重要产品用低合金钢焊接性能综合评价

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  0前言
  低合金钢包括高强度钢、铬-钼耐热钢、低温钢和耐腐蚀钢等,在工程结构中被广泛采用,它在国民经济建设中具有很重要的作用。低合金钢的焊接是建造这些工程结构的主要工艺方法之一,也是产品制造过程中必须特别重视的关键环节。许多工程结构的破坏,包括一些重大的灾难性事故,都是由于在焊接上出现质量问题造成的。低合金钢的焊接应重点关注两大方面的问题:一是焊接接头的韧性,防止接头的任一区域产生脆化,特别是过热区;二是焊接裂纹,要防止在焊缝或热影响区中出现裂纹,主要是焊接冷裂纹。对于承受动载荷的结构,还要有足够的抗动载断裂性能。因此,对一个重要的产品而言,需要进行下述几方面的试验,这包括模拟焊接热影响区性能、焊接热影响区及焊接接头的抗裂性试验、焊接接头的抗动载断裂。根据得出试验结果,既可对钢种的这些性能作出评价,又可以选出合适的焊接热输入、焊前预热及道间温度等施工参数。下面以10Ni5CrMoV钢为例加以具体说明。
  1模拟焊接热影响区性能试验
  1.1试验条件
  模拟焊接热循环是在设定的峰值温度和冷却速度条件下进行的,可以完成一次、两次及多次模拟加热。试验时的加热速度为100 ℃/s,峰值温度(Tp)最高为1 350 ℃,通常再选定几个有代表性的温度,如两相区温度、正常的奥氏体区温度和粗大的奥氏体区温度等。冷却速度通常用800~500 ℃之间的冷却时间即t8 / 5表示,当t8 / 5设为5~10 s时,代表焊条电弧焊; 当t8 / 5设定为20~40 s时,代表中等规范的气体保护焊或埋弧焊; 当t8 / 5设定为>40 s时,则代表大规范的气电立焊或电渣焊等。试验用钢的化学成分和性能列于表1,钢的Ac3是790 ℃,Ac1是660 ℃。
  试验选用的模拟焊接热循环参数冷却时间t8/5为5,10,20,40,60,90 s,峰值温度Tp为750,950,1 150,1 350 ℃。
  1.2试验结果
  在测定峰值温度的影响时,把t8 / 5固定在10 s, 其它参数也保持不变;在测定t8 / 5的影响时,把峰值温度固定为1 350 ℃。在不同峰值温度和不同t8 / 5条件下,热影响区的冲击吸收能量和硬度汇总于表2。
  由表2可以看出,与母材-50 ℃的冲击吸收能量为203 J相比较,在模拟加热之后的韧性都有所降低,且峰值温度越高下降越明显。峰值温度在1 350 ℃时韧性最差,比母材的冲击吸收能量下降了约30%。在硬度方面,仅750 ℃加热后硬度值低于母材(348HV5),其它峰温条件下的硬度均有所提高。950 ℃加热后硬度提高最明显,这与重新相变后生成马氏体组织有关系。750 ℃加热时,引起原回火马氏体中的碳化物进一步析出等,导致硬度降低。
  由模拟焊接热循环试验得知,当t8 / 5≤40 s时,随着t8 / 5的增加,模拟热影响区的韧性在逐渐提高,当t8 / 5=40 s时韧性达到最高值,并与母材的原始性能相当。t8 / 5>40 s后,随着t8 / 5的增加,模拟热影响区的韧性逐渐下降。t8 / 5=60 s时韧性已明显降低,t8 / 5=90 s时冲击吸收能量下降到30 J以下。因此,焊接10Ni5CrMoV钢时,其t8 / 5应控制在40 s之内为宜。根据相关的公式计算,如果把预热或道间温度设定为120 ℃,这时的热输入约为63 kJ/cm;如果把预热或道间温度设定为150 ℃,那么它的热输入约为55 kJ/cm。这样的热输入上限,可满足气体保护焊和埋弧焊等的施工要求。另外,t8 / 5也不宜太小,以10 s为下限。如果t8 / 5=5 s,热影响区的韧性也会受到损害,这与组织上出现了孪晶马氏体有关系[1]。
  2焊接裂纹试验
  2.1焊接热影响区的裂纹试验
  目前,国内外都利用插销试验方法来研究焊接热影响区的裂纹敏感性,并取得了很多共识。这一试验方法专门用来评定热影响区的抗冷裂纹性能,是一个定量的试验方法,它是国际焊接协会(IIW)推荐的试验方法。
