GH4698高温合金焊接工艺.docx

26 工 艺 与 新 技 术 焊 接 技 术第 41 卷 第 8 期 2012 年 8 月文 章 编 号 ：1002025x(2012)08-0026-03gh4698 高 温 合 金 焊 接 工 艺张学军 1， 何剑雄 2， 李艳 1， 张裕强 2（1.北京航空材料研究院 ， 北 京 100095； 2.国营四达机械制造公司 ， 陕 西 西 安 712201）摘 要 ： 为 解 决 ni 基 高 温 合 金 gh4698 合 金 承 力 环 的 焊 接 修 复 问 题 ， 本 文 研 究 了 该 合 金 的 氩 弧 焊 接 （tig） 工 艺 ， 获 得 了 质 量 良 好 的 焊接 接 头 。 研 究 结 果 表 明 ， 选 用 hgh533 焊 丝 ， 并 在 强 制 水 冷 条 件 下 焊 接 ， gh4968 合 金 具 有 较 高 的 焊 接 裂 纹 抗 力 ； 焊 后 经 775 16 h 热 处 理 ， 接 头 室 温 拉 伸 强 度 与 基 体 接 近 ， 高 温 拉 伸 强 度 则 达 到 基 体 的 92%， 焊 缝 维 氏 （hv） 硬 度 也 与 基 体 的 接 近 ， 且 焊 后 热 处 理 对 基 体 无 不 利 影 响 。 在 研 究 基 础 上 ， 成 功 地 实 现 了 gh4698 合 金 承 力 环 的 焊 接 修 复 。关 键 词 ： gh4698 合 金 ； 焊 接 工 艺 ； 组 织 ； 性 能中 图 分 类 号 ： tg444.74文 献 标 志 码 ： b从 承 力 环 上 切 取 试 板 ， 试 板 尺 寸 为 200 mm50mm5 mm， 开 双 v 形 坡 口 ， 并 采 用 手 工 tig 双 面 对 接 焊 。 焊 后 经 775 16 h 热 处 理 ， 去 除 焊 缝 余 高 后， 垂直 于焊接方向 切取拉伸 试样 。采 用 tig 机 器 人 进 行 承 力 环 焊 接 修 复 ， 焊 缝 为 环 形 。 为 确 保 焊 接 修 复 尺 寸 、 减 少 焊 后 机 械 加 工 量 ， 同 时 尽 量 减 小 焊 接 热 输 入 对 基 体 的 影 响 ， 并 防 止 热 影 响 区 产 生 裂 纹 ， 特 设 计 专 用 工 装 对 待 修 复 承 力 环 进 行 强 制 水 冷 和 强 制 焊 缝 成 形 ， 并 适 当 预 调 整 修 复 后 尺 寸 和 实 现 焊 接 过 程 中 对 承 力 环 的 刚 性 固 定 。 为 测 试 修 复 焊 缝 的 抗 裂 性 ， 对 焊 缝 分 别 进 行 重 熔 一 次 、 重熔两 次试验 ， 焊 后也需经 775 16 h 的 热处理 。对 焊 缝 进 行 x 射 线 探 伤 ； 测 试 焊 态 和 热 处 理 状 态 下 承 力 环 基 体 和 双 v 形 对 接 接 头 拉 伸 性 能 ； 测 试 修 复 焊 缝 的 维 氏 （hv） 硬 度 ； 并 采 用 光 学 显 微 镜 、扫描电 镜观察 、 分析 接头显微组 织 。0引言gh4698 合 金 是 ni 基 高 温 合 金 ， 在 航 空 领 域 常 用 作 发 动 机 承 力 件 ， 已 成 熟 应 用 多 年 。 但 由 于 其 以 al， ti 沉 淀 强 化 ， 且 al， ti 含 量 超 过 4% ， 理 论 上 认 为 焊 接 过 程 中 易 产 生 凝 固 裂 纹 和 液 化 裂 纹 ， 焊 后 易 产 生 应 变 时 效 裂 纹 ， 因 此 ， 基 本 未 开 展 过 对 其 焊 接性 及 焊 接 工 艺 的 研 究 1-2。 但 由 于 某 发 动 机 大 修 急 需 解 决 该 合 金 承 力 环 件 的 焊 接 修 复 ， 故 本 院 与 国 营 四 达 机 械 制 造 公 司 合 作 开 展 了 对 该 合 金 焊 接 性 及 焊 接 工 艺 的 研 究 ， 分 析 了 接 头 组 织 ， 测 试 了 接 头 性 能 ，评 估 了 该 承 力 环 焊 接 修 复 的 可 行 性 ， 最 终 实 现 了 该承 力 环 的 焊 接 修 复 ， 并 成 功 通 过 长 试 ，从而 节省了大量 资金 。