D6AC超高强度钢的焊接工艺研究

刘春峰 胥苈桓 苟强 苟长平

【摘  要】分析D6AC超高强度钢的材料焊接性，采用钨极氩弧焊焊接方法，进行D6AC焊接工艺试验研究，制定出合理可行的焊接工艺，并深入探索该材料在焊接过程中易于出现的焊接缺陷及控制措施。

【关键词】D6AC;超高强度钢;焊接裂纹;CrNiMoV系

随着我国航空航天工业的不断发展，行业对于金属结构件的综合性能提出了越来越高的要求。特别是针对战术武器导弹燃烧室壳体部件，强度级别超过1300Mpa的超高强度钢在这一领域得到了越来越多的应用。而焊接，作为此类产品结构的重要连接方法，焊接工序理所当然成为了此类产品生产过程中最为重要的工序之一。研究超高强度钢的焊接工艺对于保障产品顺利生产具有重要意义。本文以D6AC材料为例，对CrNiMoV系超高强度钢的焊接工艺进行了探索研究，仅供参考。

一、材料焊接性分析及焊接工艺设计

（一）材料化学成分及裂纹敏感性分析

D6AC钢，国标对应钢牌号为45CrNiMoVA，属航空航天用中碳低合金钢，焊前热处理状态为正火+回火。表1为D6AC钢母材化学成分的化验数据。

采用碳当量法，应用常用的评估材料冷裂纹倾向的碳当量公式计算得到Ce大于0.95%，远大于临界值，因此，该材料具有明显的冷裂纹倾向。焊接工艺应考虑预热、焊后去应力退火以及填充材料对碳含量的稀释等降低母材冷裂倾向的措施。

（二）焊接材料选择

通过查阅相关标准，我们选择了直径1.6mm，牌号为H04SiMnCrNiMoVA（GJB3323-1996《航天固体火箭发动机用超高强度钢焊丝规范》）的焊丝，其化学成分见表2。

（三）焊接坡口

根据壳体壁厚和已确定的焊接方法（自动钨极氩弧焊、单面焊双面成型）及设备，焊接坡口主要基于以下方面考虑而设计：

1）坡口形式易于加工，因此采用最常用的帶钝边V型坡口;

2钝边大小适当，太小对工件组队不利，太大会导致焊透所需的电流增大，增大热输入，因此将钝边设计为0.5mm;

3坡口角度影响填充、焊缝熔合比，熔合比主要影响焊缝的力学性能，在保证熔合比适当的前提下尽量减小坡口角度以减少填充量。暂将坡口角度设计为60°，后以工艺试验验证其是否合理。

（四）TIG焊接电源极性设置

采用直流TIG焊进行焊接，极性为直流正接。钨极为含有w（ThO2）的钍钨极，提高电弧稳定性;钨极端部磨成30°-60°的锥角，尖端磨出一个小平台，可以提高钨极的载流能力。

（五）焊接熔池的保护

焊接保护气体为高纯氩（Ar99.999%）），气体流量为12-14L/min。焊接过程中保证提前供气滞后停气，以防止焊接过程结束而熔池金属未完成冶金反应，接触空气被氧化或与空气中的水蒸气发生反应，造成焊接接头质量劣化。

（六）预热温度及热处理方式

采取焊前预热是防止裂纹的重要措施。预热温度越高冷裂纹产生几率越低，但过高温度会导致焊缝热输入增加，造成焊缝热影响区晶粒粗大，影响接头的综合力学性能。通过冷裂纹敏感指数法和参考焊接手册推荐的低合金钢预热温度，将预热温度值确定为200-250℃。为了提高母材获得马氏体的能力，焊前安排对母材进行一次球化退火，焊后立即进行去应力退火，再依次进行正火、淬火、回火。

二、焊接工艺试验

采用正交试验法进行焊接工艺参数调试，分两层施焊。接头经热处理后，按QJ175-93标准进行外观检查、X光透照以及焊缝力学性能检测。焊接过程中控制热输入在1-2KJ/mm，如公式（1）：

H=0.7×U×I/（1000V），                   （1）

式中，H为焊接熔池有效热输入，KJ/mm;U为电弧电压，V;I为焊接电流，A;V为焊接速度，mm/s，0.7为焊接设备工件侧发热量占总热量比值。

试验用焊接工艺参数见表3，焊后外观质量、X光检测结果及焊缝力学性能检测结果见表4.表4中各试验参数于表3相对应。

经试验验证，采用1.5KJ/mm左右的焊接热输入时，能够获得合格的焊缝外观。并且必须采用焊前预热和焊后立即去应力退火，否则焊缝易产生气孔、裂纹缺陷。在采用第5组、第6组工艺参数均所获得的焊缝接头外观、内部质量均合格，其抗拉强度都达到了1300Mpa以上，满足标准要求。通过数据对比我们了解到，当采用较大电流施焊时，尽管焊缝的强度略有提高，但焊缝的断面延伸率比较低，塑韧性下降较多。因此，为了使接头获得更优的综合力学性能，采用第6组工艺参数更为合理。

三、结论

（1）由于D6AC超高强度钢属中碳调质钢，经过理论计算，得知该钢种具有很高的裂纹倾向。

（2）采用自动钨极氩弧焊焊接D6AC超高强度钢时，采用合理的焊接工艺参数，特别是焊前预热，焊后立即去应力退火，可以有效的降低材料的裂纹倾向，获得符合标准要求的焊缝接头。

参考文献：

[1]吴世初.金属可焊性试验[M].上海：上海科学技术文献出版社.1983：261-305

[2]周振丰，张文钺.焊接冶金于金属焊接性[M].北京：机械工业出版社.1994：202-203;298-300.

[3]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册：第3册[M].北京：机械工业出版社，2011.

（作者单位：四川航天长征装备制造有限公司）