  插销试验用底板为低碳钢,插销棒必须采用低合金高强度钢,即10Ni5CrMoV钢。焊接电流 170~180 A,电弧电压26~28 V,焊接速度150 mm/min,焊道长度 100~150 mm。焊完后当底板温度降至150 ℃时施加不同值的拉伸静载荷,并保持其大小不变,以便确定临界断裂应力。试验规定:当拉伸载荷保持24 h仍不断开的话,则视为不断裂。
  2.1.1临界断裂应力的测定
  为了比较焊条烘干温度对临界断裂应力的影响,将其配套的J857Ni焊条分别在不同温度下(350 ℃或450 ℃)烘干,同时采用水银法测定扩散氢含量,其结果是:经350 ℃和450 ℃烘干后,其扩散氢含量分别是3.0 mL/100 g和1.43 mL/100 g。试验时它与不同的预热温度相互组合(50 ℃、80 ℃及120 ℃)。不同焊条烘干温度和不同预热条件组合后的断裂应力与断裂时间之间的关系如图1所示。
  由图1可知,采用350 ℃烘干的焊条,不进行预热时的临界断裂应力是310 MPa;采用450 ℃烘干的焊条,不进行预热时的临界断裂应力是410 MPa;当采用450 ℃烘干的焊条且预热50 ℃时,应力不超过690 MPa则不产生断裂;而当预热达到80 ℃时,即使净截面应力增加到880 MPa也不产生断裂。可见,对临界断裂应力而言,提高预热温度比提高焊条烘干温度的效果更加明显。插销试验的测温数据如下:不预热焊接时,焊条熄弧至冷却到150℃的时间是60~70 s;预热温度为50 ℃时,这一时间增至100 s左右;预热温度为80 ℃时增至150 s;预热温度为120 ℃时达到500 s左右。根据文献[2]的测定结果:熄弧至冷却到150 ℃的时间为60 s时,焊缝的扩散氢量为1.5 mL/100 g,而这一时间达到500 s时,扩散氢量仅有0.5 mL/100 g。因此,随着预热温度的提高,扩散氢量逐渐降低;另外,缓慢冷却降低了焊接残余应力,因而使临界断裂强度得以有效提高。   2.1.2断口宏观形貌观察
  插销试验后,将24 h以内断裂的试样进行断口形貌目视观察,必要时采用放大镜,粗略地确定其中纤维状断口和结晶状断口所占的比例,结果如表3所示。
  由表3可以看出:不预热时,不论焊条烘干温度是高是低,其断裂应力都是较低的,均在600 MPa以下;当预热50 ℃时,其断裂应力有了明显提高,都在700 MPa以上。为便于说明,把前者称为低应力断裂,把后者称为高应力断裂。低应力断裂时对应的断口以结晶状(脆性断裂)为主,高应力断裂时对应的断口以纤维状(延性断裂)为主。试验表明,影响断口宏观形貌的因素主要是焊条烘干温度和预热条件,与之对应的变化主要是焊缝中的扩散氢量。除了氢的影响外,施加的应力大小对断口形貌也有一定影响。在同一焊条烘干温度(如350 ℃),且均不预热时,焊缝含氢量应是一样的,当其施加的应力较低时,断裂的持续时间增长,结晶状断口相应增多;在相同的预热温度下(如50 ℃),且都是450 ℃烘干时,其含氢量也应是相同的,当其施加的应力较低时,断裂的持续时间也会增长,结晶状断口也相应增加。
  2.2焊接接头的裂纹试验
  2.2.1直Y形坡口对接裂纹试验
  试板尺寸为200 mm×150 mm×40 mm,采用J857Ni焊条。测定预热温度对裂纹的影响时,焊条不吸潮,烘干条件是450 ℃×2 h;测定吸潮时间对裂纹的影响时,焊条的烘干条件是420 ℃×2 h,放在30 ℃×90%的恒温恒湿箱内1~6 h。上述两者的试验条件和裂纹率如表4所示。
  由表4得知,在焊条不吸潮的情况下,既使环境温度低,预热到80 ℃以上仍可避免裂纹,但是,焊条吸潮超过2 h以上,既使预热到100 ℃仍会在焊缝中出现严重裂纹,可见预防焊接材料吸潮是至关重要的。
  2.2.2刚性固定对接裂纹试验
  试板尺寸为250 mm×250 mm×40 mm,固定在100 mm厚的底板上。采用J857Ni焊条,焊条烘干温度和预热温度对裂纹率的影响如表5所示。
