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通過(guò)金相組織觀察、靜拉伸、顯微硬度測(cè)試、常溫沖擊和斷口觀察等試驗(yàn),研究了航空超高強(qiáng)度鋼30CrMnSiNi2A TIG焊修復(fù)接頭的組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明:該鋼的TIG焊修復(fù)接頭主要可分為焊縫區(qū)、熔合線、熱影響區(qū)和母材區(qū),熱影響區(qū)可分為完全淬火粗晶區(qū)和完全淬火細(xì)晶區(qū),TIG焊修復(fù)接頭的焊縫組織為板條馬氏體和少量殘留奧氏體,熱影響區(qū)的完全淬火粗晶區(qū)組織為粗大板條馬氏體和少量貝氏體,熱影響區(qū)的完全淬火細(xì)晶區(qū)組織主要為細(xì)小針狀馬氏體和少量貝氏體;TIG焊修復(fù)接頭的抗拉強(qiáng)度30CrMnSiNi2A基體相當(dāng),伸長(zhǎng)率下降39.2%;TIG焊縫區(qū)硬度略高于基體,靠近熔合線的熱影響區(qū)硬度數(shù)值存在降低現(xiàn)象;TIG焊修復(fù)接頭的平均沖擊韌度為44.32J/cm2 ,比母材下降47.86%;TIG焊修復(fù)接頭的拉伸與沖擊斷口均呈現(xiàn)為塑性斷裂特點(diǎn)。
1 序言
30CrMnSiNi2A是航空制造業(yè)中應(yīng)用最普遍的一種低合金超高強(qiáng)度鋼,其具備比強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性好、疲勞擴(kuò)展速率低及抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn),在飛機(jī)制造中常被用來(lái)作為起落架活塞桿、高強(qiáng)度聯(lián)接螺栓、平尾大軸等關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件的主體材料[1,2] 。在飛機(jī)服役過(guò)程中,由于承受交變載荷和各種腐蝕環(huán)境影響,所以30CrMnSiNi2A鋼航空零件難免會(huì)產(chǎn)生磨損、腐蝕、掉塊和開裂等缺陷,而TIG焊是最常見的修復(fù)工藝,也是一種降低成本且能保證零件結(jié)構(gòu)完整性的重要手段。
TIG焊(Tungten Innert Gas)又稱鎢極氬弧焊或GTA焊(Gas Tungten Arc),是所有焊接方法中應(yīng)用面最廣且能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)焊接的一種方法[3] 。TIG焊修復(fù)工藝作為一種集化學(xué)冶金、不平衡傳熱和應(yīng)力變形于一體的物理化學(xué)過(guò)程[4] ,其修復(fù)接頭的性能對(duì)零件的服役可靠性有著重要影響。目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復(fù)接頭性能方面的研究比較少,因此開展該超高強(qiáng)度鋼TIG焊修復(fù)性能研究對(duì)同材質(zhì)航空零件TIG焊修復(fù)的可靠性評(píng)估具有十分重要的理論和實(shí)際意義。
本文針對(duì)30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復(fù)接頭的金相組織、拉伸性能、顯微硬度分布和沖擊韌度進(jìn)行了測(cè)試分析,并通過(guò)掃描電鏡觀察了拉伸斷口和沖擊斷口的形貌特征。
2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法
2.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料采用的是航空用30CrMnSiNi2A鋼,供貨熱處理狀態(tài)為900℃淬火+290℃回火3h+空冷,其化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)材料的尺寸為200mm×100mm×11mm,為模擬此類航空零件的TIG焊修復(fù)工藝,將試驗(yàn)材料的焊接坡口加工成如圖1所示尺寸。為最大程度地減少焊接缺陷的產(chǎn)生,首先對(duì)焊接坡口及附近區(qū)域進(jìn)行噴砂處理并采用蘸有丙酮的干凈棉布擦拭干凈,然后采用 φ3mm的H18CrMoA焊絲對(duì)坡口進(jìn)行TIG焊修復(fù),保證坡口完全被填充,在TIG焊修復(fù)前后均需要將試驗(yàn)材料放置在熱處理爐中加熱至(260±5)℃保溫2~3h,最后隨爐冷卻至室溫。
表1 30CrMnSiNi2A鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
圖1 TIG焊修復(fù)坡口尺寸
2.2 試驗(yàn)方法
為了研究TIG焊修復(fù)對(duì)30CrMnSiNi2A鋼微觀組織的影響,按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》制作金相試樣,并采用VHX-1000E光學(xué)顯微鏡觀察TIG焊修復(fù)接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)等各微區(qū)的金相組織形貌。為了測(cè)試分析TIG焊修復(fù)對(duì)30CrMnSiNi2A鋼靜強(qiáng)度與塑性的影響,依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》加工出標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣,并采用UH-FI萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)。
