高温合金焊接接头的强度计算“不等强”问题是怎样产生的

GH536镍基高温合金焊接接头力学性能与断裂特征研究
: 70-74&&&&DOI: 10.11868/j.issn.15.5.011
GH536镍基高温合金焊接接头力学性能与断裂特征研究
魏振伟1,2,3, 刘昌奎1,2,3, 顾玉丽1,2,3, 陶春虎1,2,3
1. 北京航空材料研究院, 北京 100095;
2. 中航工业失效分析中心, 北京 100095;
3. 航空材料检测与评价北京市重点实验室, 北京 100095
Mechanical Properties and Fracture Characteristics of Welded Joint in GH536 Ni-based Superalloy
WEI Zhen-wei1,2,3, LIU Chang-kui1,2,3, GU Yu-li1,2,3, TAO Chun-hu1,2,3
1. AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, C
2. Failure Analysis Center of Aviation Industry Corporation of China, Beijing 100095, C
3. Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China
(2442 KB) &
摘要&对GH536合金焊接接头的硬度进行测试和分析,对母材及焊接接头进行室温和500℃拉伸试验,并分析了断裂特征,分析了母材和焊接接头不同区域的断裂韧度。结果表明:热影响区硬度未见明显变化,与母材一致;从熔合线到焊缝中心,由于枝晶变细,显微硬度逐渐升高。焊接接头整体室温拉伸强度、屈服强度和断后伸长率分别为810MPa,392MPa和30%,达到了母材的99.6%,99.7%和93.8%;在500℃时,接头整体抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为678MPa,300MPa和26%,达到了母材的98.1%,96.8%和78.8%;GH536合金焊接接头具有良好的力学性能。在熔合区组织不均匀性最为严重,熔合区是GH536合金焊接接头的薄弱环节。在室温和500℃,母材及焊接接头的断裂方式均为塑性断裂。
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Abstract:Microhardness, tensile properties and fracture toughness of based metal and different zones in welded joint for GH536 obtained by gas tungsten arc welding(GTAW) were studied. The results show that hardness in HAZ is equal to BM, however, hardness becomes higher from fusion line to weld center for finer dendritic structures. The tensile strength &b、yield strength &s and elongation & at room temperature(RT) are 810MPa,392MPa and 30%, which reach 99.6%,99.7% and 93.8% of based materials',The &b,&s and & at 500℃ are 678MPa,300MPa and 26%, which reach 98.1%,96.8% and 78.8% of based materials',The welded joint of GH536 has good mechanical properties. Fusion zone is the weak link of welded joint for higher microstructure heterogeneity.Based metal and welded joint break mainly in the way of plastic rupture both at RT and 500℃.
