薄壁超高強(qiáng)度鋼熔敷焊接導(dǎo)帶裂紋成因分析及預(yù)防

柳燕，姜華，于正偉，朱序，劉海艷，徐宇航，趙明波

(北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司, 黑龍江 齊齊哈爾 161046)

0 引言

在兵器制造業(yè)中，導(dǎo)帶是彈藥炮彈極其重要的組成部分，是炮彈能否“安全”實現(xiàn)“遠(yuǎn)”和“準(zhǔn)”作戰(zhàn)指標(biāo)的關(guān)鍵部件。傳統(tǒng)炮彈導(dǎo)帶采用機(jī)械壓帶工藝，限制了炮彈的裝藥量，同時彈體與導(dǎo)帶的機(jī)械連接易使導(dǎo)帶在發(fā)射過程中松動、脫落等，影響射擊精度。隨著武器裝備的發(fā)展，要求彈體的壁厚減薄，以增加爆炸威力，滿足這一設(shè)計要求勢必需要導(dǎo)帶槽的深度減小，因此導(dǎo)帶焊接技術(shù)引起廣泛關(guān)注與研究[1-4]。導(dǎo)帶熔敷焊接技術(shù)是目前國際上先進(jìn)的導(dǎo)帶焊接技術(shù)，其原理為：采用高頻感應(yīng)電流作為熱源，將預(yù)置在彈體相應(yīng)部位的環(huán)帶或條帶整體或局部熔化，在固態(tài)粉末保護(hù)下，使導(dǎo)帶與彈體發(fā)生冶金結(jié)合，而彈體不發(fā)生熔化[5-7](圖1)。

圖1 熔敷焊接原理圖

為確保產(chǎn)品戰(zhàn)績指標(biāo)，將產(chǎn)品設(shè)計成單邊壁厚只有3mm左右的薄壁殼體筒狀體。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計要求，導(dǎo)帶采用熔敷焊接方式。在產(chǎn)品設(shè)計定型過程中，導(dǎo)帶焊接質(zhì)量穩(wěn)定。但在產(chǎn)品生產(chǎn)階段，導(dǎo)帶焊后微觀組織分析時，發(fā)現(xiàn)銅-鋼結(jié)合界面處鋼側(cè)出現(xiàn)顯微裂紋(見圖2、圖3)。裂紋是焊縫中最危險的缺陷，導(dǎo)帶中的裂紋會導(dǎo)致炮彈在發(fā)射出膛后炮彈瞬間破碎、火炮炸膛。嚴(yán)重時會造成人員傷亡。所以需要分析其裂紋產(chǎn)生的原因，并采取有效的處理方案。

圖2 導(dǎo)帶銅鋼結(jié)合界面微觀組織合格圖片

圖3 導(dǎo)帶銅鋼結(jié)合界面裂紋圖片

1 材料及焊接工藝

彈體原材料采用D6AC(45CrNiMo1VA)鋼，導(dǎo)帶采用H90(黃銅)其成分見表1、表2。

表1 D6AC鋼的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 H90的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

焊接工藝見圖4。

圖4 焊接工藝曲線

2 導(dǎo)帶裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1 原材料成分分析

彈體原材料選用D6AC鋼，該鋼種具有硬度高、淬透性強(qiáng)、高比強(qiáng)等特點(diǎn)。因其良好的綜合力學(xué)性能，常用于火箭、導(dǎo)彈部件、重型裝備等重要零部件的生產(chǎn)，是制造薄壁殼體類零件的理想材料[8-9]。對該原材料驗收記錄進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)、力學(xué)性能、低倍組織等各項指標(biāo)均滿足要求。

導(dǎo)帶材料選用H90(黃銅)，因其具有良好的力學(xué)性能和冷熱壓力加工性能，耐腐蝕性好，而被廣泛應(yīng)用于炮彈的導(dǎo)帶生產(chǎn)。對該批生產(chǎn)階段H90黃銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)、力學(xué)性能等進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)、力學(xué)性能同樣均滿足要求。

