固体发动机D406A钢壳体支座角焊缝裂纹分析

秦占领 张黎旭 熊 然 李海荣



固体发动机D406A钢壳体支座角焊缝裂纹分析

秦占领 张黎旭 熊 然 李海荣

（西安航天动力机械厂，西安710025）

通过试验分析及焊接过程仿真相结合的方式，系统分析了固体发动机D406A钢金属壳体支座焊接裂纹产生的原因。结果表明：D406A钢固体发动机金属壳体支座角焊缝熔合区组织主要是针状马氏体，相比其它区域，显微硬度最高，冲击韧性最低，淬硬性最大，是整个接头最薄弱的区域。由于该处同时为接头应力最集中的区域，增大了熔合区处开裂的敏感性，从而导致支座角焊缝沿熔合线开裂。

固体发动机；D406A钢；支座；角焊缝；裂纹

1 引言

D406A钢金属壳体是某固体火箭发动机的主要承力部件，其壳体筒段外表面焊接了大量的支座用于电缆罩的连接和受力承载，支座与壳体全部采用钨极氩弧焊的角焊缝形式，数量多而密集，支座材料为20钢，焊接材料选择ER50-6焊丝。由于壳体用D406A超高强度钢中合金元素众多，碳当量较高，淬硬倾向较大，较易出现裂纹缺陷，可焊性较差[1～3]。该D406A金属壳体角焊缝易产生冷裂纹，支座角焊缝一旦出现裂纹会影响发动机的正常使用，严重时直接导致燃烧室壳体报废，造成巨大经济损失。因此，研究固体发动机D406A钢金属壳体支座角焊缝焊接裂纹的产生原因，对于稳定固体发动机质量可靠性具有重要的意义。

本文主要采用试验分析及焊接过程仿真相结合的方式，系统分析固体发动机D406A钢金属壳体支座焊接裂纹产生的原因，为该发动机金属壳体的质量控制措施的制定提供参考依据。

2 支座角焊缝裂纹性质

因D406A超高强度钢属于中碳调质钢，其碳含量及合金含量较高，按照碳当量的计算公式计算得出D406A超高强度钢的碳当量约为0.82%，材料焊接时极易产生硬脆的高碳马氏体，淬硬倾向及冷裂倾向十分严重。

图1所示为D406A钢金属壳体支座焊缝结构及裂纹示意图，图1b为图1a裂纹处的放大图。由图可见，裂纹位于角焊缝的焊趾部位，沿熔合线扩展，形貌与冷裂纹中焊趾裂纹形貌吻合，且该裂纹焊接过程中不立即出现，而是放置一段时间后经磁粉探伤发现，具有焊接冷裂纹的延时特征，由此判断，该金属壳体支座焊接裂纹属于焊缝裂纹类别中的延迟冷裂纹[4]。

a 支座焊缝

b 焊接裂纹

图1 支座焊缝结构及裂纹示意图

3 接头显微组织及性能分析

3.1 接头显微组织分析

图2a为焊态下D406A钢一侧焊接接头横断面宏观形貌，图2b为该部位放大图，焊缝焊态下D406A钢一侧接头主要分为焊缝、熔合区、完全淬火区、不完全淬火区和母材5个区域，熔合区、完全淬火区、不完全淬火区统称为热影响区。

a 焊接接头宏观特征

b 接头区域示意图

图2 焊接接头横断面形貌

图3a～图3d为焊后母材侧收弧处各区域组织图，D406A钢母材为粒状珠光体组织；焊缝区为位向清晰地板条马氏体组织；熔合区为粗大的针状马氏体组织，界线曲折；完全淬火区是板条马氏体和铁素体组织，晶粒较细小。D406A热影响区的熔合区在焊接过程中，当温度超过D406A的固态相变温度时，母材的粒状珠光体转变为体心立方的δ相，在较快的冷却速度下最终转变为马氏体组织。由于冷却速率较大，且材料本身碳含量较高，因此该区域中马氏体的含量较高，淬硬性较大，故熔合区是裂纹产生的主要地带。

图3 焊接接头各区域显微组织

3.2 接头显微硬度及冲击韧性分析

图4为焊态下角接头显微硬度分布情况，由图看出，D406A钢一侧焊缝在焊态下，硬度分布为：HAZ（热影响区）>WM（焊缝）>BM（母材），热影响区靠近焊缝处出现硬度最大值，最高硬度为622HV，接头显微硬度的分布与接头显微组织分布有密切联系，由于热影响区靠近焊缝的熔合区内高碳针状马氏体的存在，显微硬度相比其它区域大，而热影响区的最高硬度也反应出该区域的淬硬倾向在接头所有区域中是最大的，因此，该区域的焊缝冷裂纹敏感性相应最大。

图4 焊接接头显微硬度分布

表1为ER50-6焊丝焊接D406A对接接头在焊态时的冲击功，由表中看出，相比母材细小的粒状珠光体，熔合区针状马氏体组织的位错不易运动，容易造成应力集中，韧性远低于母材的韧性，而焊缝区板条马氏体组织的韧性要略高于针状马氏体组织，韧性介于熔合区和母材区之间，说明该金属壳体支座角焊缝熔合区较易产生裂纹。