装 机 服 役 ，1试验材料及方法试 验 用 材 料 为 该 承 力 环 报 废 件 ，材 料 牌 号 为gh4698 钢。 综 合 考 虑 焊 接 接 头 的 抗 裂 性 和 力 学 性 能要 求 ， 选 择 hgh533 焊 丝 ， 焊 丝 直 径 为 1.2 mm。gh4698a 合金 和 hgh533 焊丝的 化学成分见 表 1。表 1 gh4698 合 金 和 hgh533 焊 丝 化 学 成 分 （质 量 分 数 ） （%）2试验结果及分析21接头组织由 于 gh4698 合 金 中 的 铝 、 钛 含 量 超 过 4%， 属 比 较 难 焊 的 合 金 ， 一 般 认 为 在 焊 接 过 程 中 易 产 生 凝 固 裂 纹 和 液 化 裂 纹 ， 焊 后 热 处 理 过 程 中 易 产 生 应 变时 效 裂 纹 。 为 防 止 上 述 裂 纹 产 生 ， 焊 接 材 料 选 用 了抗 裂 性 好 的 hgh533 焊 丝 ，且 对 焊 接 区 域 采 取 了 强制冷却 ， 并选 择了较低 的时效温度 。收 稿 日 期 ： 2012-04-24ccrmoaltifenbwnigh46980.06413.583.081.662.680.491.920.20余hgh5330.02917.897.720.202.520.377.58余50 m50 m50 m（a） 焊 缝 焊 态（b） 焊 缝 重 熔 两 次（c） 热 影 响 区 ， 重 熔 两 次图 1 焊 接 接 头 组 织 welding technology vol41 no8 aug. 2012 工 艺 与 新 技 术 27 对 双 v 形 接 头 和 修 复 焊 缝 ， 以 及 修 复 焊 缝 重 熔一 次 、 修 复 焊 缝 重 熔 两 次 后 的 无 损 检 测 结 果 表 明 ， 接 头 中 均 无 裂 纹 。 截 取 焊 缝 和 热 影 响 区 金 相 试 样 ， 在金相显微 镜下观察 ， 也 未发现有焊 接裂纹 。gh4698 合 金 的 al， ti 含 量 较 高 ， 焊 接 时 易 产 生 凝 固 裂 纹 和 液 化 裂 纹 ， 因 此 焊 材 的 选 择 非 常 重 要 。 hgh533 焊 丝 与 gh4698 合 金 同 属 ni 基 高 温 合 金 ， 且 其 主 要 合 金 元 素 接 近 ， 确 保 焊 缝 金 属 的 高 温 性 能 与 基 体 匹 配 。 同 时 焊 丝 含 有 较 高 的 w， mo 含 量 （各7%9% ）。 w 在 提 高 合 金 强 度 的 同 时 对 合 金 焊 接 性 无不 利影响 ， 而高 mo 含量既可提 高 合 金 强 度 ， 还 可 提高合 金的抗裂 性 3。 al， ti 是主要的 沉淀强化合 金 元 素 ， hgh533 焊 丝 采 取 了 低 铝 高 钛 沉 淀 强 化 ， 可 降 低 接 头 的 热 裂 敏 感 性 。 因 此 采 用 该 焊 丝 焊 接 gh4698 合 金 是 合 适 的 。 从 试 验 结 果 看 ， 焊 缝 和 热 影 响 区 均 未 见 裂 纹 ， 说 明 采 用 hgh533 焊 丝 焊 接 gh4698 合 金， 接头具有 较高的焊 接裂纹抗力 。观 察 修 复 焊 缝 及 热 影 响 区 的 显 微 组 织 ， 如 图 1本无影响 2。 因 此， 对双 v 形对 接接头及修 复试验件进 行 焊 后 775 16 h 时 效 处 理 。 经 无 损 检 测 和 对 金 相 显 微 组 织 观 察 ， 均 未 发 现 有 裂 纹 产 生 ， 说 明 焊 后775 16 h 时 效 处 理 可 有 效 防 止 应 变 时 效 裂 纹 产 生 ， 也 证 明 对 焊 接 区 域 的 强 制 水 冷 在 减 小 了 热 输 入 对 接 头 和 基 体 组 织 影 响 的 同 时 ， 有 效 降 低 了 焊 接 接 头 的 应 力 水 平 。 时 效 处 理 前 后 基 体 和 焊 缝 组 织 的 对 比 如 图 2 所 示 。 由 图 2a， b 的 对 比 可 见 ， 两 者 的 晶 内 和 晶 界 处 均 有 块 状 和 长 条 状 化 合 物 分 布 ， 且 两 者 化 合 物 的 大 小 和 形 状 非 常 类 似 ， 说 明 焊 后 775 16 h 时效处理 对基体组织 无明显影响 。 