张举麟１,２,张华松３,李波涛１,童明波１
(１．南京航空航天大学,飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京 ２１００１６;
２．中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海 ２００２４１;
３．中国电子科技集团公司第五十五研究所,南京 ２１００１６)
摘 要:以３０CrMnSiA 高强钢原始焊接接头和一次补焊接头为研究对象,通过拉伸试验、疲劳试验及显微组织分析等方法研究了补焊对其焊接接头力学性能的影响.结果表明:经过补焊后,３０CrMnSiA 高强钢焊接接头的力学性能略微降低;热影响区是接头拉伸性能的薄弱部位,而焊趾处是接头疲劳性能的薄弱部位;补焊对焊缝附近的显微组织无明显影响.
关键词:３０CrMnSiA 高强钢;补焊;拉伸性能;疲劳性能
中图分类号:TG４５７．１１ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０９Ｇ００８５Ｇ０３
０ 引 言
３０CrMnSiA 钢是一种中碳调质钢,具有高的强度、良好的韧性以及抗疲劳性能等,广泛应用于飞机的起落架上[１].飞机起落架上大多数结构件在使用过程中均承受着疲劳载荷的作用,而焊接是飞机结构中常用的连接方式之一,焊接结构中７０％以上的事故是由焊接接头的疲劳断裂引起的[２].因此,研究焊接结构件的疲劳性能具有重要的意义.
焊接过程中难以避免会在焊缝的局部出现缺陷,为了改善存在缺陷焊接结构件的力学性能并减小损失,通常采用补焊的方法进行修复[３].补焊的成本较低且能够保证焊接结构的完整性[４Ｇ５],而补焊后结构力学性能的变化及其能否满足结构的性能要求是必须要研究和解决的问题.目前针对３０CrMnSiA 高强钢焊接接头补焊方面的研究报道并不多,因此作者对
某型飞机起落架中的３０CrMnSiA 高强钢焊接件进行了一次补焊,对原始接头和一次补焊接头分别进行了拉伸和疲劳试验,并测定了其SＧN 曲线,分析了拉伸试样 与 疲 劳 试 样 中 的 薄 弱 部 位,研 究 了 补 焊 对３０CrMnSiA高强钢焊接接头力学性能的影响.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
试 验 材 料 为 某 公 司 提 供 的 ２．０ mm 厚３０CrMnSiA 高强钢板材,其化学成分如表１所示,
供货状态为调质态.
试样包括不补焊的原始接头与一次补焊接头.按照 HB/Z５１３４－２０００,焊缝均为二级焊缝.原始接头 的 焊 接 采 用 CO２ 气 体 保 护 焊,焊 丝 牌 号 为H０８Mn２SiA,直径为１．６mm;焊接时不开坡口进行直接焊接,单面一次焊透;焊接电流为６８~７０A,焊接电压 为 １７．２~１７．５ V,气 体 流 量 为 １０~１１L??min－１,焊接速度为３５~４５cm??min－１.补焊采用钨极氩弧焊,焊丝牌号为 H１８CrMoA,直径为１．６mm;采用机械加工的牌号方法先将原有焊缝剔除,焊接时不开坡口进行直接焊接;补焊的焊接电流为１１５A,焊接电压为１０~１１V,氩气流量为６~１０L??min－１,焊接速度为０．８mm??s－１.对试样进行焊后热处理,采用８９０ ℃×２０min油淬和５２０℃×２h的回火热处理.依据ISO４１３６－２００１与 HB５２８７－１９９６,拉伸试样与疲劳试样的形状与尺寸相同,均如图１所示.试样焊缝保留余高,余
高的尺寸范围为０．５~１．０mm.按照 HB５１３５－２０００对焊缝进行无损检测.
１．２ 试验方法
采用 MTS８１０．３型动静万能试验机进行拉伸和疲劳试验.拉伸试验的拉伸速度为１ mm??min－１,各取３个试样进行拉伸试验.疲劳试验的环境为室温干态,应力比R＝０,加载频率为２０Hz,加载波形为正弦波,疲劳极限对应的寿命值为２×１０６ 周次;疲劳试验方法包括成组法和升降法,各取１３个试样进行升降 法 试 验,各 取 不 少 于 ４ 组 且 每 组 不 少 于５个试样进行成组法试验.采用 KHＧ７７００型数字显微镜对两种试样断口处的显微组织进行观察.
２ 试验结果与讨论
２．１ 拉伸性能
由表２可以发现:一次补焊３０CrMnSiA 钢焊接接头的抗拉强度和断后伸长率与原始接头的基本相同,这说明补焊对焊接接头的拉伸性能并无明显的影响;除了 RW３ 试样外,其他试 样 均 在 热 影 响 区(HAZ)处发生断裂,这说明热影响区是３０CrMnSiA钢焊接接头拉伸性能的薄弱部位.通过观察 RW３试样的断口发现,在焊缝处存在小气孔缺陷,从而导致其在焊缝处发生断裂.
２．２ 疲劳性能
通过宏观形貌观察可以发现,所有试样疲劳断裂的位置均为焊趾处,这说明焊趾处是３０CrMnSiA钢焊接接头疲劳性能的薄弱部位.根据疲劳试验结果,结合疲劳试验数据,利用最小二乘法对试验相关数据进行拟合,得到的SＧN 曲线方程如下
式中:m 与C 为材料常数;σmax为循环应力的最大应式中:m 与C 为材料常数;σmax为循环应力的最大应力值;N 为疲劳寿命值.由公式(１)可以计算出焊接接头在２×１０６ 循环周次下的中值疲劳强度σm ,σm 、常数m 和C 的数值见表３.
由表３可知,补焊对３０CrMnSiA 高强钢焊接接头的疲劳强度并无明显的影响,一次补焊接头的疲劳强度比原始接头的略微下降,仅降低了２％.由图２可知:在高应力低周疲劳区,一次补焊接头的疲劳强度高于原始接头的;随着循环载荷的降低,原始接头和一次补焊接头的疲劳强度差别逐渐减小,即在高周疲劳区,两者的疲劳强度基本相同。
２．３ 疲劳断口处显微组织
由图３可知,补焊对焊缝附近的显微组织并无影响.通常在疲劳载荷下,粗大的晶粒更容易萌生裂纹,从而降低其疲劳强度.然而,３０CrMnSiA 高强钢接头经补焊后,晶粒大小并无明显变化,因此补焊后接头的疲劳强度同原始接头的基本相同,从而保证了补焊后的疲劳性能.
３ 结 论
(１)３０CrMnSiA 高强钢原始接头的抗拉强度为１２２９．８９MPa,中值疲劳强度为３５１．５MPa;一次补焊接头的抗拉强度为１２２３．４４ MPa,中值疲劳强度为３４４．０ MPa;经过补焊后,３０CrMnSiA 高强钢焊接接头的力学性能略有降低。
(２)热影响区是焊接接头拉伸性能的薄弱部位,而焊趾处是焊接接头疲劳性能的薄弱部位。
(３)补焊对３０CrMnSiA 高强钢焊接接头焊缝附近的显微组织并无影响。
文章来源：材料与测试网