Key words:
引用本文: &&
魏振伟, 刘昌奎, 顾玉丽, 陶春虎. GH536镍基高温合金焊接接头力学性能与断裂特征研究[J]. 航空材料学报, ): 70-74.
WEI Zhen-wei, LIU Chang-kui, GU Yu-li, TAO Chun-hu. Mechanical Properties and Fracture Characteristics of Welded Joint in GH536 Ni-based Superalloy. Journal of Aeronautical Materials, ): 70-74.
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镍及镍合金的焊接工艺(上)镍及镍合金焊接可以采用手工电弧焊、氩弧焊(TIG、MIG)、埋弧焊、等离子弧焊、电子束焊等。这些焊接方法的适用范围见表1。1. 手工电弧焊手工电弧焊主要用来焊接纯镍和固溶强化镍基耐蚀合金,而镍基高温合金很少用手工电弧焊进行焊接。表1 适用于镍及镍合金的焊接方法(1) 接头形式厚度小于2.4mm的镍合金板对接不需开坡口;厚度大于2.4mm时,对接需采用V、U或J形坡口。应防止出现不稳定的熔透,避免产生未熔合、裂纹和气孔。角接和搭接接头不能用于高应力的工作条件下,特别不宜用于高温下或有温度循环的工况。采用角接接头时,焊根应焊透;搭接接头则需采用两面焊缝。 (2)焊条多数情况下,应选用化学成分与母材类似的焊条。为了稳定电弧,保护熔池免受大气中O和N的污染,焊条药皮常添加Ti、Mn和Nb做脱氧剂。常用镍及镍合金焊条的成分、性能和用途见表2。表2 镍及镍合金焊条的成分、性能和用途(3) 焊接工艺要点为防止镍及镍合金焊接热裂纹,应采用小电流快速焊。如果焊接电流过大,会导致电弧不稳、飞溅大,焊条过热或药皮脱落。镍及镍合金手工电弧焊的焊接电流见表3。尽量采用平焊位置,焊接过程应始终保持短弧。当焊接位置必须是立焊和仰焊时,应采用较细的焊条,电弧应更短,以便很好地控制熔化的焊缝金属。液态镍合金的流动性较差,为防止产生未熔合、气孔等缺陷,一般要求在焊接过程中适当摆动焊条,摆动的幅度不能大于焊条直径的2倍。表3 镍及镍合金手工电弧焊的焊接电流焊接时控制层间温度小于100℃,允许采用强制冷却。必要时可采用引弧板和引出板。断弧时要稍微降低电弧高度,并增大焊接速度以减小熔池尺寸。连接焊缝再引弧时应采用反向引弧技术,以利于调整接缝处的成形,抑制气孔产生。焊接应变时效敏感的镍合金,焊前应先进行退火处理。2.气体保护焊(1) 钨极氩弧焊(TIG)固溶强化镍合金TIG焊具有良好的焊接性,采取较小的焊接热输入和稳定的电弧,可避免结晶裂纹,获得良好的接头。沉淀强化型镍合金采用TIG焊时,焊接性较差,须要求合金在固溶状态下进行焊接;接头设计和焊接顺序要合理,使焊接件具有较小的拘束度;焊接时,采用较小的焊接电流,改善焊接熔池结晶状态,避免形成热裂纹。镍合金TIG焊熔深较小,不足碳钢的一半,为奥氏体不锈钢的2/3左右,因此接头设计时,应加大坡口、减小钝边高度和适当加大根部间隙,在操作中应注意防止未焊透和根部缺陷。1) 焊接材料选用与母材化学成分相同或相近的焊丝,以获得与母材性能相近的接头。但为补偿烧损和抑制热裂纹,应适当添加一些合金元素。为防止气孔,应选用含Al、Ti、Nb、Mn等脱氧元素的焊丝。保护气体可采用Ar、He或Ar+He混合气体。氩气成本低、密度大,保护效果好,是常用的保护气体。氩气的纯度应符合一级氩气的要求。氩气中可加入小于5%的氢气,焊接过程中有还原作用,但只用于第一层焊道或单道焊的焊接,否则会产生气孔。一般选用铈钨极,钨极直径根据焊接电流选定,并加工成锥形。2) 焊接工艺要点焊前彻底清除焊接部位和焊丝表面上的氧化物、油污等,并保持清洁。定位焊在夹具上进行,以保证装配质量。为使焊接区快速冷却,常采用激冷块和垫板。