摘 要:某型火箭發(fā)動機液壓身部鋯銅內(nèi)壁與電鑄鎳外壁成型后,經(jīng)激光全息檢測發(fā)現(xiàn)凸耳與 電鑄鎳焊接位置背面存在約?２０mm 的連接異常.采用三種狀態(tài)試件對連接異常進行了驗證分 析,通過顯微組織分析和顯微硬度測試分析了激光全息檢測連接異常的原因.結(jié)果表明:凸耳與電 鑄鎳的焊接熱傳導(dǎo)使鍍銅層的顯微組織由原來的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮牡容S晶,并且鍍銅層顯微硬 度隨電鑄鎳焊縫熔深的增大而降低,從而使焊縫區(qū)附近的鍍銅層與正常位置處產(chǎn)生微觀變形差異, 最終造成激光全息檢測的連接異常. 

關(guān)鍵詞:激光全息檢測;連接異常;焊接熱傳導(dǎo);鍍銅層;顯微組織;顯微硬度 

中圖分類號:TG１１５．２;TB８５３．２２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９１９Ｇ０５

激光全息技術(shù)作為一種非接觸光學(xué)無損檢測方 法,可以做到對位移、轉(zhuǎn)動、應(yīng)變、應(yīng)力、振動、溫度、 壓力、質(zhì)量密度、電子密度等物理量的精確測量,檢 測速度快、檢測結(jié)果直觀,可以解決低密度材料連 接、薄層結(jié)構(gòu)連接的缺陷檢測問題[１Ｇ２].自其發(fā)明以 來,激光全息技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍不斷拓展,尤其 是近年來在航天、航空等領(lǐng)域更展現(xiàn)了其巨大的應(yīng) 用前景[３].火箭各種型號的推力室,均采用激光全 息方法來檢測電鑄層與基材的連接質(zhì)量.推力室身 部夾套采用銑槽鋯銅內(nèi)壁＋預(yù)鍍銅層＋電鑄鎳外壁 的成型工藝,在電鑄沉積過程中,若基材表面清理不 干凈或工藝不穩(wěn)定,很容易在電鑄鎳與鋯銅基材分 界面上形成緊貼型的未連接缺陷[４].筆者通過模擬 試驗確認了某火箭發(fā)動機液壓身部激光全息檢測出 的連接異常原因.

１ 試驗過程與結(jié)果 

１．１ 連接異常情況概述 

火箭發(fā)動機液壓身部生產(chǎn)流程為:配套→焊接多孔環(huán)、凸耳、支板等零件→液壓氣密試驗→激光全 息攝影.液壓身部經(jīng)激光全息檢測發(fā)現(xiàn)在法蘭口順 時針方向約１２０°、距離邊緣約６０ mm 處有一處約 ?２０mm 的連接異常,如圖１所示.激光全息試驗 流程如圖２所示,在夾套充入６ MPa試驗水,產(chǎn)品 受到內(nèi)壓作用時,被檢測表面將產(chǎn)生位移,設(shè)垂直于 表面方向的位移為d,λ 為激光波長(對于 HeＧNe激 光器,λ＝０．６３２８μm),N 為干涉條紋級數(shù).根據(jù)光 的干涉原理,d＝Nλ/２,如果在載荷作用下,缺陷區(qū) 域形成１根閉合條紋,則缺陷表面與周圍正常區(qū)域 具有１/２個波長的位移差,即０．３１６μm,干涉條紋 級數(shù)約為３,由此可以估算本臺產(chǎn)品的異常區(qū)域較 正常區(qū)域變形差約為０．９μm. 

推力室身部夾套采用銑槽鋯銅內(nèi)壁 ＋ 預(yù)鍍銅 層＋電鑄鎳外壁的成型工藝,如圖３所示,經(jīng)確認電 鑄身部的檢測質(zhì)量均合格,且從此臺產(chǎn)品擴散段端 頭余量上檢測的實際結(jié)合力也遠大于要求值.因 此,可以排除電鑄質(zhì)量引起連接異常的可能.連接 異常位置大致為凸耳與電鑄鎳焊接位置背面.從產(chǎn) 品結(jié)構(gòu)特點和連接異常出現(xiàn)的位置來看,造成連接 異常的原因為焊接熱輸入量過大,見圖４. 

１．２ 模擬試驗過程與結(jié)果 

采用３種狀態(tài)試件,對連接異常區(qū)域進行金相相關(guān)性分析,具體分別為:１號為激光全息檢查后發(fā) 現(xiàn)連接異常的焊接背面的鋯銅/電鑄鎳試件,２號為 激光全息檢查后未發(fā)現(xiàn)連接異常的焊接背面的鋯 銅/電鑄鎳試件,３號為距焊接區(qū)域較遠的鋯銅/電 鑄鎳試件. 

１．２．１ 金相檢驗 

分別對３種試件的鍍銅層/鋯銅肋條處連接情 況進行金相檢驗,發(fā)現(xiàn)試驗鋯銅肋條/鍍銅層界面均 未見脫黏或連接異常現(xiàn)象,見圖５~７.

