补焊次数对30CrMnSiA钢接头组织和力学性能的影响.pdf

72MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERINGVol.47No.6Jun.20232023年6 月第47 卷第6 期2023机械工程材料D0I:10.11973/jxgccl202306013补焊次数对30 CrMnSiA钢接头组织和力学性能的影响王浩军，张兵宪，马玲军”，雷龙宇”，张志强”，杜明科”，张敏?（1.中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安7 10 0 8 9；2.西安理工大学材料科学与工程学院，西安7 10 0 48)摘要：采用焊条电弧焊对30 CrMnSiA钢焊接接头进行多次（3，4次）补焊试验，研究了补焊次数对接头组织和力学性能的影响。结果表明：补焊次数的增加对接头焊缝区域的显微组织类型影响不大，原始焊缝和补焊焊缝组织均为奥氏体柱状晶，但会导致原始焊缝区域的晶粒粗化和热影响区的大角度晶界分布密度下降，并减少热影响区的马氏体数量，从而对接头强度产生不利影响。补焊4次接头的抗拉强度较补焊3次接头降低了7.8%，断后伸长率降低了2 5.3%，但断裂机制仍为韧性断裂；补焊4次接头的抗弯性能和硬度也低于补焊3次接头。关键词：补焊；30 CrMnSiA钢；显微组织；力学性能中图分类号：TG456.7文献标志码：A文章编号：10 0 0-37 38（2 0 2 3)0 6-0 0 7 2-0 6Influence of Repair Welding Time on Microstructure and MechanicalProperties of 30CrMnSiA Steel JointWANG Haojun,ZHANG Bingxian,MA Lingjun,LEI Longyu,ZHANG Zhiqiang,DU Mingke?,ZHANG Min?(1.AVIC Xian Aircraft Industry Group Company LTD,Xian 710089,China;2.School of Materials Science and Engineering,Xian University of Technology,Xian 710048,China)Abstract:Multiple repair welding(for three and four times)tests were carried out on 30CrMnSiA weldedjoint by shielded metal arc welding.The effect of the repair welding time on the microstructure and mechanicalproperties of the joint was studied.The results show that increasing repair welding time had little effect on themicrostructure type of the joint weld zone.The microstructures of the original weld and the repairing weld bothconsisted of austenite columnar crystals.Increasing repair welding time could lead to grain coarsening in the originalweld zone,and reduce the distribution density of high angle grain boundaries and martensitic quantities in the heat-affected zone,resulting in negative effects on the strength of the joint.The tensile strength of the four-time repairwelding joint was reduced by 7.8%and the percentage elongation after fracture was reduced by 25.3%comparingwith those of the three-time repair welding joint,but the fracture mechanism was stil ductile fracture.The bendingresistance and hardness of the four-time repair welding joint were also lower than those of the three-time repairwelding joint.Key words:repair welding;3oCrMnSiA steel;microstructure;mechanical property收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 7；修订日期：2 0 2 3-0 5-2 2基金项目：国家自然科学基金资助项目（5197 42 43）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2 0 19JZ-31）；陕西省教育厅自然科学专项项目（19JK0590）作者简介：王浩军（197 1一），男，陕西洛南人，高级工程师，学士通信作者：张敏教授0引言30CrMnSiA钢属于Cr-Mn-Si系中碳钢，具有较高的强度、良好的塑性和韧性以及优良的加工性能，广泛应用于航空航天和压力容器等领域1-1。