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1、半穿甲战斗部焊接工艺方法研究司洪利,陈洋(海军驻重庆地区导弹设备军代室,重庆璧山402760)导弹战斗部是直接用于摧毁目标的有效载荷,但随着舰船,地下工事等目标防护性能的不断改进和完善.战斗部要完成使命任务,应侵彻到此类目标内部后主装药实施有效爆轰,才能实现对目标的最有效毁伤,因此,战斗部在侵彻过程中的本身强度和良好的韧性是保证实现有效毁伤的首要问题.有关战斗部本身强度和韧性要求在半穿甲战斗部研究中已达成一致,所以在某型半穿甲战斗部工程研制阶段采用了大量的试验进行战斗部本体强度的考核验证.从试验过程中可以证实半穿甲战斗部部件连接的焊缝成是本体强度的薄弱环节.根据有关半穿甲战斗部加工情况统计,采
2、用焊接连接方式可节约原材料约l8%,节约工时约20%,降低成本约20%,大多半穿甲战斗部不同程度的采用了焊接的工艺方法.焊缝既要满足强度的要求,又要具有良好的韧性,需要通过大量的工程试验取得合理的焊接工艺路线,参数.因此.开展焊接工艺方法的研究对提高战斗部强度和节约成本具有深远的意义.1半穿甲战斗部焊接缺陷,分析及避免措施rh工xlL存田蛳再+生皿田A夺直酿钢,其淬透性很大,焊接性较差,容易产生一定的问题及缺陷.在工程试验中也证实了这一点1)焊接缺陷及主要原因战斗部母材低合金高强钢焊接过程中产生的焊接缺陷与材料因素,结构因素和焊接工艺有关焊接缺陷及主要原因见表l.2)焊接缺陷分析及避免措施(1
3、)冷裂纹和热裂纹低合金高强钢的淬硬性倾向十分明显,热影响区近缝区容易出现硬脆的马氏体组织,增大了焊接接头的冷裂纹倾向.这是由于低合金高强钢的含碳量较高,在500以下的温度区间过冷奥氏体具有更大的稳定性,而且含碳量越高,淬硬倾向越大,冷裂纹倾向也越大.淬硬性倾向主要取决于钢的化学成分,其中以碳当量的作用最为明显.侵彻类战斗部采用的低合金高强钢的碳当量一般都超过了0.6%,属于高淬硬性钢,可焊性较差为了防止冷裂纹的产生,需要控制焊接线能量,尽量降低焊接接头的含氢量,并采用焊前对战斗部本体预热和焊后及时热处理等措施低合金高强钢含碳量较高,焊缝凝固结晶时,液一固相结晶温度区间大,偏析倾向比较严重,这就
4、促使焊接时具有较大的热裂纹敏感性.半穿甲战斗部使用的30CrMnSiA钢,由于含碳,硅量都较高,因此热裂纹倾向较大.考虑到可能出现热裂纹问题,应尽量选用含碳量低的焊接材料和含S,P杂质少的填充材料.在焊接工艺上应注意保证填满弧坑和良好的焊缝成型,因为热裂纹容易出现熔合比.增大焊缝形状系数(即焊缝宽度与厚度之比),有利于防止焊缝金属的热裂纹.(2)粗晶区的脆化低合金高强钢由于含碳量较高及合金元素多,淬硬倾向大,马氏体转变温度(Ms)低,因而在焊接热影响区淬火区容易产生硬脆的马氏体组织(尤其是高碳,粗大的马氏体),导致热影响区可能产生粗晶区的脆化.冷却速度越快,生成的高碳马氏体组织越多,脆化也就越
5、严重.为了减少粗晶区的脆化,从减少淬硬倾向出发,采用大焊接线能量马氏体组织的比例增大,而降低韧性.因此防止粗晶区脆化的工艺措施主要采用合适的能量,减少热影响区高温停留时间,避免奥氏体晶粒的过热,增加奥氏体成分的不均匀性,从而降低奥氏体的稳定性.同时采取预热,缓冷和后热等措施来降低冷却速度,对改善热影响区的性能非常有利.(3)热影响区的软化焊接澜质处理后的钢,在重新加热到超过它的调质处理时的回火温度后就出现软化问题.由于焊前所处的热处理状态不同,软化区的温度范T.1制塔技术与实罡I(a)r乜弧焊(1】)气焊圈l蠲质状态的3rMnSiA铡焊接接头的强度变化围和软化程度有很大差别半穿甲战斗部母材经常
6、足在退火状态下进行焊接,如30CrMns认钢焊接接头的强度变化见图l软化区是接头中强度最薄弱的环节,而对冲击韧性来说,热影响区的过热区是接头中最薄弱的环节如果焊后不再进行调质处理,该软化区可能成为中碳调质钢焊接时的一个突出问题.热影响区软化程度和软化区的宽度与焊接能量,焊接方法有很大关系.焊接线能量越小.加热和冷却速度越快,热影响区受热时间越短,软化程度越小,软化区的宽度越窄此焊接热源越集中对减少软化越有利,但应同时注意热影响区的脆化和冷裂纹.2半穿甲战斗部焊接工艺方法及应用低台金高强钢对焊接工艺的要求和工艺参数的控制非常严格.焊后还必需通过复杂的调质处理才能保证焊接接头的性能.所以需要大量的
