1Cr13不锈钢电磁组件焊接裂纹分析及工艺措施

董锬 牛劭臣 胡靖

摘 要：1Cr13马氏体不锈钢焊接性能差，极易产生冷裂纹缺陷。某航空产品零件的材料为1Cr13，在激光焊后焊缝产生延迟裂纹。现针对工件无法焊前预热及其结构特点，用氩弧焊代替激光焊，通过焊接工艺控制解决该产品焊接裂纹问题，避免产生焊缝冷裂纹。

关键词：1Cr13马氏体不锈钢;冷裂纹;氩弧焊;工艺控制

0    引言

航空产品插座类零件一般采用激光焊焊接，利用激光焊热量集中的特点防止焊接热量烧坏插座内部电子元件，影响产品性能。其材料均为奥氏体不锈钢，焊接性能良好，焊缝无质量问题。其中电磁组件壳体材料为1Cr13马氏体不锈钢，在焊接插座时，经试验焊接参数，降低激光焊的速度，焊缝均匀光滑，无外观缺陷。但在外厂使用过程中出现插座脱落的情况，经观察端口形貌为脆性断裂，初步定位为裂纹扩展引起焊缝失效。领取工件按原工艺进行焊接试验，未发现焊接缺陷，在激光焊1～2天后出现延迟裂纹。本文拟通过氩弧焊替代激光焊，试验焊接工艺方案，利用焊接加热来达到对焊缝预热和缓冷的效果，控制焊缝冷却速度，减少脆性相产生，改善焊缝性能，得到优良焊缝。

1    裂纹机理分析

1.1    材料焊接性分析

零件壳体材料为1Cr13，化学成分如表1所示。

1Cr13马氏体不锈钢焊缝和热影响区焊后状态为脆硬的马氏体组织，另外1Cr13钢的碳当量约为2.76%，因此其焊接性能差[1]。因1Cr13马氏体不锈钢导热性较碳钢差，焊后残余应力大，特别是焊缝含氢量较高时，在快速冷却时极易产生冷裂纹。其焊接成分特点往往使其组织处于舍夫勒焊缝组织图中的M和M+F边界区，在冷却速度小于10 ℃/s时近缝区会出现粗大的铁素体，塑性和韧性也显著下降[2]。所以，焊接冷却速度的控制是一个难题。为得到合适的焊接接头，往往需要焊前预热200～250 ℃来防止冷裂纹产生，在焊后焊缝冷却至150 ℃后加热至650～750 ℃进行回火处理[3]，降低焊缝和热影响区的硬度，减少焊接残余应力，改善其塑性和韧性。

综上所述，1Cr13的焊接工艺性能差，必须采用合适的焊接参数，并对工件进行焊前预热，焊后须进行热处理，以保证焊缝质量。

1.2    结构焊接性分析

如图1所示，电磁组件壳体和插座的焊接接头为锁底对接，焊缝无坡口，采用不添加焊丝自熔焊接。焊缝在工件的转接处，容易在该处产生应力集中，结构焊接性能差。

1.3    工艺焊接性分析

激光焊接的特点是焊接热量集中，焊接变形小，焊接热影响区小，焊缝的冷却速度快。对于电磁组件来说，工件因内部的电子元器件无法进行焊前预热和焊后缓冷处理，激光焊接后焊缝迅速冷却，焊缝金属析出大量脆硬的马氏体组织，焊缝的塑性和韧性大幅度降低，冷裂纹倾向明显增加[2]。公司使用的激光焊设备为楚天YAG-400激光焊机，其功率不足，焊缝的熔深只有0.3～0.5 mm，虽然激光焊的焊接应力小，但焊缝的整体承载强度小，在焊接应力的作用下产生延迟裂纹，如图2所示。

2    试验方案

根据对焊缝延迟裂纹产生机理的分析，针对电磁组件零件特点，用氩弧焊代替激光焊接，选择美国微热AWS-

200自动氩弧焊机，试验不同的焊接参数，研究不同焊接参数对焊缝质量的影响，如表2所示，从而得到最佳焊接工艺。

在试验过程中，用紫铜工装保护插座，加快插座整体散热速度，避免焊接热量烧毁插座。同时，在焊接过程中用顶针压紧工件，对焊缝施加一个压力直至完全冷却，消除一部分焊接拉应力，减少焊缝的裂纹倾向。

采用小电流的焊接参数进行试验时，试验结果如图3和图4所示，图3和图4分别对应1#和2#焊接参数，从图3可以明显看到在靠近壳体部分焊缝出现明显的沟槽裂纹，而图4未看到焊接裂纹缺陷，但壳体处的焊缝有咬边缺陷且焊缝表面不光滑。比较1#和2#焊接参数可以发现，在降低焊接速度后焊缝质量有明显改善，裂纹消失。分析认为焊接速度降低，焊缝的冷却速度变缓，焊缝中脆硬的马氏体组织析出减少，焊缝的塑性和韧性超过焊接应力产生裂纹的临界值，未出现开裂情况。

图5是按3#参数进行焊接的电磁组件，从图中可以看到，在焊接后焊缝中心位置有明显的焊接裂纹缺陷且几乎贯穿整个焊缝。和1#与2#参数相比，3#参数焊接热输入更大，焊接应力超过焊缝强度的临界值，焊縫在焊接过程中直接开裂。

图6是按4#参数进行试验的电磁组件，焊缝均匀光滑，无外观缺陷。和1#、2#、3#焊接参数相比，4#焊接参数焊接的工件焊接应力更大，但未出现焊接裂纹缺陷。在用4#参数进行焊接时，焊接热输入高，焊接热影响区大，整个工件的温度升高到一个较高的值，相当于对焊缝起到缓冷作用，焊缝的脆性相析出减少，焊缝的强度明显提升。

3    结论

（1）控制焊接热输入和焊缝的冷却速度是影响1Cr13马氏体不锈钢焊接质量的重要因素，降低焊缝冷却速度有助于提高焊缝的塑性与韧性。

（2）使用氩弧焊焊接电磁组件，在没有焊前预热和焊后热处理的情况下，通过控制焊接工艺可以加工出合格的产品。

（3）选择峰值电流60 A、基值电流32 A、焊接速度3 r/min、频率5 Hz、脉宽比40%的自动焊接参数焊接电磁组件，能够得到优良的焊接接头。

[参考文献]

[1] 杨兴华，王海鹏，陈向阳.1Cr13马氏体不锈钢小孔等离子弧打底焊工艺[J].焊接技术，2012，41（3）：56-57.

[2] 李亚江.焊接冶金学——材料焊接性[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册：第2卷：材料的焊接性[M].北京：机械工业出版社，2001.

收稿日期：2021-05-24

作者简介：董锬（1983—），男，河南新乡人，工程师，主要从事军用航空产品的质量监督工作。