垫板开有适宜尺寸的成形槽。成形槽一般为弧形,槽内有均匀分布的通入保护气体的小孔,以保证焊缝背面成形良好。激冷块和垫板用纯铜制成。焊缝两端可预装能拆除的引弧和收弧板,其材料牌号和母材相同,以避免引弧和收弧缺陷。焊接时采用高频引弧,焊接电流可控制递增和衰减。在保证焊透的条件下,应采用较小的焊接热输入。多层焊时,应控制层间温度。焊接时效强化及热裂敏感性大的镍合金时,应严格限制焊接热输入,保证电弧稳定燃烧,焊枪保持在接近垂直位置。弧长尽量短,不加焊丝时,弧长小于1.5mm;加焊丝时,弧长与焊丝直径相近。薄件焊接时,焊枪不作摆动。多层焊时,为使熔敷金属与母材和前焊道充分熔合,焊枪可作适当摆动。纯镍手工TIG焊的工艺参数见表4。镍合金手工TIG焊的工艺参数见表5。表4 纯镍手工TIG焊的工艺参数表5 镍合金手工TIG焊的工艺参数镍合金薄板焊前不需预热,厚板因拘束度大,焊前可适当预热,焊后应及时进行消应力处理,以防止裂纹。铸造镍合金焊接性差,一般不采用TIG焊。镍合金如需要与其他合金焊接时,除应防止焊缝产生热裂纹外,还应防止热影响区产生液化裂纹。焊接时应采用很小的焊接热输入,熔敷金属尽量少、熔深尽量浅,焊前预热,焊后应立即进行消应力热处理。3) 焊接缺陷及防止除了烧穿、未熔合和焊瘤、咬边外,最容易产生、危害最大的缺陷是裂纹。防止裂纹方法有:合理设计焊接接头和安排焊接次序,减小结构的拘束度;选用抗裂性优良的焊丝;采用小的焊接电流,减小焊接热输入;填满收弧弧坑,防止弧坑裂纹。气孔和夹杂也是TIG焊镍合金易产生的缺陷。防止方法有:焊前对焊件和焊丝仔细清理,最好采用化学清理方法;保持铜垫板的清洁;焊接时应保持稳定的焊接电压电弧;注意钨极直径与焊接电流相适应,防止焊接时钨极与熔池接触,造成钨夹杂。4) 接头组织及力学性能镍合金TIG焊接头在固溶和焊态下的组织为单相奥氏体和少量碳、氮化钛质点。焊缝金属为铸造组织,边缘为联生结晶,中心处为等轴晶。时效强化合金经固溶和时效处理后为单相奥氏体和残余奥氏体及少量碳化物相,焊缝金属的枝状晶部分消失。镍合金TIG焊接头的力学性能较高,接头强度系数(Kσ)达90%。接头的抗氧化性和热疲劳性能与母材接近。镍基高温合金TIG焊接头的力学性能见表6。表6 镍基高温合金TIG焊接头的力学性能注:①Kσ是接头强度系数,指接头强度与母材强度之比; ② t是指持久强度的测试条件。(2) 熔化极氩弧焊(MIG)固溶强化型镍合金可用熔化极氩弧焊进行焊接,高Al、Ti含量的沉淀强化型镍合金和铸造镍合金因裂纹敏感性较大,不推荐采用MIG焊方法。1) 焊接材料选用焊丝选用与TIG焊相同。直径小于1.2mm的焊丝一般采用短路过渡,直径为1.2mm和1.6mm的焊丝采用滴状过渡或喷射过渡。 保护气体可用纯Ar或(Ar+He)混合气体,滴状过渡一般采用纯Ar保护,而喷射过渡和短路过渡采用(Ar+He)混合气体。气体流量大小取决于接头形式、熔滴过渡形式和焊接位置,一般控制在15~25L/min范围。为减少飞溅和提高液态金属的流动性,推荐采用Ar气中加入15%~20%He的混合气体。2) 焊接工艺用MIG焊镍及镍合金时,要求坡口角度大,钝边小,根部间隙大。如带衬垫(环)的V形坡口,坡口角度80?~90?,根部间隙4~5mm。U形对接坡口,底部R=5~8mm,坡口向外扩3~3.5mm,钝边2.2~2.5mm。焊前清理同TIG焊,焊接工艺参数见表7。焊接过程中,应保持焊丝与焊缝成90?角,以获得良好的保护和焊缝成形。焊接时应适当控制电弧长度,以减小飞溅。为防止未熔合和咬边,焊丝摆动于两端时可短时停留。采用适当的焊接工艺接头强度系数可达90%以上。表7 镍合金MIG焊的工艺参数3.埋弧焊埋弧焊(SAW)熔敷效率高,焊缝成形好,适用于固溶强化镍合金的焊接。由于较高的焊接热输入和较慢的冷却速度,易使焊缝韧性下降,加上焊剂反应引起成分的变化易降低焊缝金属的耐蚀性,因此不推荐焊接厚板的Ni-Mo合金。(1) 接头形式 镍及镍合金薄板(厚度5~6mm)对接接头一般不开坡口。大厚度的镍及镍合金一般需要开V形或U形坡口。在接头边缘充分熔化焊接时,应使用铜垫板或焊剂垫。 (2) 焊丝和焊剂镍及镍合金埋弧焊焊丝与TIG焊相同。