按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》加工出硬度檢測(cè)試樣(見圖2),并采用AMH43全自動(dòng)顯微硬度儀進(jìn)行測(cè)試,加載載荷5N,保持時(shí)間10s。
圖1 TIG焊修復(fù)坡口尺寸
為考察TIG焊修復(fù)接頭的沖擊韌度,按照GB/T229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》加工出沖擊試樣(見圖3),并在Instron9350型落錘儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)上開展常溫沖擊試驗(yàn)。
圖3 沖擊試樣尺寸
為了分析拉伸斷口和沖擊斷口的微觀形貌特征,采用Quanta200FEG場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 金相觀察試驗(yàn)
30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復(fù)接頭的形貌如圖4所示,接頭由焊縫區(qū)、熔合線、熱影響區(qū)和母材區(qū)組成。接頭微觀組織如圖5所示。焊縫中心主要為粗大等軸晶,靠近熔合線的焊縫區(qū)主要由柱狀晶構(gòu)成。這是因?yàn)槿廴诘奶畛浣饘偈紫葟娜酆暇€開始凝固,由于冷卻速度較快,過(guò)冷度較大,容易生成柱狀晶,焊縫中心凝固速度變慢且過(guò)冷度減小,更容易生成等軸晶。焊縫金屬在冷卻過(guò)程中經(jīng)歷了固態(tài)相變,首先形成奧氏體和鐵素體組織,隨著溫度進(jìn)一步下降,轉(zhuǎn)化為板條馬氏體和少量殘留奧氏體[5] 。
b)微觀形貌
a)宏觀形貌
從圖4可以看出,靠近熔合線的熱影響區(qū)依次為完全淬火過(guò)熱粗晶區(qū)和完全淬火細(xì)晶區(qū),完全淬火過(guò)熱粗晶區(qū)的放大形貌如圖5b所示,完全淬火細(xì)晶區(qū)的放大形貌如圖5c所示。由于完全淬火過(guò)熱粗晶區(qū)靠近熔合線,所以在TIG焊熱量的作用下發(fā)生過(guò)熱,奧氏體晶粒變粗大,而完全淬火細(xì)晶區(qū)最高溫度相對(duì)較低,奧氏體晶粒未變粗大,隨著焊縫的快速冷卻,熱影響區(qū)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和少量貝氏體。由于冷卻過(guò)程中晶粒尺寸未發(fā)生變化,因此完全淬火過(guò)熱粗晶區(qū)組織主要由粗大的板條馬氏體和少量貝氏體組成,而完全淬火細(xì)晶區(qū)組織主要由細(xì)小均勻的針狀馬氏體和少量貝氏體組成[6,7] 。
a)焊縫區(qū)
b)完全淬火過(guò)熱粗晶區(qū)
3.2 拉伸試驗(yàn)
按照GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)30CrMnSiNi2A鋼的母材和TIG焊修復(fù)接頭進(jìn)行常溫拉伸性能測(cè)試,結(jié)果見表2。30CrMnSiNi2A作為一種超高強(qiáng)度鋼,具備優(yōu)良的力學(xué)性能,但經(jīng)過(guò)TIG焊修復(fù)后接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能變化較大:母材的抗拉強(qiáng)度為1680.50MPa,TIG焊修復(fù)接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為1705.85MPa,比母材高1.5%,數(shù)值上與母材相當(dāng);TIG焊修復(fù)接頭的伸長(zhǎng)率平均值為5.48%,比母材下降39.11%;TIG焊修復(fù)接頭的斷面收縮率平均值為24.55%,比母材下降45.44%。由此可知,TIG焊修復(fù)接頭的強(qiáng)度與母材相當(dāng),塑性指標(biāo)下降較嚴(yán)重。這是因?yàn)門IG焊修復(fù)接頭的焊縫組織主要由塑性較差的板條馬氏體構(gòu)成,而母材組織主要由細(xì)小均勻的針狀馬氏體和貝氏體構(gòu)成,母材塑性要強(qiáng)于焊縫。同時(shí)TIG焊修復(fù)接頭均斷于熱影響區(qū),這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)相比正常的母材區(qū)和焊縫區(qū),其強(qiáng)度最低。
3.3 顯微硬度試驗(yàn)
按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》開展顯微硬度測(cè)試,TIG焊修復(fù)接頭的顯微硬度分布曲線如圖6所示。從圖6可看出,該接頭的硬度分布趨勢(shì)大體是焊縫處最高,為592HV;熱影響區(qū)最低,為458HV;遠(yuǎn)離熔合區(qū)的母材硬度平均值為562HV。這是因?yàn)樵赥IG焊修復(fù)過(guò)程中,焊縫區(qū)冷卻速度較快,生成了硬度較大的板條馬氏體和少量殘留奧氏體組織,靠近熔合線的熱影響區(qū)在焊接熱的作用下形成了完全淬火粗晶區(qū),硬度值最低;完全淬火細(xì)晶區(qū)和母材區(qū)均由晶粒細(xì)小的馬氏體組織和少量貝氏體組織構(gòu)成,硬度值較高。
