15-5PH自动氩弧焊接工艺研究

王宇航

庆安集团有限公司 陕西省西安市 710077

摘要：某发射装置壳体材料原为0Cr15Ni5Cu2Ti沉淀硬化不锈钢，因供应采购的板材翘曲不平，表面有麻点，影响后续零件加工与成型。现采用15-5PH/AMS 5862板材进行零件加工成型与焊接。但公司无15-5PH/AMS 5862沉淀硬化不锈钢板材的相关焊接试验数据。因此对15-5PH/AMS 5862沉淀硬化不锈钢的焊接工艺进行试验研究，获得不同焊接工艺下焊缝的抗拉强度、金相组织等试验数据，为采用15-5PH/AMS 5862沉淀硬化不锈钢成型、焊接，提供试验数据理论支持。

关键词：0Cr15Ni5Cu2Ti；15-5PH；沉淀硬化；焊接

问题的提出

沉淀硬化不锈钢在航天航空中应用极为广泛，主要用于导轨、筒体、活塞杆、整流罩。其主要特点是具有超高强度，所以在军工业加工中焊接方面应用非常普遍。焊接方法主要为钨极氩弧焊（TIG）。15-5PH是马氏体、析出硬化、铬镍铜不锈钢，具有很好的表面光滑性和尺寸稳定性。加工工艺性好，力学性能优良，耐一般腐蚀环境。因此该钢在国内外大型民用飞机及战斗机上用量很大，特别是近年在飞机发动机支架、核反应堆控制棒、低温机械装备等领域均有推广和应用^[1]。但公司无15-5PH/AMS 5862沉淀硬化不锈钢板材的相关焊接试验。本文主要是15-5PH和0Cr15Ni5Cu2Ti两种沉淀硬化不锈钢焊接性能的比较，为后续某型产品的批生产打下坚实的基础，从而保证零件质量和提高生产效率。15-5PH的化学成分见表1^[2]。0Cr15Ni5Cu2Ti的化学成分见表2^[3]。

表1 15-5PH钢的主要化学成分（质量分数）

C	Mn	Si	S	P	Cr	Ni	Cu
0.04	0.7	0.5	0.005	0.02	14.8	4.9	3.8

表2 0Cr15Ni5Cu2Ti钢的主要化学成分（质量分数）

C	Mn	Si	S	P	Cr	Ni	Cu
0.056	0.49	0.40	0.002	0.02	13.66	5.38	2.16

2.沉淀硬化不锈钢的焊接性分析

沉淀硬化不锈钢在不锈钢化学成分的基础上添加不同类型、数量的强化元素，通过沉淀硬化过程析出不同类型和数量的碳化物、氮化物、碳氮化物和金属间化合物，既提高钢的强度又保持足够的韧性。

15-5PH为马氏体沉淀硬化不锈钢，经固溶＋时效处理后（450～525℃）金相组织为马氏体基体＋沉淀析出的富铜相，主要靠弥散分布于马氏体基体组织中的沉淀硬化相提高材料的综合力学性能^[4]（见表3）。其焊接方法主要为钨极氩弧焊。

表3 15-5PH材料力学性能（板材）

热处理状态		机械性能
固溶处理	时效处理
1140℃固溶 空冷	450±10℃ 时效1h空冷	σb(MPa)	σ0.2(MPa)	δ5(%)
		≥1300	≥1100	≥10

0Cr15Ni5Cu2Ti为马氏体沉淀硬化不锈钢，经固溶＋时效处理后（470～490℃）金相组织为马氏体基体＋沉淀析出的富铜相，主要靠弥散分布于马氏体基体组织中的沉淀硬化相提高材料的综合力学性能（见表4）^[5]。

表4 0Cr15Ni5Cu2Ti材料力学性能（板材）

热处理状态		机械性能
固溶处理	时效处理
970℃固溶 空冷	450±10℃ 时效1h空冷	σb(MPa)	σ0.2(MPa)	δ5(%)
		1230	1080	9

3．钨极氩弧焊的优缺点

3.1 优点

(1)氩气能有效地隔绝周围空气，本身又不溶于金属，不和金属反应，施焊过程中电弧还有自动清除熔池表面氧化膜的作用，因此，可成功地焊接易氧化、氮化化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。

(2)钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流(＜10 A)下仍可稳定的燃烧，特别适用于薄板、超薄材料的焊接。

(3)热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调节，可进行各种位置的焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法。

(4)由于填充焊丝熔滴不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。

3.2缺点

(1)焊缝溶深浅，熔敷速度小，生产率较低。

(2)钨极承载电流的能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池，造成污染(夹钨)。

(3)惰性气体(氩气、氮气)较贵，和其他电弧焊方法(如手弧焊、埋弧焊、CO2 气体保护焊等)相比，生产成本较高。

4.工艺试验

4.1试验目的

4.2.1通过试验考察15-5PH和0Cr15Ni5Cu2Ti两种沉淀硬化不锈钢的工艺焊接性问题，探索两种材料各自的化学成分、独有的合金元素对异种材料焊缝性能、金相组织等的影响，包括力学性能等影响。

