張舉麟１,２,張華松３,李波濤１,童明波１

(１．南京航空航天大學(xué),飛行器先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,南京 ２１００１６;

２．中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司,上海 ２００２４１;

３．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所,南京 ２１００１６)

    摘 要:以３０CrMnSiA 高強(qiáng)鋼原始焊接接頭和一次補(bǔ)焊接頭為研究對(duì)象,通過(guò)拉伸試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)及顯微組織分析等方法研究了補(bǔ)焊對(duì)其焊接接頭力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊后,３０CrMnSiA 高強(qiáng)鋼焊接接頭的力學(xué)性能略微降低;熱影響區(qū)是接頭拉伸性能的薄弱部位,而焊趾處是接頭疲勞性能的薄弱部位;補(bǔ)焊對(duì)焊縫附近的顯微組織無(wú)明顯影響.

    關(guān)鍵詞:３０CrMnSiA 高強(qiáng)鋼;補(bǔ)焊;拉伸性能;疲勞性能

中圖分類(lèi)號(hào):TG４５７．１１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１７)０９Ｇ００８５Ｇ０３

InfluenceofRepairWeldingonMechanicalPropertiesof３０CrMnSiA

HighStrengthSteelWeldedJoint

ZHANGJulin１,２,ZHANGHuasong

３,LIBotao１,TONG Mingbo１

(１．MinisterialKeyDisciplineLaboratoryofAdvancedDesignTechnologyofAircraft,NanjingUniversityof

AeronauticsandAstronautics,Nanjing２１００１６,China;２．AECCCommercialAircraftEngineCo．,Ltd．,

Shanghai２００２４１,China;３．ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporationNo．５５Institute,Nanjing２１００１６,China)

Abstract:UsingoriginalweldedjointandonceＧrepairweldedjointof３０CrMnSiA highstrengthsteelas

researchobjects,theinfluenceofrepairweldingonmechanicalpropertiesoftheweldedjointwasstudiedbytensile

test,fatiguetestandmicrostructureanalysis．Theresultsshowthatthemechanicalpropertiesoftheweldedjoint

wereslightlydegradedafterrepairwelding．Theweakpartoftheweldedjointintensilepropertywasheataffected

zonewhilethatinfatigueperformancewasweldingtoe．Therepairweldinghadlittleinfluenceonthemicrostructure

aroundtheweldingseam．

Keywords:３０CrMnSiAhighstrengthsteel;repairwelding;tensileperformance;fatigueperformance

０ 引 言

    ３０CrMnSiA 鋼是一種中碳調(diào)質(zhì)鋼,具有高的強(qiáng)度、良好的韌性以及抗疲勞性能等,廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的起落架上[１].飛機(jī)起落架上大多數(shù)結(jié)構(gòu)件在使用過(guò)程中均承受著疲勞載荷的作用,而焊接是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的連接方式之一,焊接結(jié)構(gòu)中７０％以上的事故是由焊接接頭的疲勞斷裂引起的[２].因此,研究焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞性能具有重要的意義.

    焊接過(guò)程中難以避免會(huì)在焊縫的局部出現(xiàn)缺陷,為了改善存在缺陷焊接結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能并減小損失,通常采用補(bǔ)焊的方法進(jìn)行修復(fù)[３].補(bǔ)焊的成本較低且能夠保證焊接結(jié)構(gòu)的完整性[４Ｇ５],而補(bǔ)焊后結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化及其能否滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的性能要求是必須要研究和解決的問(wèn)題.目前針對(duì)３０CrMnSiA 高強(qiáng)鋼焊接接頭補(bǔ)焊方面的研究報(bào)道并不多,因此作者對(duì)

    某型飛機(jī)起落架中的３０CrMnSiA 高強(qiáng)鋼焊接件進(jìn)行了一次補(bǔ)焊,對(duì)原始接頭和一次補(bǔ)焊接頭分別進(jìn)行了拉伸和疲勞試驗(yàn),并測(cè)定了其SＧN 曲線(xiàn),分析了拉伸試樣 與 疲 勞 試 樣 中 的 薄 弱 部 位,研 究 了 補(bǔ) 焊 對(duì)３０CrMnSiA高強(qiáng)鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１ 試樣制備

    試 驗(yàn) 材 料 為 某 公 司 提 供 的 ２．０ mm 厚３０CrMnSiA 高強(qiáng)鋼板材,其化學(xué)成分如表１所示,

供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài).

    試樣包括不補(bǔ)焊的原始接頭與一次補(bǔ)焊接頭.按照 HB/Z５１３４－２０００,焊縫均為二級(jí)焊縫.原始接頭 的 焊 接 采 用 CO２ 氣 體 保 護(hù) 焊,焊 絲 牌 號(hào) 為H０８Mn２SiA,直徑為１．６mm;焊接時(shí)不開(kāi)坡口進(jìn)行直接焊接,單面一次焊透;焊接電流為６８~７０A,焊接電壓 為 １７．２~１７．５ V,氣 體 流 量 為 １０~１１L??min－１,焊接速度為３５~４５cm??min－１.補(bǔ)焊采用鎢極氬弧焊,焊絲牌號(hào)為 H１８CrMoA,直徑為１．６mm;采用機(jī)械加工的牌號(hào)方法先將原有焊縫剔除,焊接時(shí)不開(kāi)坡口進(jìn)行直接焊接;補(bǔ)焊的焊接電流為１１５A(chǔ),焊接電壓為１０~１１V,氬氣流量為６~１０L??min－１,焊接速度為０．８mm??s－１.對(duì)試樣進(jìn)行焊后熱處理,采用８９０ ℃×２０min油淬和５２０℃×２h的回火熱處理.依據(jù)ISO４１３６－２００１與 HB５２８７－１９９６,拉伸試樣與疲勞試樣的形狀與尺寸相同,均如圖１所示.試樣焊縫保留余高,余

    高的尺寸范圍為０．５~１．０mm.按照 HB５１３５－２０００對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè).