飞机中的大量结构件，如起落架、机身隔框、发动机支73MATERIALSFOR MECHANICAL ENGINEERING王浩军，永焊数对30CrMnSiA钢接头组织和力学性能的影响2023机械工程材料撑架等都以30 CrMnSiA钢为主要材料3-4。这些结构件普遍采用焊接方法连接，焊缝往往是整个结构件的薄弱部位，在复杂应力的长期作用下容易产生裂纹、磨损等缺陷，造成结构件失效。目前，失效结构件一般都作报废处理，这会造成资源的浪费。因此，发展相应的修复再制造技术显得尤为重要。补焊是基于焊接技术发展起来的一种缺陷修复方法，具有成本低廉、修复速度快、操作简便等优点。目前，已有诸多学者对结构钢的补焊工艺进行了研究，并取得了一些成果5-8 。贾宝丽等研究了30CrMnSiA钢焊接接头的补焊工艺，证明了采用钨极惰性气体保护焊（TIG焊）进行补焊的可行性，确定了最佳的焊接参数和预热、缓冷温度。张举麟等10 1采用TIG焊对30 CrMnSiA钢接头进行补焊，发现补焊后的热影响区组织变化不大，接头的力学性能略微降低，但总体而言补焊对组织和性能的影响较小。张志强等11采用18 CrMoA合金粉末对30CrMnSiA钢表面的缺陷进行激光熔覆修复试验，结果表明激光熔覆配合焊后2 0 0 回火热处理可获得性能优良、残余应力小的熔覆层，修复后的接头能够满足性能要求。然而，目前焊接结构件的补焊修复研究大都以TIG焊和激光熔覆为主，这两种工艺存在修复效率低、成本高、难以在室外操作等缺点，不适用于飞机的停场维修补焊。并且，目前的焊接工艺标准仅对1次和2 次补焊有明确要求12 ，针对飞机全寿命周期可能遇到的多次补焊情况，缺少相关的工艺探索和组织、性能研究。焊条电弧焊（SMAW）具有生产效率高、操作灵活的特点，适用于结构件的现场补焊。为此，作者以焊条电弧焊为缺陷补焊方法，研究了补焊次数（3次、4次)对30 CrMnSiA钢补焊接头组织和性能的影响，拟为指导飞机结构件的维修、延长其使用寿命、降低运行成本提供参考。1试样制备与试验方法试验母材选用尺寸为30 0 mm120mm5mm的调质态30 CrMnSiA钢板，原始焊接和补焊用焊接材料均为HTG-1镍基高温合金焊条，直径在34mm。母材和焊接材料的化学成分如表1所示。采用焊条电弧焊进行对接焊，坡口形式为I形，根部间隙为2 mm，焊接电流在150 17 0 A，正反面各焊一道。焊接完成后，采用铣削的方式将正面原有焊缝挖除，挖除深度为原始焊缝深度的50%，并将待焊区域的灰尘、油污、锈迹、铁屑等杂质清除干净。采用焊条电弧焊进行补焊，焊接电流在14016 0 A，焊接一道一层。1次补焊后，再将补焊焊缝挖除，进行2 次补焊，重复此过程，实现补焊3次、4次接头的制备。补焊3次和补焊4次接头的截面宏观形貌如图1所示，可见：补焊焊缝和原始焊缝成形良好，未发现裂纹、气孔、未熔合等焊接缺陷，表明补焊质量较好；补焊焊缝和原始焊缝之间结合良好，界面不清晰。在补焊焊缝、原始焊缝和热影响区线切割取样，经预磨、抛光，用由1gFeCl3和10 mL浓盐酸（分析纯)配制的溶液进行腐蚀，在OLYMPUS-GX71型光学显微镜上观察显微组织。在热影响区和补焊焊表130 CrMnSiA钢板和HTG-1焊条的化学成分Table1Chemical composition of 30CrMnSiA steel plate and HTG-1 covered electrode质量分数/%试验材料CCrNiMnSiPSFe钢板0.280.340.801.100.030.801.100.901.200.020.02余焊条0.0821.00余0.750.020.021.00补焊焊缝补焊焊缝热影响区热影响区热影响区原始焊缝热影响区原始焊缝2mm2mm(a)3次(b)4次图1不同补焊次数下接头的截面宏观形貌Fig.1Sectional macromorphology of joint with different repair welding times:(a)three times and(b)four times74MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING王浩军，等：补焊次数对30 CrMnSiA钢接头组织和力学性能的影响2023机械工程材料缝界面处线切割取样，利用配备能谱仪（EDS)的VEGA3XMU型扫描电镜（SEM)分析元素扩散情况。采用蔡司MerlinCompact型扫描电镜的电子背散射衍射(EBSD)附件对补焊接头热影响区的晶界类型及其分布情况进行表征。