分析认 为 ， 承 力 环 服 役 前 经 固 溶 、 时 效 处 理 ， 且 已 长 期 在 高 温 下 服 役 。 该 合 金 的 工 作 温 度 可 以 达 到 750800 ， 合 金 在 650750 之 间 工 作 1001 000 h， 合 金 中 无 新 相 产生2。 可见，该合金具有很好的高温稳 定性 ， 因此 ，775 16 h 时 效 处 理 对 基 体 组 织 基 本 无 影 响 。 而 由 图 2c， d 的 对 比 可 见 ， 经 过 焊 后 时 效 处 理 ， 焊 缝 枝 晶 组 织 基 本 消 失 ， 焊 缝 组 织 趋 于 均 匀 ， 且 有 大 量 细所 示 。由 图 1 可 见 ，焊 态 及 重 熔 情 况 下 ， 焊 缝 中 均小 化合物相析 出 ，这对提 高焊缝性能 有利 。无 粗 大 枝 晶 ， 两 者 组 织 无 明 显 差 别 ， 焊 接 热 影 响 区非 常 窄 。 另 外 ， 对 比 焊 态 和 重 熔 下 的 热 影 响 区 组 织 和 基 体 组 织 ， 重 熔 对 热 影 响 区 和 基 体 组 织 基 本 无 影响 。 可 见 ，采 用 hgh533 焊 丝 可 有 效 防 止 焊 缝 中 的凝 固 裂 纹 ； 同 时 也 证 明 了 对 焊 接 区 域 的 强 制 水 冷 可有 效 防 止 过 热 ， 降 低 了 反 复 热 输 入 对 焊 接 接 头 组 织 的 影 响 ， 减 小 热 影 响 区 宽 度 ， 从 而 有 效 抑 制 了 液 化 裂纹的 产生 。22接头性能焊 态 和 焊 后 热 处 理 状 态 下 的 接 头 和 基 体 拉 伸 性 能见表 2。 由表 2 可见 ， 焊后 热处理后焊 接 接 头 室 温 抗拉强度达到 1 080 mpa， 与基体的抗拉强度 （1 089mpa） 非 常 接 近 ； 焊 接 接 头 高 温 （700 ） 抗 拉 强 度 达 到 890 mpa， 达 到 基 体 抗 拉 强 度 的 92% 。 另 外 ，为 防 止 焊 后 时 效 应 变 裂 纹 ， 焊 后 热 处 理 温 度 的选 择非 常 重 要 。 分 析 认 为 ， gh4698 合 金 的 工 作 温 度 可达 750800 ， 775 下 较 长 时 间 处 理 对 基 体 应 基 28 工 艺 与 新 技 术 焊 接 技 术第 41 卷 第 8 期 2012 年 8 月焊 后 热 处 理 可 显 著 提 高 接 头 的 抗 拉 强 度 ， 室 温 抗 拉强度提高 量达到 160 mpa 以 上， 高温 （700 ） 抗拉 强 度 提 高 量 达 到 350 mpa。 这 与 焊 后 热 处 理 促 使 焊 缝组织 均匀 ， 并有大 量细小化 合物相析出 密切相关 。 表 2 焊接接头和基体的拉伸性能 的 焊 接 修 复 。 目 前 ， 该 承 力 环 的 焊 接 修 复 技 术 已 成功 应 用 ， 顺 利 通 过 长 试 后 ， 已 有 多 件 焊 接 修 复 的 承 力环长期 服役 ， 节省了 大量的资 金 。3结论（1） 采 用 hgh533 焊 丝 ， 并 在 强 制 水 冷 条 件 下 ，gh4698 高温合金可焊， 且接头的焊接裂纹抗力较大。（2） 焊 后 经 775 16 h 热 处 理 ， 可 使 焊 接 接 头 室 温 抗 拉 强 度 与 基 体 接 近 ， 高 温 抗 拉 强 度 则 达 到 基 体 的 92%， 焊缝维氏 （hv） 硬度也接近 基体 。（3） 焊 后 经 775 16 h 热 处 理 可 显 著 提 高 焊 接 接 头 抗 拉 强 度 ， 室 温 抗 拉 强 度 提 高 量 达 到 160 mpa 以 上 ， 高 温 （ 700 ） 抗 拉 强 度 提 高 量 达 到 350mpa。 同 时焊后热处 理对基体 基本无不利 影响 。（4） 本 文 的 焊 接 修 复 工 艺 和 焊 后 热 处 理 制 度 适 用于 gh4698 合金承力环 的焊接修 复 。测 试 了 修 复 焊 缝 的 维 氏 （hv） 硬 度 ， 结 果 见 表3。 