30CrMnSiA钢激光-MAG复合焊接裂纹形成原因与抑制措施

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30CrMnSiA钢具有优良的综合性能,因而在航空领域受到了广泛的重视。然而,由于该钢种的碳当量较高,淬硬倾向大,焊接接头的冷裂敏感性大,所以在使用常规的电弧焊方法进行焊接时,必须在工艺上制定合适的预热、后热及热处理规范,这必将大大地降低焊接生产效率。激光-MAG复合焊接具有熔深大、热输入低的特点,因此在提高生产效率的同时还能有效防止冷裂纹的出现。然而,通过采用激光-MAG复合焊接技术对8mm厚30CrMnSiA钢进行了焊接试验发现,在焊缝的收弧端易产生焊接裂纹缺陷。因此,本文重点研究了该裂纹的形成原因及其抑制措施。首先,通过对裂纹形成位置的观察发现,裂纹均产生在收弧端焊缝区内,裂纹走向沿焊缝纵向。采用金相显微镜和扫描电子显微镜对裂纹的微观特征进行观察发现,裂纹沿晶开裂,边缘圆钝,且在裂纹断口表面形貌平滑,显示出树枝晶成束排列的显微细节,是液相在高温时结晶形成的自由结晶表面,属于结晶裂纹的典型特征,从而断定裂纹为结晶裂纹。从冶金角度分析了裂纹的形成原因。在焊缝的凝固过程中,必然存在着由结晶偏析引起的化学不均匀性,这将导致晶间低熔相的出现。因此焊接结晶裂纹时常在这些地方出现。本文通过观察裂纹断口形貌发现,在相邻柱状晶间存在着若干不连续的薄膜。对其进行能谱分析,结果表明在薄膜上聚集着硫化物低熔相。进而判断,结晶裂纹的产生与这些呈薄膜状分布的硫化物有着本质上的联系。接着,建立30CrMnSiA钢激光-MAG复合焊接有限元模型,从应力的角度对产生焊接结晶裂纹的原因进行了分析。通过数值计算发现,收弧处焊缝金属在脆性温度区间内的抗拉强度小于焊接过程中母材对焊缝金属的拉伸应力,这为结晶裂纹的形成提供了驱动力。裂纹的抑制措施从两方面考虑,一方面是冶金角度,即减小母材当中有害杂质的含量,另一方面是工艺角度,即通过改变工艺使得焊缝组织得到细化。通过实验发现,母材当中的硫化物杂质含量等级i=0.5,属于超精炼钢,很难再进一步降低硫化物杂质;而采用两层焊的工艺后,由于减少了热输入,加快了冷却速度,成功地使组织细化,有效抑制了结晶裂纹的产生。
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