将补焊接头加工成如图2 所示的拉伸试样和尺寸为150 mm21mmX5mm的弯曲试样，焊缝位于试样中心位置，并需要去除余高。按照GB/T228.1一2 0 10,在Zwick/RoellZ100型万能试验机上进行室温拉伸试验，屈服前应变速率为0.0 0 0 0 8 s-1，屈服后应变速率为0.0 0 6 7 s-1。拉伸试验结束后利用扫描电镜观察拉伸断口形貌。按照GB/T2653一2008，使用Zwick/RoellZ100型万能试验机进行三点弯曲试验（背弯和正弯），下压速度为1mms-，记录开裂部位以及表面萌生裂纹时的弯曲角度。正弯试验用于检测焊缝背面的连续性和抗弯能力，背弯试验检测的是焊缝正面的连续性和抗弯能力，均各测2 个试样。使用MHV-1000Z型显微维氏硬度计测试补焊接头的显微硬度分布，试验点间距为0.2mm，载荷为4.9N，保载时间为15s。2试验结果与讨论2.1显微组织由图3可以看出：补焊3次和4次接头原始焊90126226图2 补焊接头拉伸试样尺寸Fig.2Dimension of tensile specimen of repair welding joint缝和补焊焊缝的显微组织均为奥氏体柱状晶，这是因为焊接时均采用了镍基高温合金焊条，而镍元素为奥氏体稳定元素；补焊4次接头原始焊缝的晶粒较补焊3次粗大，这是因为补焊4次接头承受的焊接热循环次数更多，奥氏体晶粒长大更为充分；不同次数补焊焊缝中的奥氏体柱状晶均沿与熔合线垂直的方向生长，这与熔池金属的凝固及结晶过程有关；补焊3次接头的热影响区主要为马氏体十铁素体的双相组织，而在第4次补焊热循环的影响下，热影响区的马氏体数量大大减少，转变为以铁素体为主的组织。由图4可以看出，补焊次数对补焊焊缝和热影响区之间元素扩散行为的影响不显著。在两组补焊接头中，从热影响区到补焊焊缝的元素过渡较为平滑，铁、铬、镍元素均发生了较为充分的扩散，表明热影响区和补焊焊缝达到了较为充分的冶金结合；锰、硅元素因受浓度梯度的影响，扩散现象不明显。马氏体奥氏体奥氏体铁素体100um200um10um(a)3次,原始焊缝(b)3次，补焊焊缝(c)3次,热影响区奥氏体铁素体奥氏体100um200m10um(d)4次,原始焊缝(e)4次，补焊焊缝(f)4次，热影响区图3补焊3次和补焊4次接头不同区域的显微组织Fig.3 Microstructures of different regions of joint after repair welding for three(a-c)and four(d-f)times:(a,d)original weld;(b,e)repairing weld and(c,f)heat-affected zone75MATERIALS FOR MECHANICALENGINEERING王浩军，等补焊次数对30 CrMnSiA钢接头组织和力学性能的影响2023机械工程材料补焊焊缝测试路径FeNi热影响区02040608010010um距离/m(a)3次,形貌（b）3次，元素线扫描结果补焊焊缝测试路径MnCr热影响区R02040608010010um距离/um(c)4次,形貌（d）4次，元素线扫描结果图4补焊3次和补焊4次接头热影响区和补焊焊缝界面形貌和元素线扫描结果Fig.4 Morphology(a,c)and element line scan results(b,d)at interface between heat-affected zone and repairing weld ofjoint after repair welding for three(a-b)and four(c-d)times图5（a)和图5（c）中黄色（颜色较浅）线条表示大角度晶界（晶界角度大于15），黑色线条表示小角度晶界（晶界角度在2 15）；大角度晶界能够有效阻碍裂纹扩展，提高材料的韧性和抗裂能力13由图5可以看出，与补焊3次相比，补焊4次接头热影响区的小角度晶界密度增大，大角度晶界密度出现一定程度的降低，这对该区域的韧性和抗裂能力会产生不利影响。2.2拉伸性能拉伸试验发现，补焊3次和补焊4次接头的拉12108%/1早642010203040506050um晶界角度/）(a)3次,EBSD形貌(b)3次，晶界分布2520站105010203040506050um晶界角度/)）(c)4次,EBSD形貌(d)4次,晶界分布图5补焊3次和补焊4次接头热影响区的EBSD形貌和晶界分布Fig.5EBSD morphology(a,c)and grain boundary distribution(b,d)in heat-affected zone of joint after repair welding forthree(a-b)andfour(c-d)times76MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING王浩军，等：补焊次数对30 CrMnSiA钢接头组织和力学性能的影响2023机械工程材料伸断裂位置均为焊缝，表明焊缝区是整个接头力学性能最为薄弱的部位。由表2 可知，与补焊3次相比，补焊4次接头的抗拉强度下降了7.8%，断后伸长率降低约2 5.3%。