特殊焊接件【1Cr18Ni9Ti钢与GH1131高温合金真空电子束焊】

材料名称：1Cr18Ni9Ti钢与GH1131高温合金
浸蚀剂：10%过硫酸铵电解浸蚀，电压为6V，时间为20s
处理情况：真空电子束焊
   焊缝1参数：电压为60V，电流为15mA，聚焦电流为1355mA，焊接速度为30mm/s。
   焊缝2参数：电压为60V，电流为10mA，聚焦电流为1355mA，焊接速度为10mm/s。
组织说明：某零件材料为1Cr18Ni9Ti钢与GH1131高温合金的焊接结构件（见图1），经真空电子束焊焊接而成。当采用焊缝1参数时，焊后焊缝的表面发现垂直于焊缝鱼鳞纹方向的裂纹（见图2）。通过金相观察可知：焊缝成型窄而深，焊缝组织以发达的柱状晶为主，柱状晶发达，垂直于熔合线向焊缝中心发展，相遇在焊缝的中心；柱状晶内的微观形态主要是胞状树枝晶和柱状树枝晶，焊缝中心有少量等轴晶，焊接裂纹为沿着粗大的柱状晶界开裂，具有凝固裂纹特征，如图3及图4所示。
   将试样裂纹扳开，用扫描电镜观察断口。断口分成正常撕裂断口和裂纹自由表面断口，如图5所示。裂纹处的断口具有明显沿晶自由断裂特征，胞状树枝晶的一次枝晶和二次枝晶有明显的凸起（见图6），表明裂纹形成的温度较高，而正常撕裂的断口为韧窝型断口。对两种断口特征的区域进行俄歇电子（AES）能谱分析，结果表明：裂缝表面断口上S、P、Ti、Cr的含量均比正常的撕裂断口上要高，再结合金相组织分析证明此裂纹是在焊缝结晶过程中形成的凝固裂缝。
   图7和图8所示为改进工艺采用焊缝2参数后的组织，主要组织形貌为柱状枝晶，焊缝的内部存在部分等轴枝晶区。与焊缝1相比不仅焊缝横截面的形状有变化，而且焊缝最后凝固部位粗大的柱状晶数量减少，等轴树枝状晶增加，焊缝表面和焊缝内均未发现裂纹。
   首先，此种裂纹的产生与材料有关，1Cr18Ni9Ti钢是奥氏体不锈钢，而GH1131高温合金的化学成分中w（Ni）高达25%～30%。Ni元素属于稳定

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相元素，S、P在

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相中的溶解度较低，凝固后期残留在液相中的S、P等元素含量增加。Ni元素极易与S、P、Si、Cr、Ti等合金元素形成低熔点共晶物，焊缝在凝固过程中，先结晶的金属成分较纯，后结晶的液态金属中S、P等杂质含量逐渐增高，合金元素和杂质元素的偏析促使形成共晶物，并聚集在树枝晶间隙、柱状晶的晶间和焊缝中心区。由于共晶物熔点较低，当熔池基本金属已经结晶时，这些共晶物仍然处于液态，形成晶间液态薄膜，在一定的焊接拉伸力作用下，极易造成焊缝热裂纹。
   其次，此种裂纹的产生与焊接类型以及焊接应力有关。电子束焊具有能量密度大，焊接线性能量可精确控制，并在焊接能量低的情况下得到焊缝深宽比大、热影响区窄的焊接接头等优点。因此，当采用通常的电子束焊接工艺规范时，焊缝的深宽比大，焊缝冷却速度快，所以焊缝柱状晶发达，结晶方向性很强，一般由熔池两边向中心生长，从而更加剧了这些有害元素的偏析，促使焊缝最后凝固部位液相薄膜的产生。焊接热过程中产生的焊接应力，主要是由于1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢本身导热系数小、线胀系数大，在焊接过程中局部加热、冷却条件下，焊接接头会形成较大的拉应力，而真空电子束焊接一般采用较快的焊接速度，焊接热源集中，熔池尺寸小而窄，冷却速度快，焊缝结晶方向性很强，焊接熔池结晶时也会形成较大的内应力。
   根据以上焊接裂纹的成因分析，通过调节焊接参数，控制热输入和焊缝形式来改善焊缝横截面的形状和金相组织状态，降低焊缝凝固时S、P等各种有害元素和合金元素的偏聚，显著降低焊缝热裂倾向，从而避免了焊接裂纹的产生。

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GB/T 17455-2008无损检测表面检测的金相复型技术
DL/T 652-1998 金相复型技术工艺导则
DL/T 884-2004 火电厂金相检验与评定技术导则
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