4.2.2通过对焊接接头及母材的外观目视检验、X光检测、金相检查和机性试验来研究15-5PH和0Cr15Ni5Cu2Ti的焊接性能。

4.2 试验方案

采用钨极自动氩弧焊的焊接方法，对15-5PH(沉淀硬化)+0Cr17Ni4Cu4Nb和0Cr15Ni5Cu2Ti（固溶、沉淀硬化）+0Cr17Ni4Cu4Nb两种状态组合的试件进行焊接，并就其焊缝质量和金相组织进行对比分析。焊接试件均为厚度为2.5mm，宽度为100mm，长度为300mm的试片。试验组合见下图一。焊接参数见图二。

试件一 试件二

图一：两个材料状态组合钨极氩弧焊试验方案示意图

图
二：焊接参数示意图

4.3 试验设备

试验设备为FCP1600纵缝自动氩弧焊机，如（图三）所示，保护气体采用99.999%高纯氩气，流量为10～15L/min，弧长修正系数为0%，焊缝为无坡口形式Ⅰ型。FCP1600纵缝自动氩弧焊机基本原理是以自动化焊接操作代替传统的手工焊接操作。以机床、导轨、伺服电机、自动送丝机构等代替焊工的手工持枪及手工送丝，实现焊枪的自动移动、焊丝的自动填充；以支承轴、琴键等装配压合装置代替钳工的手工装配、定位、压合，通过一次装配即可完成整个零件的纵缝焊接。采用纵缝焊机焊接零件，首先可降低焊接前的准备工时，焊机自带焊丝；其次可缩短单个零件的焊接工时，不会产生疲劳，减小了焊接零件的加工工时；最后，使用纵缝焊机焊接时运行平稳、焊缝均匀、一致性好，焊缝质量得以大幅提升，降低零件的返工率，提高了产品的加工效率。

图三 FCP1600纵缝自动氩弧焊机

4.4目视检验和X射线检测

对试件一和试件二进行目视检验，表面均没有裂纹、咬边、弧坑。然后进行X射线检测，试件一、二均无超标缺陷，符合HB5135-2000Ⅰ级焊缝要求。

4.5制样

将试件一和试件二按图四方式进行线切割，分别取拉伸试样3件，取金相试样1件。

图四 制样过程

4.6拉伸试验

4.6.1 15-5PH(沉淀硬化)+0Cr17Ni4Cu4Nb

利用Ag-1250千牛电子拉力试验机对试件一切割下来的3件拉伸试样进行拉伸试验，加载位移速度为2mm/min，拉伸试验结果如（表5）所示。

表5 试件一拉伸强度

试件件号	1	2	3
拉伸强度（MPa）	1233	1236	1240

4.6.2 0Cr15Ni5Cu2Ti（固溶、沉淀硬化）+0Cr17Ni4Cu4Nb

分别对试件二切割下来的3件拉伸试样进行拉伸试验，得出结果见表6。

表6 试件二拉伸强度

试件件号	1	2	3
拉伸强度（MPa）	1134	1132	1141

两组试验可以看出15-5PH和0Cr15Ni5Cu2Ti两种焊接接头的抗拉强度基本相近，强度较高。因为这类马氏体沉淀硬化不锈钢一般经过高温加热固溶并快速冷却至室温后，获得低碳的，具有过饱和合金元素的马氏体，再经过时效，在马氏体基体上析出金属间化合物，从而达到强化的目的。

4.7金相检查

异种沉淀硬化不锈钢0Cr15Ni5Cu2Ti和15-5PH的焊缝组织均为低碳马氏体，焊接接头的一致性好。焊缝表面均没有裂纹、弧坑、焊瘤、未焊透、烧穿等现象，符合HB5135-2000Ⅰ级焊缝要求。

5 结论

通过以上试验分析可以得到如下结论:

综上所述，15-5PH和0Cr15Ni5Cu2Ti两种焊接接头的抗拉强度、焊接性能基本相近。可以采用15-5PH/AMS 5862板材代替0Cr15Ni5Cu2Ti进行零件加工成型与焊接。通过对该发射架的焊接性分析，将此产品的焊接问题最终给予解决，满足后续机械加工尺寸公差，达到设计要求目的，为该产品的顺利转型打下坚实的基础。

参考文献

樊兆宝. 马氏体沉淀硬化不锈钢的焊接工艺[J]。点焊机，2009。

张秀丽. 热处理工艺对15-5PH沉淀硬化不锈钢的力学性能与耐蚀性的影响[J]。钢铁，2014。

钟平. 时效对0Cr15Ni5Cu2Ti钢组织与性能的影响[J]。材料热处理学报，2014。

樊兆宝. 15-5PH 不锈钢长时效时间对组织和力学性能的影响[J]。失效分析与预防，2013。

樊兆宝. 马氏体沉淀硬化不锈钢的焊接工艺[J]。点焊机，2009。