表1 D406A对接接头的冲击功

编号区域平均冲击功/J·cm-2 1基材77 2焊缝57 3熔合区40

3.3 ER50-6焊丝裂纹敏感性分析

a 宏观裂纹（断面I） b 微观裂纹（断面Ⅲ）

根据焊国家标准GB/T4675.1—84《斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》，测试ER50-6焊丝裂纹敏感性，斜Y坡口试板焊接完48h后，采用渗透检测的方法检测表面裂纹，未发现表面裂纹。垂直于试板试验焊缝均分切取5个断面，研磨后采用5%硝酸酒精溶液腐蚀断面，用20～30倍的显微镜检测裂纹，发现ER50-6焊丝所焊的焊缝处断面I和断面Ⅲ两个断面上均产生裂纹（图5），断面I为长约2.0mm的宏观裂纹，断面为长度小于100μm的微观裂纹。结果表明，ER50-6焊丝冷裂纹敏感性较强，易产生裂纹。

4 壳体支座焊接应力数值模拟分析

该固体发动机金属壳体上支座焊接应力的分析采用数值模拟的方法，图6为建立的有限元模型，由于固体发动机金属壳体尺寸较大，为提高模拟分析过程中的计算效率，研究采用了不均匀网格划分的形式，在焊缝处进行网格细化处理，热分析时采用SOLID70单元，结构分析时将该单元转换成相应的结构单元SOLID185进行计算。

a 整体有限元模型 b 支座局部放大图

图7为计算得到的焊缝与热影响区节点的热循环曲线，焊前壳体保持100℃的预热温度，焊接时焊缝温度急剧升高至1500℃左右，冷却过程中温度快速下降，呈现陡升陡降现象。热影响区处的温度变化曲线也存在突然增加的趋势，但因热源不直接作用到热影响区，只是通过焊缝区对其热传导作用提供温度，所以该部位温度升高的幅度相对焊缝区较为平缓。

图7 焊缝及热影响区焊接热循环曲线

应力场的计算是将温度场计算的结果以载荷的方式施加在壳体上实现，图8为通过有限元计算所获得的应力分布云图，由图可以看出，焊后壳体峰值应力为742MPa，应力集中在壳体热影响区一侧，电缆座上应力数值较小。因构成角焊缝的几何形状变化剧烈，其力线的传递是挠曲不直的，力线的传递比较复杂，焊缝的根部与趾部的应力集中程度一般都比对接接头大。对于D406A钢发动机壳体与支座的角焊缝结构，应力集中部位为热影响区靠近焊缝的熔合区部位，而该区域的组织主要以针状马氏体为主，淬硬倾向大。因此接头组织方面的薄弱区域与应力集中区域处于同一位置，进一步增加了接头开裂的敏感性。

图8 支座焊缝应力分布云图

4 结束语

a. D406A钢固体发动机金属壳体支座焊接裂纹沿熔合线扩展并具有延迟特征，裂纹性质为延迟冷裂纹。

b. D406A钢壳体支座角焊缝接头母材为粒状珠光体组织，焊缝区组织主要为板条马氏体，完全淬火区组织主要是板条马氏体和铁素体，熔合区组织主要是针状马氏体，相比其它区域，显微硬度最高，冲击功最低，淬硬性最大，是整个接头最薄弱的区域。

c. 焊后壳体峰值应力为742MPa，应力集中在壳体热影响区一侧，电缆座上应力数值较小。

d. D406A钢壳体支座角焊缝熔合区淬硬的马氏体组织是开裂的内在因素，焊接接头应力集中是开裂的外在因素，接头组织方面的薄弱区域与应力集中区域处于同一位置，进一步增加了接头开裂的敏感性，导致支座角焊缝沿熔合线附近开裂。

1 陈孝龙. D406A钢焊接工艺研究[J]. 航天制造技术，2004，8(4)：12～15

2 邹吉权，荆洪阳，霍立兴. D406A钢焊接接头断裂韧度测试[J]. 焊接学报，2006，27(11)：37～40

3 邱保文，涂应宏，张彤，等. D406A钢的力学统计特征[c]. 首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会，成都：155～158

4 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册第2卷[M]. 北京：北京机械工业出版社，2007

Analysis on Weld Cracking for Sustainer of Solid Engine D406A Steell Shell

Qin Zhanling Zhang Lixu Xiong Ran

(Xi’an Aerospace Power Machine Factory, Xi’an 710025)

This paper systematically analyzed the reason of weld cracking for sustainer of large D406A steel solid engine metal shell through experiment and numerical simulation. The results showed that, the maily microstructure in fusion zone of sustainer fillet welding joint is stink needle martensite. Compared to other region, it obtained hightest microhardness value,lowest impact toughness and largest harden quenching tendency in fusion zone, which is the weakest region of fillet joint. Meanwhile, because the stress is concentrated, increased the sensitivity of cracking in this region, so these caused cracking along fusion line for sustainer fillet welding joint.

soild engine；D406A steel；sustainer；fillet weld；cold cracking

秦占领（1980），高级工程师，焊接专业；研究方向：金属材料焊接工艺研究及固体发动机焊接质量控制。

2017-04-19