2.2 生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)壓波動因素分析

抽取10發(fā)彈體，并進(jìn)行4次焊接實驗。實驗過程中網(wǎng)壓控制在360V～400V之間，以考核網(wǎng)壓波動是否影響焊接電流、焊接時間等工藝參數(shù)，從而影響焊接質(zhì)量(見表3)。

表3 焊接情況統(tǒng)計表

從表3中可以看出，10發(fā)導(dǎo)帶的微觀組織圖片中有7發(fā)導(dǎo)帶微觀組織圖片與標(biāo)準(zhǔn)圖片不符，3發(fā)導(dǎo)帶微觀組織圖片與標(biāo)準(zhǔn)圖片相符。從微觀組織圖片中可以看出母材(彈體)中鐵元素呈塊狀向銅層(導(dǎo)帶)中滲透，個別微觀組織圖片中，導(dǎo)帶出現(xiàn)顯微裂紋情況(見圖5、圖6)。在不同網(wǎng)壓下，焊接工藝參數(shù)：焊接能量、焊接時間均很穩(wěn)定，但焊接質(zhì)量卻出現(xiàn)很大波動，這說明網(wǎng)壓波動不是影響焊接質(zhì)量的主要原因。

圖5 鐵元素滲透圖片

圖6 裂紋圖片

2.3 彈體、導(dǎo)帶表面沾染雜質(zhì)分析

采用掃描電鏡檢測裂紋源、裂紋附近的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)裂紋源、裂紋附近S、M含量超標(biāo)(表4)，超過原材料本身含量。S元素是典型的低熔點(diǎn)夾渣物，在焊接加熱過程中容易產(chǎn)生熱裂紋等焊接缺陷，S元素過多對焊接質(zhì)量的影響是致命的。初步判斷在焊接之前彈體、導(dǎo)帶基體中有MoS2成分存在，即彈體或?qū)г诩庸み^程中可能沾染雜質(zhì)。導(dǎo)帶采用數(shù)控車床加工，車削過程中使用冷卻液，加工后再涂抹防銹油封存。常規(guī)冷卻液和防銹油對彈體表面無影響，實際生產(chǎn)中，多種冷卻液會反復(fù)使用，可能會帶入車床導(dǎo)軌使用潤滑劑(MoS2)等，導(dǎo)致彈體表面存在MoS2等雜質(zhì)。

表4 裂紋源化學(xué)元素成分

抽取10發(fā)彈體進(jìn)行實驗，5發(fā)彈體表面涂抹防銹油，使用汽油和酒精對焊接部位進(jìn)行清擦；5發(fā)彈體表面沒有涂抹防銹油，使用汽油和酒精對焊接部位進(jìn)行清擦(見表5、圖7)。

表5 彈體或?qū)д慈倦s質(zhì)驗證試驗焊接情況統(tǒng)計表

從表5中可以看出，10發(fā)導(dǎo)帶的微觀組織圖片中有6發(fā)導(dǎo)帶微觀組織圖片出現(xiàn)顯微裂紋，與標(biāo)準(zhǔn)圖片不符，4發(fā)導(dǎo)帶微觀組織圖片與標(biāo)準(zhǔn)圖片相符。從圖7可以看出銅-鋼結(jié)合界面呈現(xiàn)鋸齒狀，界面不平整，雜質(zhì)存在于界面中，在鋼一側(cè)明顯有裂紋存在。試驗結(jié)果表明：彈體或?qū)П砻嬲慈倦s質(zhì)不是銅-鋼界面產(chǎn)生裂紋的原因。

圖7 裂紋圖片

2.4 焊接區(qū)域淺表層存在微缺陷分析

為分析得出S元素存在于彈體表面的形式，將生產(chǎn)用彈體的彈尾至焊接區(qū)域加工成試塊，發(fā)現(xiàn)部分彈體距外表面100 μm區(qū)域存在疏松缺陷層(圖8、圖9)，存在缺陷層的彈體S含量超標(biāo)(S含量0.95%，原材料S含量≤0.005%)。缺陷層從彈尾部向彈頭部逐漸變窄、變淺，并消失。若缺陷層延伸至焊接區(qū)域，焊接后則出現(xiàn)微裂紋。