拉伸性能的下降与焊接热循环导致的微观结构变化有关：原始焊缝区域的奥氏体晶粒在多次补焊的焊接热循环作用下发生明显粗化，导致焊缝区域力学性能降低。由图6 可以看出：补焊3次和补焊4次接头拉伸断裂的颈缩程度很小，表明其在断裂前没有发生充分的塑性变形，微观断口形貌均以韧窝为主，表明断裂机制主要为韧性断裂；补焊3次接头的韧窝比补焊4次的大，说明补焊3次接头的局部抗失稳能力较强，塑性较好，与拉伸试验结果相符。表2不同次数补焊接头的拉伸性能Table2Tensile properties of joint after repair welding fordifferent times补焊次数/屈服强度/抗拉强度/断后伸长率/次MPaMPa%33196229.743255737.21mm10um(a）3次，断口宏观形貌（b）3次，补焊焊缝断口微观形貌1mm10um(c)4次，断口宏观形貌(d）4次，补焊焊缝断口微观形貌图6 补焊3次和补焊4次接头的拉伸断口形貌Fig.6 Tensile fracture morphology of joint after repair welding for three(a-b)and four(c-d)times:(a,c)macromorphology offracture and(b,d)micromorphology of fracture of repairing weld2.3弯曲性能由表3可以看出，补焊3次和补焊4次接头弯曲后表3不同次数补焊接头的弯曲试验结果Table 3Bend test results of repair welding joint withdifferent repair welding times补焊次弯曲试样裂纹开裂角失效位置数/次形式编号情况度/(）1#有裂纹142正弯2有裂纹1433补焊焊缝1#有裂纹121背弯2#有裂纹1181#有裂纹108补焊焊缝与原正弯2有裂纹107始焊缝交界处41#有裂纹120背弯补焊焊缝2#有裂纹125均出现了裂纹，在正弯条件下补焊4次接头的开裂角度相比于补焊3次接头大幅降低，而背弯条件下出现裂纹的角度基本一致。这表明焊缝背面的抗弯能力随着补焊次数的增加而降低，原因在于更多次数的补焊热循环导致原始焊缝晶粒发生粗化。2.4显微硬度由图7 可见，补焊次数对补焊焊缝的硬度影响不大，但对热影响区的硬度影响较大，补焊4次的热影响区硬度比补焊3次降低50 10 0 HV。补焊3次接头热影响区的显微组织为马氏体十铁素体双相组织，马氏体因较高的碳含量而具有较高硬度，使得补焊3次接头的热影响区保持了较高的硬度；在第4次补焊过程中，热影响区的马氏体组织在焊接热77MATERIALSFOR MECHANICAL ENGINEERING王浩军，补焊次数对3 0 CrMnSiA钢接头组织和力学性能的影响2023机械工程材料500一3次450一4次MM400350300250200热影响区热影响区150100母材补焊焊缝母材50051015202530距离/mm图7不同次数补焊接头的硬度分布曲线Fig.7Hardness distribution curves of repair welding joint underdifferent repair welding times循环影响下大多转变为铁素体，形成了以铁素体为主的组织类型，而铁素体的硬度低于马氏体，因此补焊4次接头的热影响区硬度降低。3结论（1）补焊3次和4次后，30 CrMnSiA钢接头补焊焊缝和原始焊缝的组织均以奥氏体柱状晶为主，但补焊4次接头原始焊缝区域的晶粒发生粗化；补焊3次接头热影响区组织为马氏体十铁素体，补焊4次后马氏体大多转变为铁素体，组织以铁素体为主。（2）补焊次数对接头补焊焊缝与热影响区之间的元素扩散行为影响不大，但对热影响区的晶界分布影响较大；补焊4次接头热影响区的大角度晶界密度相比补焊3次接头下降，这会对接头的力学性能产生不利影响。（3）补焊4次接头的抗拉强度较补焊3次接头降低了7.8%，断后伸长率降低了2 5.3%，但断裂机制仍为韧性断裂；补焊4次接头的抗弯能力和硬度也低于补焊3次接头。参考文献：1FU Y L,HU J,SHEN X F,et al.Surface hardening of30CrMnSiA steel using continuous electron beamJJ.NuclearInstruments and Methods in Physics Research Section B:BeamInteractions with Materials and Atoms,2017,410:207-214.2WANG L Z,WU JJ,HUANG X F,et al.SLM-manufactured3oCrMnSiA alloy:Mechanical properties and microstructuraleffects of designed heat treatment J.Optics&.LaserTechnology,2018,107:89-98.3李召华，王春净，罗湘燕.30 CrMnSiA钢的最终热处理工艺研究J.