由于通过焊剂添加部分合金元素,因此焊缝化学成分稍有不同。镍及镍合金焊接可采用碱性(低硅型)或无氧高氟焊剂进行埋弧自动焊。常用的焊剂与焊丝的匹配见表8。 表8 常用的镍合金埋弧焊焊剂与配用焊丝的应用特点(3) 焊接工艺埋弧焊可采用直流正接和直流反接法,对于带有坡口的焊缝,优先选用直流反接,以获得较平的焊缝和较深的熔池。直流正接常用于表面堆焊,以获得较高的熔敷率。焊接电压30~40V时,应采用中等长度电弧进行焊接。为了避免接头金属过热使晶粒粗化,应采用小截面的焊缝。因为镍焊丝的电阻大,和钢焊丝比较,它的伸出长度应减小1/3~1/2。镍合金埋弧焊的工艺参数见表9。表9 镍合金埋弧焊的工艺参数多层焊时应注意层间的夹渣。一般要求选用合理的接头形式,工艺上合理布置焊道的排列,先焊的焊道要给后一道留有合适的坡口角度和根部宽度。控制焊接电压和焊接速度,使焊道形状以稍凸为好。镍基耐蚀合金堆焊时常采用埋弧堆焊,采用直流正接,以改善电弧的稳定性,减少稀释率。焊接过程中焊丝不断进行匀速直线式摆动,摆动宽度以获得合适的稀释率为宜。在钢上埋弧堆焊镍基耐蚀合金的工艺参数见表10。表10 在钢上埋弧堆焊镍基耐蚀合金的工艺参数4.钎焊与扩散焊(1) 钎焊镍合金(包括熔焊焊接性较差的铸造镍合金)可采用钎焊方法进行焊接。钎焊不但可以焊接结构简单的焊件,也可以焊接结构复杂的焊件。镍合金中含有较多的Cr、Al、Ti等活性元素,在合金表面形成稳定的氧化膜,会影响钎料的润湿和填缝能力。因此去除氧化膜和防止高温下合金再氧化成为镍合金钎焊的首要问题;另外,钎料中含有Cr等活性元素,呈液态的钎料更要求防止氧化,因此镍合金一般采用真空钎焊和保护气氛炉中钎焊。1) 钎料钎料的选择,首先应考虑钎焊部位的工作条件及要求,如使用温度、工作介质、承受应力等等;第二应考虑母材的特性和热处理的要求;第三应考虑接头形式、焊接部位厚度、装配间隙、焊后加工处理等因素。①镍基钎料 镍基钎料是在镍基中加入Cr、Mn、Co形成固溶体,加入B、Si、P、C形成共晶元素,以控制钎料的热强性,提高钎料的高温强度,还可以提高钎料在高温合金中的润湿能力。镍基钎料具有良好的抗氧化性、耐腐蚀和热强性能,并具有较好的钎焊工艺性能,经钎焊热循环不会产生开裂,适用于镍基高温合金部件的钎焊。常用镍基钎料的化学成分及钎焊温度见表11。镍基钎料的适用范围见表12。表11 常用镍基钎料的化学成分及钎焊温度表12 镍基钎料的适用范围注:①A最好;B满意;C不大满意;X不适用。 ②从1最高到5最低。镍基钎料中含有较多的B、Si或P元素,会形成较多的硼化物、硅化物和磷化物脆性相,使钎料变形能力较差,不能制成丝或箔材,通常以粉状供应,使用时要用粘接剂调成膏状涂于焊接处。但用粘接方法装置钎料,即不方便又不易控制钎料加入量。也可采用非晶态工艺制成的箔状钎料或粘带钎料。非晶态镍基箔状钎料带宽20~100mm、厚度0.025~0.05mm,带材具有柔韧性、可冲剪成形,使用量容易控制、装配也方便。粘带镍基钎料是由粉状镍基钎料和高分子粘接剂混合经轧制而成。粘带钎料宽度为50~100mm、厚度0.1~1.0mm。粘带钎料中的粘接剂在钎焊后不留残渣,不影响钎焊质量。它可以控制钎料用量和均匀地加入,适用于焊接面积大和结构复杂的焊件。②铜基和银基钎料 铜基和银基钎料的化学成分和主要性能见表13。铜基和银基钎料可用于工作温度200~400℃、受力很小的镍基固溶合金结构件的钎焊。③其他钎料 金基钎料适用于钎焊各类镍合金。这类合金具有优异的钎焊工艺、塑性、抗氧化性和抗腐蚀性,高温性能较好,与母材作用弱等优点,在航空、航天和电子工业得到广泛的应用。典型的金基钎料有BAu80Cu和BAu82Ni,化学成分和性能见表13。但这类钎料中含有较多的贵金属,价格昂贵。表13 钎焊镍合金用铜基、银基、金基、锰基钎料的化学成分及性能锰基钎料可用于在600℃下工作的高温合金构件。这类钎料塑性良好,可制成各种形状,与母材作用弱,但抗氧化性较低。锰基钎料主要采用保护气体钎焊,不适用于火焰钎焊和真空钎焊。常用锰基钎料的化学成分和性能见表13。含钯钎料主要有Ag-Cu-Pd、Ag-Pd-Mn和Ni-Mn-Pd等系钎料,化学成分和性能见表13。这类钎料具有良好的钎焊工艺性。