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,飛行器先進設計技術國防重點學科實驗室,南京 ２１００１６;
２．中國航發商用航空發動機有限責任公司,上海 ２００２４１;
３．中國電子科技集團公司第五十五研究所,南京 ２１００１６)
摘 要:以３０CrMnSiA 高強鋼原始焊接接頭和一次補焊接頭為研究對象,通過拉伸試驗、疲勞試驗及顯微組織分析等方法研究了補焊對其焊接接頭力學性能的影響.結果表明:經過補焊后,３０CrMnSiA 高強鋼焊接接頭的力學性能略微降低;熱影響區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;補焊對焊縫附近的顯微組織無明顯影響.
關鍵詞:３０CrMnSiA 高強鋼;補焊;拉伸性能;疲勞性能
中圖分類號:TG４５７．１１ 文獻標志碼:A 文章編號: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 鋼是一種中碳調質鋼,具有高的強度、良好的韌性以及抗疲勞性能等,廣泛應用于飛機的起落架上[１].飛機起落架上大多數結構件在使用過程中均承受著疲勞載荷的作用,而焊接是飛機結構中常用的連接方式之一,焊接結構中７０％以上的事故是由焊接接頭的疲勞斷裂引起的[２].因此,研究焊接結構件的疲勞性能具有重要的意義.
焊接過程中難以避免會在焊縫的局部出現缺陷,為了改善存在缺陷焊接結構件的力學性能并減小損失,通常采用補焊的方法進行修復[３].補焊的成本較低且能夠保證焊接結構的完整性[４Ｇ５],而補焊后結構力學性能的變化及其能否滿足結構的性能要求是必須要研究和解決的問題.目前針對３０CrMnSiA 高強鋼焊接接頭補焊方面的研究報道并不多,因此作者對
某型飛機起落架中的３０CrMnSiA 高強鋼焊接件進行了一次補焊,對原始接頭和一次補焊接頭分別進行了拉伸和疲勞試驗,并測定了其SＧN 曲線,分析了拉伸試樣 與 疲 勞 試 樣 中 的 薄 弱 部 位,研 究 了 補 焊 對３０CrMnSiA高強鋼焊接接頭力學性能的影響.
１ 試樣制備與試驗方法
１．１ 試樣制備
試 驗 材 料 為 某 公 司 提 供 的 ２．０ mm 厚３０CrMnSiA 高強鋼板材,其化學成分如表１所示,
供貨狀態為調質態.
試樣包括不補焊的原始接頭與一次補焊接頭.按照 HB/Z５１３４－２０００,焊縫均為二級焊縫.原始接頭 的 焊 接 采 用 CO２ 氣 體 保 護 焊,焊 絲 牌 號 為H０８Mn２SiA,直徑為１．６mm;焊接時不開坡口進行直接焊接,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.補焊采用鎢極氬弧焊,焊絲牌號為 H１８CrMoA,直徑為１．６mm;采用機械加工的牌號方法先將原有焊縫剔除,焊接時不開坡口進行直接焊接;補焊的焊接電流為１１５A,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.對試樣進行焊后熱處理,采用８９０ ℃×２０min油淬和５２０℃×２h的回火熱處理.依據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對焊縫進行無損檢測.
１．２ 試驗方法
采用 MTS８１０．３型動靜萬能試驗機進行拉伸和疲勞試驗.拉伸試驗的拉伸速度為１ mm??min－１,各?。硞€試樣進行拉伸試驗.疲勞試驗的環境為室溫干態,應力比R＝０,加載頻率為２０Hz,加載波形為正弦波,疲勞極限對應的壽命值為２×１０６ 周次;疲勞試驗方法包括成組法和升降法,各?。保硞€試樣進行升降 法 試 驗,各 取 不 少 于 ４ 組 且 每 組 不 少 于５個試樣進行成組法試驗.采用 KHＧ７７００型數字顯微鏡對兩種試樣斷口處的顯微組織進行觀察.
２ 試驗結果與討論
２．１ 拉伸性能
由表２可以發現:一次補焊３０CrMnSiA 鋼焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率與原始接頭的基本相同,這說明補焊對焊接接頭的拉伸性能并無明顯的影響;除了 RW３ 試樣外,其他試 樣 均 在 熱 影 響 區(HAZ)處發生斷裂,這說明熱影響區是３０CrMnSiA鋼焊接接頭拉伸性能的薄弱部位.通過觀察 RW３試樣的斷口發現,在焊縫處存在小氣孔缺陷,從而導致其在焊縫處發生斷裂.
２．２ 疲勞性能
通過宏觀形貌觀察可以發現,所有試樣疲勞斷裂的位置均為焊趾處,這說明焊趾處是３０CrMnSiA鋼焊接接頭疲勞性能的薄弱部位.根據疲勞試驗結果,結合疲勞試驗數據,利用最小二乘法對試驗相關數據進行擬合,得到的SＧN 曲線方程如下
式中:m 與C 為材料常數;σmax為循環應力的最大應式中:m 與C 為材料常數;σmax為循環應力的最大應力值;N 為疲勞壽命值.由公式(１)可以計算出焊接接頭在２×１０６ 循環周次下的中值疲勞強度σm ,σm 、常數m 和C 的數值見表３.
由表３可知,補焊對３０CrMnSiA 高強鋼焊接接頭的疲勞強度并無明顯的影響,一次補焊接頭的疲勞強度比原始接頭的略微下降,僅降低了２％.由圖２可知:在高應力低周疲勞區,一次補焊接頭的疲勞強度高于原始接頭的;隨著循環載荷的降低,原始接頭和一次補焊接頭的疲勞強度差別逐漸減小,即在高周疲勞區,兩者的疲勞強度基本相同。
２．３ 疲勞斷口處顯微組織
由圖３可知,補焊對焊縫附近的顯微組織并無影響.通常在疲勞載荷下,粗大的晶粒更容易萌生裂紋,從而降低其疲勞強度.然而,３０CrMnSiA 高強鋼接頭經補焊后,晶粒大小并無明顯變化,因此補焊后接頭的疲勞強度同原始接頭的基本相同,從而保證了補焊后的疲勞性能.
３ 結 論
(１)３０CrMnSiA 高強鋼原始接頭的抗拉強度為１２２９．８９MPa,中值疲勞強度為３５１．５MPa;一次補焊接頭的抗拉強度為１２２３．４４ MPa,中值疲勞強度為３４４．０ MPa;經過補焊后,３０CrMnSiA 高強鋼焊接接頭的力學性能略有降低。
(２)熱影響區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)補焊對３０CrMnSiA 高強鋼焊接接頭焊縫附近的顯微組織并無影響。
（文章來源：材料與測試網-機械工程材料）