１．２ 試驗(yàn)方法

    采用 MTS８１０．３型動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸和疲勞試驗(yàn).拉伸試驗(yàn)的拉伸速度為１ mm??min－１,各取３個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn).疲勞試驗(yàn)的環(huán)境為室溫干態(tài),應(yīng)力比R＝０,加載頻率為２０Hz,加載波形為正弦波,疲勞極限對(duì)應(yīng)的壽命值為２×１０６ 周次;疲勞試驗(yàn)方法包括成組法和升降法,各?。保硞€(gè)試樣進(jìn)行升降 法 試 驗(yàn),各 取 不 少 于 ４ 組 且 每 組 不 少 于５個(gè)試樣進(jìn)行成組法試驗(yàn).采用 KHＧ７７００型數(shù)字顯微鏡對(duì)兩種試樣斷口處的顯微組織進(jìn)行觀(guān)察.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 拉伸性能

    由表２可以發(fā)現(xiàn):一次補(bǔ)焊３０CrMnSiA 鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率與原始接頭的基本相同,這說(shuō)明補(bǔ)焊對(duì)焊接接頭的拉伸性能并無(wú)明顯的影響;除了 RW３ 試樣外,其他試 樣 均 在 熱 影 響 區(qū)(HAZ)處發(fā)生斷裂,這說(shuō)明熱影響區(qū)是３０CrMnSiA鋼焊接接頭拉伸性能的薄弱部位.通過(guò)觀(guān)察 RW３試樣的斷口發(fā)現(xiàn),在焊縫處存在小氣孔缺陷,從而導(dǎo)致其在焊縫處發(fā)生斷裂.

２．２ 疲勞性能

    通過(guò)宏觀(guān)形貌觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn),所有試樣疲勞斷裂的位置均為焊趾處,這說(shuō)明焊趾處是３０CrMnSiA鋼焊接接頭疲勞性能的薄弱部位.根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù),利用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到的SＧN 曲線(xiàn)方程如下

    式中:m 與C 為材料常數(shù);σmax為循環(huán)應(yīng)力的最大應(yīng)式中:m 與C 為材料常數(shù);σmax為循環(huán)應(yīng)力的最大應(yīng)力值;N 為疲勞壽命值.由公式(１)可以計(jì)算出焊接接頭在２×１０６ 循環(huán)周次下的中值疲勞強(qiáng)度σm ,σm 、常數(shù)m 和C 的數(shù)值見(jiàn)表３.

    由表３可知,補(bǔ)焊對(duì)３０CrMnSiA 高強(qiáng)鋼焊接接頭的疲勞強(qiáng)度并無(wú)明顯的影響,一次補(bǔ)焊接頭的疲勞強(qiáng)度比原始接頭的略微下降,僅降低了２％.由圖２可知:在高應(yīng)力低周疲勞區(qū),一次補(bǔ)焊接頭的疲勞強(qiáng)度高于原始接頭的;隨著循環(huán)載荷的降低,原始接頭和一次補(bǔ)焊接頭的疲勞強(qiáng)度差別逐漸減小,即在高周疲勞區(qū),兩者的疲勞強(qiáng)度基本相同。

２．３ 疲勞斷口處顯微組織

    由圖３可知,補(bǔ)焊對(duì)焊縫附近的顯微組織并無(wú)影響.通常在疲勞載荷下,粗大的晶粒更容易萌生裂紋,從而降低其疲勞強(qiáng)度.然而,３０CrMnSiA 高強(qiáng)鋼接頭經(jīng)補(bǔ)焊后,晶粒大小并無(wú)明顯變化,因此補(bǔ)焊后接頭的疲勞強(qiáng)度同原始接頭的基本相同,從而保證了補(bǔ)焊后的疲勞性能.

３ 結(jié) 論

    (１)３０CrMnSiA 高強(qiáng)鋼原始接頭的抗拉強(qiáng)度為１２２９．８９MPa,中值疲勞強(qiáng)度為３５１．５MPa;一次補(bǔ)焊接頭的抗拉強(qiáng)度為１２２３．４４ MPa,中值疲勞強(qiáng)度為３４４．０ MPa;經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊后,３０CrMnSiA 高強(qiáng)鋼焊接接頭的力學(xué)性能略有降低。

    (２)熱影響區(qū)是焊接接頭拉伸性能的薄弱部位,而焊趾處是焊接接頭疲勞性能的薄弱部位。

    (３)補(bǔ)焊對(duì)３０CrMnSiA 高強(qiáng)鋼焊接接頭焊縫附近的顯微組織并無(wú)影響。

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械工程材料）