Ag-Cu-Pd钎料的综合性能最好,但钎焊镍合金接头的工作温度较低(不高于427℃)。虽然Ni-Mn-Pd系钎料的熔点较低,但接头高温性能好,可在800℃下工作。2) 接头设计为提高镍合金钎缝的强度,推荐采用搭接接头,通过调整搭接长度增大接触面积。搭接接头的装配要求也相对比较简单,便于生产。搭接长度一般为组成接头中薄件厚度的3倍,对于700℃以下工作的接头,搭接长度可增大到薄件厚度的5倍。接头的装配间隙对钎焊质量和接头强度有影响。间隙过大时,会破坏钎料的毛细作用,钎料不能填满接头间隙,钎缝中存在较多硼、硅脆性共晶组织,还可能出现硼对母材晶界渗入和熔蚀问题。钎焊接头的间隙一般为 0.02~0.15mm。3) 焊前清理及钎焊工艺焊前应彻底清除焊件和钎料表面上的氧化物、油污等,并在储运和装配、定位等工序中保持清洁。可采用化学法清除氧化物,用超声波清除污物。焊件应精密装配,保证装配间隙,控制钎料加入量,并用适当的定位方法保持焊件和钎料的相对位置。钎焊温度一般应高于钎料液相线30~50℃。某些流动性差的钎料其钎焊温度需要比液相线温度高出100℃。适当提高钎焊温度,可降低钎料的表面张力,改善润湿性和填充能力。但钎焊温度过高,会造成钎料流失,还可能导致因为钎料与母材的作用过分而引起熔蚀,晶界渗入,形成脆性相,以及母材晶粒长大等。保温时间取决于母材特性、钎焊温度以及装炉质量等因素。保温时间过长,也会出现与钎焊温度过高类似的问题。确定镍合金钎焊工艺参数时,还应考虑母材的热处理。对于镍基高温合金焊件,由于在高温条件下,有时要承受大的应力,为适应这种使用条件,提高钎缝组织的稳定性和重熔温度、增强接头强度,往往在钎焊后进行扩散处理。4) 接头缺陷及防止钎焊接头中的缺陷主要有未焊透、熔蚀和气孔。未焊透对气密性要求严格的接头是不允许的缺陷,因此应避免。消除未焊透提高钎着率的方法有:正确设计钎焊接头各参数,特别是钎缝面积大时,应设计有排气沟槽;加强焊前处理,使钎料能很好的在母材上铺展和填充;调整钎焊工艺参数,使钎料流满钎缝。当钎料选择不合适或钎焊工艺参数不当时,易引起钎料过渡溶解母材而形成熔蚀,尤其在钎焊薄件时容易产生。防止方法是:选择含硼、碳元素低的钎料;限制钎焊温度最高值和保温时间。大间隙钎焊时经常出现缩孔缺陷。当缩孔较小时,对接头性能影响不大,但连续的较大面积的缺陷应避免。可通过调整装配间隙,适当提高钎焊温度和控制冷却速度消除缩孔。5) 接头组织与力学性能镍合金钎焊接头组织及性能与母材化学成分、钎料、钎缝间隙、钎焊工艺参数和焊后处理等有关。采用硅、硼含量较高的镍基钎料时,会引起钎料和母材发生作用而导致熔蚀和钎料元素沿母材晶界渗入现象,并且这两种现象随钎焊温度升高和保温时间而加剧,其中钎焊温度影响较大。防止熔蚀和晶界渗入的措施是选用硅、硼含量较低的钎料和在保证钎焊正常进行的情况下,采用较低的钎焊温度和较短的保温时间。选用适当的钎料和钎焊工艺,可获得性能较好的钎焊接头。几种镍基高温合金钎焊接头的力学性能见表14。表14 镍基高温合金钎焊接头的力学性能 (2) 扩散焊扩散焊几乎可以焊接各类镍及镍合金。镍合金中含有Cr、Al等元素,表面氧化膜很稳定,难以去除,焊前必须严格加工和清理,甚至要求表面镀层后才能进行扩散焊。镍合金的热强性高,变形困难,同时又对过热敏感,因此必须严格控制焊接参数。扩散焊的主要工艺参数是焊接温度、焊接压力和保温时间。镍合金扩散焊时,需要较高的温度和压力,加热温度约为0.8~0.85Tm(Tm为合金的熔化温度)。焊接压力通常为略低于相应温度下合金的屈服应力。焊接压力越大,界面变形越大,粗糙度降低,有效接触面积增大,接头结合性能越好;但焊接压力过高,会使设备结构复杂,造价昂贵。焊接温度较高时,接头性能提高,但过高会引起晶粒长大,塑性降低。几种高温合金扩散焊的工艺参数见表15。表15几种镍基高温合金扩散焊的工艺参数扩散焊Al、Ti含量较高的镍合金时,由于结合面上会形成Ti(C,N)、NiTiO3沉淀物,造成接头性能降低,若加入较薄的Ni-35%Co中间层合金,可以获得组织均匀的接头,降低工艺参数变化对接头质量的影响。
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