采用２０g氯化銅＋１００mL氨水溶液對３個試 樣鍍銅層的顯微組織進行化學(xué)侵蝕,觀察可見焊接 位置附近鍍銅層的顯微組織均為較大的等軸晶,見 圖８a)和圖９a),而未焊接件和距焊接位置較遠的鍍 銅層則均為細而長的柱狀晶組織,且均沿垂直于基 體的方 向 生 長,說 明 鍍 銅 時 有 擇 優(yōu) 取 向 沉 積,見 圖８b)、圖９b)和圖１０.由此說明對電鑄鎳層進行焊接會使其附近的鍍銅層柱狀晶組織發(fā)生完全再結(jié) 晶,形成不規(guī)則的粗大等軸晶,且晶界明顯.

分別對１號和２號試樣電鑄鎳層的手工氬弧焊 縫形貌進行觀察,見圖１１和圖１２,焊縫組織顯示采 用１０mL鹽酸＋３８mL硝酸＋１００mL冰醋酸侵蝕 液,并對各焊縫的熔深進行測量,結(jié)果見表１. 

１．２．２ 顯微硬度測試 

在 FMＧ７００顯微硬度計上使用０．９８N(１００gf) 力加載３０s,對３個試樣的鍍銅層進行顯微硬度測 試,結(jié)果見表１.可見１號和２號試樣焊接位置附 近鍍銅層的顯微硬度均比正常位置的要低;其中鋯 銅基體硬度與１號和２號試樣正常位置鍍銅層(即 未焊接的位置)的硬度以及３號試樣鍍銅層的硬度 一致,均為８０~９０HV０．１.１號和２號試樣焊接位 置附近鍍 銅 層 的 顯 微 硬 度 較 接 近,并 且 由 １ 號 和 ２號試樣焊縫熔深可以看出一定的關(guān)系,即熔深越 大,附近鍍銅層的硬度則越低,如圖１３所示. 

２ 綜合分析 

金相觀察結(jié)果表明,１Cr１８Ni９Ti不銹鋼凸耳與 電鑄鎳焊接位置附近的鍍銅層顯微組織發(fā)生了變 化,由原來的具有方向性生長的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇执? 的等軸晶,而未焊接位置仍為原始鍍層的柱狀晶組 織;并且等軸晶組織的顯微硬度比柱狀晶組織的要 低;同時還發(fā)現(xiàn)鍍銅層顯微硬度與電鑄鎳層焊縫熔 深尺寸存在對應(yīng)關(guān)系,即熔深越大,硬度越低.

電鑄鎳層與鋯銅基體為異種金屬連接,兩種金 屬導(dǎo)熱性能相差較大,焊接熱輸入過大時,熱影響區(qū) 變寬,而且受焊縫空間位置限制[５].眾所周知,銅的 相變點(純銅的再結(jié)晶溫度為２００~２８０ ℃)比鎳的 相變點(純鎳的熔點為１４００ ℃以上)要低,具有非 常好的導(dǎo)熱性[６Ｇ７].所以凸耳與電鑄鎳焊接時的熱 傳導(dǎo)對其附近的鍍銅層顯微組織造成了影響[８],進 而使焊接區(qū)附近的鍍銅層顯微硬度降低,并且電鑄 鎳層熔深越大,附近鍍銅層的顯微硬度則越低.

綜合工況可知,１Cr１８Ni９Ti不銹鋼凸耳與電鑄 鎳為手工氬弧焊接,電流雖在工藝要求范圍內(nèi),但是 臺次間熱輸入散差理論上可能相對較大,有隨著電 流增大產(chǎn)品出現(xiàn)連接異常的頻次增加的趨勢.因 此,單從記錄可查的焊接電流這一項參數(shù)來看,電流 越大,焊接熱輸入影響鍍銅層組織越嚴重,引起激光 全息檢測連接異常的可能性也就越大.

綜上所述,焊接熱傳導(dǎo)使鍍銅層的顯微組織與 顯微硬度發(fā)生變化,從而影響了鍍銅層產(chǎn)生微觀變 形差異,導(dǎo)致激光全息檢測連接異常.

３ 結(jié)論 

(１)凸耳與電鑄鎳的焊接熱傳導(dǎo)使鍍銅層由原 來的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮牡容S晶,導(dǎo)致顯微硬度比 未焊接的原始鍍銅層的要低.在激光全息檢測時受焊接熱影響的鍍銅層與正常鍍銅層產(chǎn)生微觀變形差 異,從而顯示為連接異常. 

(２)凸耳與電鑄鎳的焊接熔深尺寸與鍍銅層顯 微硬度之間存在一定的相關(guān)性,即熔深越大,鍍銅層 的硬度越低.

４ 建議

建議開展凸耳與電鑄鎳層焊接工藝的改進研究 工作,進一步提高此焊縫結(jié)構(gòu)對焊接工藝能力的覆 蓋裕度.為給發(fā)動機風險評估提供支撐,需開展一 定的強度仿真、工藝試驗工作.同時,應(yīng)對凸耳與電 鑄鎳層的焊接熱輸入采取嚴格的控制措施.

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文章來源——材料與測試網(wǎng)