  2.2.3弧形角接裂纹试验
  试件尺寸等见参考文献[3],试弧形角接裂纹试验的试验条件和裂纹情况如表6所示。
  由表6可知,焊条吸潮后焊缝中扩散氢量明显增加,致使裂纹严重,应给予高度重视。当环境温度不低于0 ℃,环境湿度≤80%时,预热和道间温度宜控制在80~120 ℃;当环境温度低于-5 ℃时,预热和道间温度控制在80~120 ℃还不足以消除裂纹,宜把预热和道间温度控制在100~130 ℃,环境湿度越大,这一温度应越高。
  3焊接接头的抗动载性能试验
  在评定抗动载断裂性能方面,目前国内外采用的试验方法有:冲击试验(含示波冲击)、CTOD实验、动态撕裂试验、落锤试验、爆炸试验等。有些国家则采用几种试验方法综合评定,如采用落锤试验和冲击试验方法相结合,也有的采用爆炸试验和动态撕裂试验相结合。
  3.1示波冲击试验
  10Ni5CrMoV钢焊接区不同部位的示波冲击试验结果如表7所示。可以看出,焊缝中心的冲击吸收能量很低,裂纹扩展吸收能量占冲击吸收能量总量的比例不足50%,一旦出现裂纹将会在焊缝中快速扩展,并有可能进入热影响区。熔合线和熔合线外2 mm处的冲击吸收能量都很高,且裂纹扩展吸收能量占的比例较高,均大于60%,这表明热影响区有着高的抗裂纹扩展能力。如果焊缝中的裂纹扩展到热影响区,它将会在热影响区中被阻止。鉴于10Ni5CrMoV钢的韧性远高于焊缝的韧性,可见焊缝是其薄弱环节,故下面的几个试验主要测定焊缝的相关性能。
  3.2动态撕裂试验 (DT试验)
  用焊条J857Ni焊接的焊缝金属DT试验结果如表8所示。
  试验结果表明,焊条J857Ni的焊缝金属具有高的动态撕裂能量,达到了美国军标规定值。
  3.3落锤试验(NDT试验)
  经测定焊条J857Ni的焊缝金属NDT温度为-80 ℃,见表9。
  3.4爆炸试验
  试样尺寸为40 mm×510 mm×510 mm;焊后保留原始焊道外形,不允许进行打磨。焊接接头的爆炸膨胀试验结果如表10所示。试验结果表明,10Ni5CrMoV钢与其配套的J857Ni焊条焊接后,焊接接头的抗爆炸膨胀性能良好,符合美国军标要求。
  综合各项抗动载性能试验结果可知,10Ni5CrMoV钢及其配套J857Ni焊条的抗动载断裂性能优良,NDT温度为-80℃,DT试验和爆炸试验结果均符合美国军标要求,钢的热影响区有着高的抗裂纹扩展能力,但焊缝金属的抗裂纹扩展能力偏低。
  4结束语
  通过上面的焊接性能综合评价,可以确定:10Ni5CrMoV钢及其配套焊材的抗动载断裂性能优良,适于承受动载的工程结构。焊接该钢种时可采用焊条电弧焊、气体保护焊和埋弧焊等常用施工方法,其焊接热输入的上限为55 kJ/cm;但是,焊接热输入也不宜太小,以防止产生孪晶马氏体。根据环境温度、环境湿度的不同,可采用不同的预热和道间温度。通常,预热和道间温度宜控制在80~130 ℃,这时既可避免产生焊缝裂纹也能防止热影响区出现低应力断裂。上述各试验所确定的焊接规范参数,均被编入产品施工指导文件。根据用户介绍,经过多台产品的施工与检验,证明所编制的施工指导文件效果良好,满足了现场施工要求,能保证产品质量安全可靠。足见这一焊接性能综合评价系统是可行的和可信的。
  参考文献
  [1]尹士科,郭怀力,王移山.焊接热循环对10Ni5CrMoV钢组织的影响[J] 焊接学报,1996(1):25-30.
  [2]尹士科,王移山,李凤辉. 焊缝中氢的扩散行为及影响因素[J]. 钢铁研究学报,2013(5):49-53.
  [3]尹士科,王移山.低合金钢焊接特性及焊接材料[M].北京:化学工业出版社,2004 .
  收稿日期: 2015-01-10
  尹士科简介: 1941年出生,教授级高级工程师,获国家科技进步二等奖2项,部级科技进步一等奖3项,获国家授权发明专利7项,出版著作和译著共20部,发表论文100余篇。
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