由 表 3 可 见 ， 焊 态 下 硬 度 较 低 ， 经 焊 后 热 处 理 ， 硬 度 大 幅 度 提 升 ， 达 到 基 体 硬 度 的 87%以 上 ， 大 部 分 区 域 与 基 体 接 近 。 另 外 ， 由 表 3 还 可 知 ， 焊 后 热 处 理 前 后 ， 基 体 硬 度 没 有 变 化 ， 说 明 焊 后 热 处 理 对 基体基 本无影响 ， 这 与组织分 析结果一致 。表 3 焊 缝 和 基 体 的 hv 硬 度参 考 文 献 ：1中 国航空材料手册编辑委员会 . 航 空 材 料 手 册 m 2 版 . 北 京 ：中国标准出版社 ， 1988.观 察 拉 伸 断 口 形 貌 ， 可 见 断 口 处 主 要 为 细 小 韧窝 ， 表明接头塑 性良好 。2航空制造工程手册编辑委员会 . 航 空制造工程手册 ： 焊 接 分 册m. 北 京 ： 航空工业出版社 ， 1966.综 上 所 述 ，采 用 hgh533 焊 丝 和 强 制 水 冷 焊 接 ，gh4698 合 金 氩 弧 焊 （tig）具 有 较 高 的 焊 接 裂 纹 抗作 者 简 介 ： 张 学 军 （1969）， 工 程 硕 士 ， 主要从事航空材 料 焊 接 性 、焊 接 材 料 、 焊 接 工 艺 研 究.力 ， 焊 接 接 头 性 能 与 基 体 基 本 匹 配 ， 可 用 于 承 力 环专利信息专利名称 ： 铍 铝夹层结构 异种金属焊 接方法专利申请号 ： cn200910169803.9公开号 ： cn101653863公开 日 ： 2010.02.24申请日 ：申请人 ：2009.09.03航天 材料及工艺 研究所本 发 明 涉 及 一 种 铍 铝 夹 层 结 构 异 种 金 属 焊 接 方 法 。 该 方 法 步 骤 如 下 ：（a） 先 将 铍 合 金 环 与 一 个 等 外 径 、等厚度 、长 度在 1520 mm 的铝合 金环三焊 接 ； 所述的铝 合 金 环 三 中w（si）4.5%5.8， w（al）95.5%94.2； 或者 铝 合 金 环 三 中w（mg）5.8%6.8， w（al）94.2%93.2； （b） 然 后 在 上 述 相 连 的 铍 合 金 环 和 铝 合 金 环 三 外 套有 与 它 们 等 长 度 铝 合 金 环 一 ； （c） 最 后 将 铝 合 金 环 一 和 铝 合 金 环 三 的 同 一 侧 与 同 它 们 等 外 径 、 等 厚 度 的 铝 合 金 环 二 焊 接 。 本 发 明 能 够 实 现 铍 铝 夹 层 结 构 异 种 金 属 的 可 靠 焊 接 ， 其 焊 接 接 头 强 度 能 达 到 母 材 的 85以 上 ， 焊接 接头拉断后 无脆性断裂 特征 。（王元荪 供稿 ）状 态焊 缝 hv基 体 hv焊 态229257378焊 后 处 理 775 16 h330378378状 态rm/mpa25 700 焊 态912540焊 后 处 理 775 16 h1 080890基 体1 089970 英 文 标 题 、 摘 要 及 关 键 词 焊 接 技 术第 41 卷 第 8 期 2012 年 8 月numerical simulation of the residual stress in stainless steel/ag-cu-ti filler/titanium alloy brazed jointbai jing-jing， li rui-feng， qi kai， sheng hao， sun xiao-long， zhou yi-min（school of materials science and engineering， jiangsu university of science and technology, zhenjiang 212003, jiangsu pro., china） p16-19abstract: the residual stress of the 1cr18ni9ti stainless steel/ag -cu -ti/ti -6al -4v brazedjoint was simulatedtemperature on the stress occurs at theby thermal - elastic - plastic finite element