新技术新工艺，2 0 17（10）：1-3.LIZ H,WANG C J,LUO X Y.Research on the final heattreatment press of 30CrMnSiA steelJJ.New Technology&NewProcess,2017(10):1-3.4吴子恺，陈伟，周海铭，等.回火温度对30 CrMnSiA钢力学性能的影响J.金属热处理，2 0 19，44（2）：16 3-16 7.WU Z K,CHEN W,ZHOU H M,et al.Effect of temperingtemperature on mechanical properties of 30CrMnSiA steelJ.Heat Treatmentof Metals,2019,44(2):163-167.5CARPENTER K R,DISSANAYAKA P,STERJOVSKI Z,etal.The effects of multiple repair welds on a quenched andtempered steel for naval vessels J.Welding in the World,2021,65(10):1997-2012.6SU Y H,WEI Z Y,LIG,et al.Effect of reversed austenite onmechanical properties of ZG06Cr13Ni4Mo repair welded jointJ.Coatings,2021,12(1):1.7SHOJAATI M,KASHANI BOZORG S F,VATANARA M,et al.The heat affected zone of X20Cr13 martensitic stainlesssteel after multiple repair welding:Microstructure andmechanical properties assessmentJ.International Journal ofPressure Vessels and Piping,2020,188:104205.8ASHOK KUMAR P,SHAJAN N,ARORA K S,et al.Repairwelding procedure for P460NH grade steel making ladlesJJ.Indian Welding Journal,2018,51(2):57.9贾宝丽，吴俊峰，李攀，等.中碳调质钢30 CrMnSiA补焊工艺方法研究J.焊管，2 0 17，40（5）：49-51.JIA B L,WU J F,LI P,et al.Research on medium carbonquenched and tempered steel 30CrMnSiA repair weldingtechnologyJ.Welded Pipe and Tube,2017,40(5):49-51.10张举麟，张华松，李波涛，等.补焊对30 CrMnSiA高强钢焊接接头力学性能的影响J.机械工程材料，2 0 17，41（9)：8 5-8 7.ZHANG J L,ZHANG H S,LI B T,et al.Influence of repairwelding on mechanical properties of 30CrMnSiA highstrength steel welded joint J.Materials for MechanicalEngineering,2017,41(9):85-87.11张志强，秦仁耀，孙涛，等.30 CrMnSiA钢激光熔覆接头的微观组织和性能J.焊接技术，2 0 18，47（12）：9-14.ZHANG Z Q,QIN R Y,SUN T,et al.Microstructure andproperties of laser cladding joints of 30CrMnSiA steel JJ.Welding Technology,2018,47(12):9-14.12万里鹏，肖熙，江鹏，等.多次补焊对30 CrMnSiA高强钢焊接接头组织和疲劳性能的影响J.热加工工艺，2 0 15，44（2 1）：210-212.WAN L P,XIAO X,JIANG P,et al.Effect of multiplerepairing weld on microstructure and fatigue property ofwelded joints of 30CrMnSiA high strength steel JJ.HotWorking Technology,2015,44(21):210-212.13QI X N,HUAN P C,WANG X N,et al.Study on themechanism of heat input on the grain boundary distributionand impact toughness in CGHAZ of X1o0 pipeline steel fromthe aspect of variantJJ.Materials Characterization,2021,179:111344.