区 的 回 火 软 化, 使 接 头 力 学 性 能 明 显 下 降 (a) 一 次 补 焊 (b) 二 次 补 焊 (c) 三 次 补 焊 Figure 4. Influence of multiple repair welding on microstructure of incomplete quenching zone 图 4. 多 次 补 焊 对 焊 接 接 头 不 完 全 淬 火 区 显 微 组 织 的 影 响 Figure 5. Influence of multiple repair welding on microhardness of welded joints. 1. weld seam, 2. complete quenching zone, 3. incomplete quenching zone, 4. base metal 图 5. 多 次 补 焊 对 焊 接 接 头 显 微 硬 度 的 影 响 1: 焊 缝 区 2: 淬 火 区 3: 回 火 区 4: 母 材 抗 拉 强 度 /MPa 1010 1000 990 980 970 960 950 940 930 920 910 900 890 880 870 860 一 次 补 焊 二 次 补 焊 三 次 补 焊 Figure 6. Influence of multiple repair welding on tensile strength of welded joints 图 6. 多 次 补 焊 对 焊 接 接 头 抗 拉 强 度 的 影 响 113

4. 结 论 1) 多 次 补 焊 相 当 于 对 焊 接 接 头 的 重 复 加 热, 促 使 焊 接 接 头 完 全 淬 火 区 的 晶 粒 粗 化, 不 完 全 淬 火 区 的 回 火 软 化, 因 此 接 头 软 化 现 象 更 为 严 重 2) 补 焊 致 使 接 头 抗 拉 强 度 明 显 下 降, 相 比 焊 接 接 头, 一 二 三 次 补 焊 接 头 的 抗 拉 强 度 分 别 降 低 了 8.5% 15% 和 19.8% 参 考 文 献 (References) [1] 刘 会 杰, 闫 久 春, 魏 艳 红, 等. 焊 接 冶 金 与 焊 接 性 [M]. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社, 2007. [2] 邹 增 大, 李 亚 江, 尹 士 科, 等. 低 合 金 调 质 高 强 度 钢 焊 接 及 工 程 应 用 [M]. 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社, 2000. [3] 朱 援 祥, 张 小 飞, 杨 兵, 等. 基 于 有 限 元 的 多 次 补 焊 焊 接 残 余 应 力 的 数 值 模 拟 [J]. 焊 接 学 报, 2002, 23(1): 65-68. [4] 李 丹 丹, 张 志 毅, 史 春 元. 多 次 补 焊 对 SMA490BW 钢 焊 接 过 热 区 冲 击 性 能 的 影 响 [J]. 热 加 工 工 艺, 2011, 40(17): 161-166. [5] 汪 之 平, 付 宁 宁, 隋 显 庭, 等. 多 次 补 焊 对 5083-H111 铝 合 金 焊 接 接 头 组 织 与 性 能 的 影 响 [J]. 电 焊 机, 2014, 44(6): 130-134. [6] 李 建 萍, 陶 智 俊, 夏 春, 等. 随 焊 红 外 照 射 对 30CrMnSi 钢 焊 接 接 头 组 织 与 性 能 的 影 响 [J]. 南 昌 航 空 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ), 2015, 29(1): 61-65, 88. 114