method. during the computation, the influencematerials property was taken into account. the results showed that the maximum tensileofytitanium side near the outer surface. in addition, the maximum x andalso occuredinterface. the residual stress would lead to the fracture of the brazed joint. this experimental results.key words: stainless steel， titanium alloy， residual stress， finite element methodxynear the titanium/fillerrelated well with thewelding technology of high temperature alloy gh4698zhang xue-jun1， he jian-xiong2, li yan1, zhang yu-qiang2（1beijing institute of aeronautic materials, beijing 100095， china； 2. state-owned sida mechanical manufacturingcompany, xian 712201, shaanxi pro., china） p26-28abstract: in order to welding repair a load-bearing ring of ni-based wrought superalloy-gh4698 alloy， the tigwelding technology of gh4698 alloy was studied， and the sound weld could be obtained. the results showedthat the gh4698 alloy exhibited high cracking resistance, weldedfiller metal hgh533. with the post-weld heat treatment at 775 joint at ambient temperature was close to that of the base metal,under water -cooling condition and with thefor 16 h, the tensile strength of the welded and the tensile strength of the joint at thehigh temperature was 92% of that of the base metal， the vickers hardness of the weld was close to that of thebase metal too. the post-weld heat treatment had no detrimental effect on the base metal. on the basis of these results, the load-bearing ring of an engine had been welding repaired successfully.key words： gh4698 alloy， welding technology， microstructure， propertyeffect of protective agent on the appearance and corrosion resistance of weld in 304 stainless steel by tigweldingyin yan, zheng xiang-chao, chen yan, zhang wei-shan, zhang rui-hua（ state key labora