30CrMnSiNi2A钢电子束焊接接头的组织与性能研究

余 槐，袁 鸿，王金雪，张国栋

（北京航空材料研究院，北京 100095）

0 前 言

30CrMnSiNi2A钢是我国航空工业广泛使用的低合金超高强度钢[1-3]。该钢在30CrMnSiA钢的基础上提高了Mn和Cr含量，并添加了1.40%～1.80%的Ni，使其淬透性得到了明显提高，韧性和抗回火稳定性得到改善[4]。热处理后强度高，塑性、韧性好，有良好的抗疲劳性能和断裂韧性，切削和焊接性尚好，但对缺口和氢脆较敏感。材料的成分[5]或热处理工艺不同[6-7]，其性能会出现很大差异。该钢适宜于制造高强度连接件和轴类零件等重要受力结构部件，广泛用于制造飞机起落架、机翼主梁，中央翼的带板及缘条，对合接头、结合螺栓，压气机中机匣后段等重要受力结构件[8]。该钢已被使用在某型飞机的襟翼滑轨上，经电子束焊接制造完成，大大减轻了以前螺栓连接方式的构件质量。

本研究分析了12 mm厚30CrMnSiNi2A钢电子束焊接接头的组织与性能，以期为该材料的电子束焊接工艺及热处理方法提供参考。

2 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

试验用料为 600 mm×200 mm×15 mm （长×宽×厚）锻件板材，材料的化学成分见表1。电子束焊前经固溶退火处理，并机械加工成200 mm×80 mm×12 mm （长×宽×厚）的焊接试板。焊接工艺试验在中国航发北京航空材料研究院KL－106M型真空电子束焊机上进行。KL－106M型真空电子束焊机实物照片见图1，焊接工艺参数[9]见表2，电子束焊接采用 “Ⅰ”型平头对接，对接间隙不大于0.10 mm。焊接试板对接形式如图2所示。

表1 30CrMnSiNi2A钢化学成分 %

表2 电子束焊接工艺试验参数

图2 焊接试板对接形式示意图

2.2 焊后热处理制度

A：焊态。

B （完全热处理）[8]： 高温回火（600±10）℃/1 h+（900±10）℃/2 h， 冷却介质硝盐（280～300）℃/4 h+回火（250～300）℃/4 h， AC。

3 试验结果与分析

3.1 电子束焊接工艺分析

按照表2电子束焊接工艺参数焊接试板，焊接过程中熔池形状稳定，无飞溅。所形成的焊缝表面无可见明显咬边，焊缝正面、背面成形光滑，如图3所示。30CrMnSiNi2A钢电子束焊接接头低倍金相照片如图4所示。焊缝横截面均呈现小 “V”字形焊缝特征。焊后对工艺试板进行X射线检测，结果表明，焊接接头质量符合GJB1718A—2005中Ⅰ级焊缝的要求。

图3 30CrMnSiNi2A钢焊接试板焊缝形貌

图4 30CrMnSiNi2A钢焊接接头低倍金相照片

3.2 接头室温拉伸、冲击韧性试验结果及分析

焊缝位于拉伸试样中心位置，冲击试样缺口开在焊缝位置，接头焊态及热处理下的室温拉伸、冲击韧性试验结果见表3。从表3得出，接头焊态（A）抗拉强度明显低于经热处理后的接头和母材，完全热处理状态 （B）的接头强度稍高于母材，因此接头拉伸断于基体，30CrMnSiNi2A钢经过热处理后才能使用，延伸率及断面收缩率都与母材相当。比较焊态及热处理接头母材的冲击韧性，可以看出，焊态接头韧性明显好于热处理接头与母材，同热处理状态下的接头与母材两者的冲击韧性处于相同水平。因此，接头经900℃硝盐浴等温加低温回火热处理后可获得良好的接头性能。

表3 30CrMnSiNi2A焊接接头及母材拉伸性能、冲击韧性检测结果

3.3 接头显微组织分析

接头焊态下的显微组织如图5所示。热处理状态为经900℃淬火加低温回火，接头热处理状态下的显微组织如图6所示。

图5 接头焊态下的显微组织

图6 接头热处理状态下的显微组织

从图5可见，接头焊态焊缝的显微组织为典型的粗大针状马氏体+残余奥氏体，这是由于电子束焊接时峰值温度极高 （2 000℃左右），对于30CrMnSiNi2A 钢，临界温度Ac为805～830℃[10]，其焊后冷却速度极快，加之奥氏体区域停留时间较长形成的。热影响区的显微组织为板条状马氏体、贝氏体及少量的奥氏体，因此焊后冷却速度较焊缝慢，形成一定量的中温组织。

由图6可见，焊缝和热影响区组织主要为回火马氏体和残余奥氏体，母材为低温回火马氏体组织，低温回火马氏体呈板条状，它仍保持了淬火马氏体形态，板条界面清晰可见。

图7 焊态接头冲击断口形貌

3.4 冲击断口形貌分析

焊态、完全热处理态及母材冲击断口形貌如图7～图9所示。从图7～图9可以看出，焊态接头、完全热处理状态接头和母材的宏观断口均表现为凹凸不平的断裂面。从局部放大断口可以看出，断裂面均表现为大量的韧窝，断裂方式为韧性断裂，从室温冲击值数据可以看出冲击值都比较高。

图8 完全热处理状态下接头冲击断口形貌

图9 母材冲击断口形貌

4 结 论

（1）30CrMnSiNi2A钢电子束焊接工艺性优良，采用合适的工艺参数能使接头达到一级焊接接头的质量。

（2）30CrMnSiNi2A钢焊前经固溶处理，焊接后必须经完全热处理才能使用，接头才能获得优良的综合力学性能，接头的强度稍高于母材，延伸率及断面收缩率都与母材相当。

（3）接头经完全热处理后，焊缝和热影响区的显微组织为回火马氏体、残余奥氏体，母材组织也表现为回火马氏体及少量的残余奥氏体。

（4）焊态及热处理态接头与母材的冲击断裂方式为韧性断裂，断裂面呈现了大量的韧窝状。