圖6 TIG焊修復(fù)接頭的顯微硬度分布曲線
3.4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果與分析
按照GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復(fù)接頭與母材開展常溫沖擊試驗(yàn),TIG焊修復(fù)接頭沖擊曲線如圖7所示,沖擊性能測(cè)試結(jié)果見表3。
b)沖擊吸收能量曲線
圖7 TIG焊修復(fù)接頭沖擊曲線
表3 沖擊性能測(cè)試結(jié)果
沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明,TIG焊修復(fù)接頭的平均沖擊韌度值為44.32J/cm2,母材沖擊韌度值為85J/cm2,經(jīng)TIG焊修復(fù)后接頭的沖擊韌度降低了47.86%。由此可知,TIG焊修復(fù)接頭的耐沖擊性能相比母材下降嚴(yán)重。這是因?yàn)楹缚p金屬為鑄態(tài)組織,且組織主要由板條馬氏體和殘留奧氏體構(gòu)成,相比母材的軋制態(tài)組織,脆性增大,耐沖擊性能下降。
3.5 斷口形貌觀察試驗(yàn)
通過(guò)上述拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),TIG焊接頭的拉伸試樣均斷裂在熔合線附近的熱影響區(qū),根據(jù)金相觀察和顯微硬度測(cè)試結(jié)果,可以判斷出斷裂位置為完全淬火過(guò)熱粗晶區(qū)。該斷口的宏觀形貌如圖8a所示,掃描電鏡觀察的高倍微觀形貌如圖8b所示。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)[8-10] 可知,超高強(qiáng)度鋼材料的沖擊斷口會(huì)存在三個(gè)典型區(qū)域:放射區(qū)、纖維區(qū)和剪切唇,如圖9所示。本文采用掃描電鏡對(duì)TIG焊修復(fù)接頭沖擊斷口的底部剪切唇區(qū)域進(jìn)行了觀察,其高倍微觀形貌如圖10所示。
通過(guò)圖8b和圖10均可觀察到明顯韌窩和撕裂棱,圖8b顯示的等軸韌窩及圖10顯示的拉長(zhǎng)韌窩和等軸韌窩在沖擊斷口中均占據(jù)一定比例。通過(guò)以上斷口的微觀觀察,可以判斷出TIG焊修復(fù)接頭的拉伸斷口和沖擊斷口均呈現(xiàn)塑性斷裂特征。
4 結(jié)束語(yǔ)
1)30CrMnSiNi2A鋼TIG焊修復(fù)接頭焊縫中心為粗大等軸晶,靠近熔合線的焊縫主要為柱狀晶,靠近熔合線的熱影響區(qū)依次為完全淬火過(guò)熱粗晶區(qū)和完全淬火細(xì)晶區(qū),前者主要由粗大的板條馬氏體和少量貝氏體組成,后者主要由細(xì)小均勻的針狀馬氏體和少量貝氏體組成,該補(bǔ)焊修復(fù)接頭組織可通過(guò)低溫回火處理得到改善,進(jìn)而滿足產(chǎn)品性能要求。
3)掃描電鏡觀察結(jié)果表明,TIG焊修復(fù)接頭的拉伸斷口和沖擊斷口均存在大量韌窩和撕裂棱,呈現(xiàn)塑性斷裂特征。
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良時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件WPC自動(dòng)精密噴丸機(jī)系統(tǒng)
上海良時(shí)智能為日本三菱發(fā)動(dòng)機(jī)零部件配套廠商提供一套WPC自動(dòng)精密噴丸機(jī)及工藝流程整體系統(tǒng)解決方案。
此發(fā)動(dòng)機(jī)零件經(jīng)過(guò)WPC精密噴丸處理后,達(dá)到了工件近表層的硬度提高要求及均勻精細(xì)的表面粗糙度與覆蓋率,并通過(guò)了三菱發(fā)動(dòng)機(jī)廠商對(duì)該WPC精密噴丸處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件使用壽命的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
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上海良時(shí)智能為某公司設(shè)計(jì)制造一套全自動(dòng)臥式浸涂立式噴涂全自動(dòng)生產(chǎn)線,創(chuàng)造了長(zhǎng)12米的細(xì)長(zhǎng)型材工件噴涂雙組份油漆在同一條自動(dòng)普線體中實(shí)現(xiàn)底漆浸涂面漆噴涂的新工藝的突破。
鑒于用戶底漆面漆均采用雙組份涂料噴涂型材工件(涂料特性:固體含量相對(duì)較高,漆膜厚、易固裂等),則施工中必須確保涂料在空氣中停留時(shí)間短、一次性調(diào)漆量必須在4小時(shí)內(nèi)用完,否則涂料固化造成浪費(fèi)并污染噴涂設(shè)備。上海良時(shí)團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)制造、大膽創(chuàng)新為用戶產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了一條智能化全自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線,并聚積了以下諸多方面優(yōu)勢(shì):
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