摘 要:某型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)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(duì)連接異常進(jìn)行了驗(yàn)證分 析,通過(guò)顯微組織分析和顯微硬度測(cè)試分析了激光全息檢測(cè)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(lái)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(cè)的連接異常. 

關(guān)鍵詞:激光全息檢測(cè);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(hào):TG１１５．２;TB８５３．２２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９１９Ｇ０５

激光全息技術(shù)作為一種非接觸光學(xué)無(wú)損檢測(cè)方 法,可以做到對(duì)位移、轉(zhuǎn)動(dòng)、應(yīng)變、應(yīng)力、振動(dòng)、溫度、 壓力、質(zhì)量密度、電子密度等物理量的精確測(cè)量,檢 測(cè)速度快、檢測(cè)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(cè)問(wèn)題[１Ｇ２].自其發(fā)明以 來(lái),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(lái)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(hào)的推力室,均采用激光全 息方法來(lái)檢測(cè)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(guò)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(guò)模擬 試驗(yàn)確認(rèn)了某火箭發(fā)動(dòng)機(jī)液壓身部激光全息檢測(cè)出 的連接異常原因.

１ 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果 

１．１ 連接異常情況概述 

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)→激光全 息攝影.液壓身部經(jīng)激光全息檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在法蘭口順 時(shí)針?lè)较蚣s１２０°、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(yàn) 流程如圖２所示,在夾套充入６ MPa試驗(yàn)水,產(chǎn)品 受到內(nèi)壓作用時(shí),被檢測(cè)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(zhǎng)(對(duì)于 HeＧNe激 光器,λ＝０．６３２８μm),N 為干涉條紋級(jí)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(gè)波長(zhǎng)的位移差,即０．３１６μm,干涉條紋 級(jí)數(shù)約為３,由此可以估算本臺(tái)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(rèn)電 鑄身部的檢測(cè)質(zhì)量均合格,且從此臺(tái)產(chǎn)品擴(kuò)散段端 頭余量上檢測(cè)的實(shí)際結(jié)合力也遠(yuǎn)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(diǎn)和連接異常出現(xiàn)的位置來(lái)看,造成連接 異常的原因?yàn)楹附訜彷斎肓窟^(guò)大,見(jiàn)圖４. 

１．２ 模擬試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果 

采用３種狀態(tài)試件,對(duì)連接異常區(qū)域進(jìn)行金相相關(guān)性分析,具體分別為:１號(hào)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(hào)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(hào)為距焊接區(qū)域較遠(yuǎn)的鋯銅/電 鑄鎳試件. 

１．２．１ 金相檢驗(yàn) 

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

采用２０g氯化銅＋１００mL氨水溶液對(duì)３個(gè)試 樣鍍銅層的顯微組織進(jìn)行化學(xué)侵蝕,觀察可見(jiàn)焊接 位置附近鍍銅層的顯微組織均為較大的等軸晶,見(jiàn) 圖８a)和圖９a),而未焊接件和距焊接位置較遠(yuǎn)的鍍 銅層則均為細(xì)而長(zhǎng)的柱狀晶組織,且均沿垂直于基 體的方 向 生 長(zhǎng),說(shuō) 明 鍍 銅 時(shí) 有 擇 優(yōu) 取 向 沉 積,見(jiàn) 圖８b)、圖９b)和圖１０.由此說(shuō)明對(duì)電鑄鎳層進(jìn)行焊接會(huì)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(duì)１號(hào)和２號(hào)試樣電鑄鎳層的手工氬弧焊 縫形貌進(jìn)行觀察,見(jiàn)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(duì)各焊縫的熔深進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果見(jiàn)表１. 

１．２．２ 顯微硬度測(cè)試 

在 FMＧ７００顯微硬度計(jì)上使用０．９８N(１００gf) 力加載３０s,對(duì)３個(gè)試樣的鍍銅層進(jìn)行顯微硬度測(cè) 試,結(jié)果見(jiàn)表１.可見(jiàn)１號(hào)和２號(hào)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(hào)和２號(hào)試樣正常位置鍍銅層(即 未焊接的位置)的硬度以及３號(hào)試樣鍍銅層的硬度 一致,均為８０~９０HV０．１.１號(hào)和２號(hào)試樣焊接位 置附近鍍 銅 層 的 顯 微 硬 度 較 接 近,并 且 由 １ 號(hào) 和 ２號(hào)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(lái)的具有方向性生長(zhǎng)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(shí)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(duì)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(guò)大時(shí),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(diǎn)(純銅的再結(jié)晶溫度為２００~２８０ ℃)比鎳的 相變點(diǎn)(純鎳的熔點(diǎn)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(shí)的熱 傳導(dǎo)對(duì)其附近的鍍銅層顯微組織造成了影響[８],進(jìn) 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(tái)次間熱輸入散差理論上可能相對(duì)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(shì).因 此,單從記錄可查的焊接電流這一項(xiàng)參數(shù)來(lái)看,電流 越大,焊接熱輸入影響鍍銅層組織越嚴(yán)重,引起激光 全息檢測(cè)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(cè)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(lái)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(cè)時(shí)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(kāi)展凸耳與電鑄鎳層焊接工藝的改進(jìn)研究 工作,進(jìn)一步提高此焊縫結(jié)構(gòu)對(duì)焊接工藝能力的覆 蓋裕度.為給發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供支撐,需開(kāi)展一 定的強(qiáng)度仿真、工藝試驗(yàn)工作.同時(shí),應(yīng)對(duì)凸耳與電 鑄鎳層的焊接熱輸入采取嚴(yán)格的控制措施.

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