圖8 淺表層缺陷微觀組織I 圖9 淺表層缺陷微觀組織Ⅱ

2.5 微缺陷來源(彈體工藝過程)分析

該產(chǎn)品制造工藝流程如下：彈體沖拔—彈體粗車—彈體探傷—導(dǎo)帶焊接。

彈體毛坯采用φ160mm棒材切割下料，經(jīng)三道熱擠壓—拉拔成形，擠壓加熱溫度1 150℃，終擠溫度>850℃，形成的毛坯。

熱擠壓—拉拔成形后，毛坯存在氧化層、劇烈變形層和應(yīng)力應(yīng)變層，隨后的機(jī)械加工，需將氧化層、變形層和應(yīng)力應(yīng)變層全部加工消除，保留完好的鍛造態(tài)合金用于焊接(圖10)；同時，彈體熱擠壓一般采用石墨作為潤滑劑，而石墨中通常會加入含有增強(qiáng)性能的FeS2或MoS2。熱擠壓過程的劇烈變形，會將FeS2或MoS2帶入彈體表層或淺表層，必須將該層全部切除。若未能完全切除，將在彈體淺表層存在微裂紋、微孔洞、晶間低熔點(diǎn)夾渣物等缺陷(圖8)，在焊接加熱過程中，直接產(chǎn)生液化裂紋、擴(kuò)大原有缺陷，特別是：在表面存在硫化物的情況下，S進(jìn)入缺陷層，造成晶間和微缺陷聚集大量的低熔點(diǎn)夾雜物，在加熱過程中，微缺陷加速擴(kuò)大，成形焊接裂紋。對生產(chǎn)用彈體進(jìn)行電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)彈體經(jīng)擠壓—拉拔后，表面微觀組織存在微孔洞(圖11)。

圖10 彈體沖拔后正常微觀形貌

圖11 擠壓-拉拔后彈體(未受熱)表面形貌

3 裂紋預(yù)防措施

通過上述沖拔原理分析、金相組織分析等表明：熱擠壓—拉拔工藝造成焊接部位彈體產(chǎn)生了劇烈的變形，現(xiàn)有擠壓毛坯在焊接區(qū)域存在較為嚴(yán)重的夾雜物、微孔洞、微觀裂紋和晶間低熔點(diǎn)夾雜物。在批量生產(chǎn)過程中，必須將其有效地切削清除。

針對該產(chǎn)生缺陷原因，對產(chǎn)品沖拔料的尺寸進(jìn)行調(diào)整。增加沖拔后毛坯外徑，由φ163 mm增加到φ165 mm；增長沖拔毛坯全長，由825 mm增加至835mm。這樣在焊接前機(jī)加尺寸不變的情況下，加大車削尺寸，盡最大量消除產(chǎn)品在沖拔過程中產(chǎn)生的氧化層、劇烈變形層和應(yīng)力應(yīng)變層。其切削用量見表6。

通過焊后微觀組織圖片(圖12)可以看出，彈體、彈帶及銅-鋼結(jié)合界面組織正常，結(jié)合界面平整，沒有未熔合、晶間滲銅及成塊的鐵元素存在。

表6 沖壓彈體加工情況統(tǒng)計表 mm

圖12 沖拔工藝調(diào)整后焊接導(dǎo)帶后組織圖片

4 結(jié)語

通過對彈體和導(dǎo)帶原材料分析、導(dǎo)帶理化檢測分析，經(jīng)過對生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)壓波動、彈體和導(dǎo)帶表面沾染雜質(zhì)、彈體焊接區(qū)域淺表層微缺陷等分析排查，準(zhǔn)確找到了導(dǎo)帶產(chǎn)生裂紋的原因是彈體熱擠壓過程中FeS2或MoS2進(jìn)入彈體表層或淺表層， S含量超標(biāo)(S含量0.95%，原材料S含量≤0.005%)，焊接過程中大量S產(chǎn)生低熔點(diǎn)夾雜物，同時微缺陷加速擴(kuò)大，形成焊接裂紋。通過調(diào)整相關(guān)工藝，增加沖拔后毛坯外徑，加大車削尺寸，熔敷焊接后的導(dǎo)帶其微觀組織沒有出現(xiàn)裂紋問題。