7、工程试验取得合理工艺路线,参数一1)焊接工艺路线88c57O2)焊接工艺要点(1)坡口加工,装配及定位焊战斗部坡口加工可采用机械加工,其加工精度较高,在坡口两侧约5Omm范围内,应严格去除水油绣及杂物等.焊接部件装配间隙不能过大,尽量避免强力装配定位.为防止定位焊焊缝开裂,要求定位焊焊缝应有足够的长度.定位点固焊应选用与焊接同类型的焊接材料,也可选用强度等级梢低的焊条或焊丝.定位焊的顺序应能防止过大的拘束.允许工件有适当的变形,焊点或点固焊缝应对称均匀分布(2)预热和焊后热处理战斗部所使用的低合金高强钢焊接前应预热,焊后进行热处理.焊前预热有舫止裂纹,降低焊缝和热影响区冷却速度,减小内应力等重
8、要作用.焊后热处理的目的是为了消除内应力.提高部件尺寸的稳定性,增强抗应力腐蚀性能,改善接头组织及力学性能,并提高长期使用的质量稳定性和工作的安全性等.3)焊接方法及参数由于战斗部的低合金高强钢的碳当量和强度级别很高,所适用焊接工艺方法,参数范围变窄.侵彻类战斗部的焊接常采用手工电弧焊,机器人自动焊等方法H.;藿-N,-b(1)手工电弧焊手工电弧焊适用于各种不规则形状,各种焊接位置的焊缝.手工焊时主要根据战斗部壳体壁厚,坡13形式,焊缝位置等选择工艺参数.但由于手工电弧焊的工作效率不高,批生产能力弱.受到人为因素的影响较大.焊接缺陷较多,工人的劳动强度大,工作环境差等诸多不利因素,工业部门已逐
9、渐使用高精焊接设备来取代手工操作.(2)机器人焊接弧焊机器人采用的药芯焊丝是一种高效,优质,低成本的焊接材料,在国外已得到充分发展和广泛应用.在美国和日本,药芯焊丝的使用量已占焊材总消耗量的30%以上而国内药芯焊丝所占焊材比例不到5%结合某型侵彻战斗部的研制国内自主开发了一种强度与J107Cr相当,适合于半自动和全自动富氩气体保护焊的药芯焊丝有关力学性能为:熔敷金属抗拉强度.950Mpa,熔敷金属冲击值Ah(25C)17JWO儿17Cr焊丝主要利用Mn铁和Si铁进行脱氧,达到Mn-Si联合脱氧的目的,可形成低熔点的MnO,SiO:,减少焊缝夹渣,获得适当的强度和冲击韧性焊条(Jl07Cr)和焊
10、丝(WOJI17Cr)熔敷金属的化学成分(%)对比见表2.衰2化学成分对比表从两种焊接材料化学成分的对比,发现其化学成分相差不大,说明焊丝从化学成分方面能够满足要求结合某型半穿甲战斗部的WOJIl7Cr焊丝应用.进行了抗拉强度和冲击韧性的试验,具体数据见表3,表4.虽然未淬火的试样的抗拉强度来达到预期的950Mpa,但其断裂处都在母材处.同时,经淬火的试样的力学性能达到1400Mpa.我们可以看出,在抗拉强度和冲击韧性方面,高强钢药芯焊丝比手工电弧焊还高,同时,高强表3抗拉强度数据编导J抗拉强度(Mpa)】编号l抗拉强度CMr)21l856J5-1I146722l8525-2I152523J8
11、56l5415532-4J876l55l14232-5l85656f1413均值l849j均值l1476.J.,.,.j.,.,.J.,.,.一未淬火(都从母体金属断裂)I淬火.回火J.,.,.一表4冲击韧性数据(试样尺寸10x8钢药芯焊丝的延伸率也高于手工电弧焊.采用WOJI17Cr焊丝进行机器人自动焊接的工艺性稳定,阻焊接时产生的缺陷少于焊条,能够应用于侵彻类战斗部焊接,对提高焊缝强度有重大的作用3结论半穿甲战斗部母体的焊接质量是能否满足本身强度要求的关键,通过战斗部母材所常用低合金高强钢焊接容易产生的问题及缺陷的分析,结合某型半穿甲战斗部的焊接工艺研究,证明弧焊机器人是适用半穿甲战斗部批量生产和质量保证有效焊接工艺方法,对实现半穿甲战斗部攻击和成本节约有重要意义,具有一定的工程应用价值参考文献l】李亚江王娟刘鹏.低合金钢焊接及工程应用.北京:化学工业出版社.2003.9