15CrMoR試件焊接冷裂紋延遲特性的聲發射實驗研究*

周俊鵬 張盛瑀 戴 光 張 穎 高 文

(1. 東北石油大學機械科學與工程學院；2. 大慶油田工程建設公司；3. 長春特種設備檢測研究院)

焊接冷裂紋的產生和擴展具有延遲特性，導致對其的監測與防止較復雜，并給產品的安全使用帶來很大的危害，因此需要對造成冷裂紋延遲特性的影響因素進行分析研究，從而提出有效的改進措施和預防方法。

對于冷裂紋的產生與擴展的延遲現象，Troiano A R提出了氫的應力誘導擴散理論，即氫擴散與位錯運動相互交替的延遲裂紋機理理論[1]。焊接冷裂紋是由淬硬組織、擴散氫和拘束應力共同作用產生的，在冷裂紋演變過程中有位錯運動、相變及裂紋萌生與擴展等活動，并伴隨著聲發射現象。筆者采用聲發射監測技術對不同焊接工藝條件下的小鐵研試件進行焊后自然冷卻過程的聲發射監測實驗，獲取冷裂紋演變過程的聲發射信號特性規律，確定焊接冷裂紋起裂和擴展過程的信號特征[2]。

1 焊接冷裂紋聲發射監測機理

聲發射是材料局部因能量的快速釋放而發出瞬態彈性應力波的現象[3]。聲發射技術是一種有效的無損檢測方法，可以實現實時在線監測，并已廣泛應用于壓力容器和管道的監測、焊接質量監測和設備安全評價領域。由于在焊接冷卻過程中電弧的干擾已不存在，易于進行聲發射監測，且金屬材料的受力變形、相變、結晶凝固、位錯運動及裂紋的產生與擴展等事件都伴隨著能量釋放，均會在焊件中產生聲發射信號，因此可以通過分析接收到的聲發射信號來監測焊接質量[4]。

焊接冷裂紋形成過程中產生了淬硬組織馬氏體，形成了晶格缺陷或其他形態的微觀缺陷，提高了該區的局部應力水平，在缺陷或缺口的前沿有一個相當高的三向應力梯度，誘使氫聚集或擴散到這些潛在的開裂位置附近。氫達到一定濃度時會阻礙位錯運動，使局部區域脆化，在應力作用下缺陷擴展而形成微裂。冷裂紋從孕育、萌生、擴展至開裂，是由許多微裂紋匯聚而成的，微裂紋擴展過程是斷續、間歇進行的[5]。這些過程中都會產生聲發射信號，于是通過對焊接冷裂紋聲發射監測獲得的聲發射信號進行分析，可以得知焊接裂紋產生和擴展過程的聲發射信號特性。

2 15CrMoR試件焊接聲發射監測實驗方案

選用15CrMoR材料制備小鐵研焊接試件(圖1)，根據GB 4675.1-1984[6]采用手工電弧焊方式在兩種不同的焊接工藝條件下(表1)進行焊接實驗。采用美國PAC公司制造的SAMOS-32通道聲發射監測儀進行監測，聲發射采集系統設置模擬濾波頻率范圍20～400kHz，門檻為50dB，增益為40dB。具體焊接試件結構尺寸如圖1所示，焊接工藝的制定見表1。

圖1 焊接試件結構尺寸

試件編號焊接工藝條件1#焊接電壓24V,焊接電流130A,150℃預熱+200℃后熱2h,焊條烘干2h2#焊接電壓24V,焊接電流130A,無預熱和后熱,焊條未烘干

15CrMoR試件焊接聲發射監測系統如圖2所示，監測結束后需對試件進行滲透檢測，驗證其是否產生冷裂紋。采用光學顯微鏡和掃描電鏡進行觀察，獲取有冷裂紋產生的試件的熱影響區組織圖和焊縫裂紋斷口樣貌圖。

圖2 焊接冷裂紋聲發射監測實驗系統

3 結果與分析

3.1焊接實驗檢測結果

按照不同的焊接工藝對1#和2#試件進行焊接聲發射監測實驗，獲得聲發射信號特征參量(撞擊計數、幅值)歷程圖(圖3、4)。監測結束后對試件進行滲透檢測，發現1#試件無冷裂紋產生，2#試件有冷裂紋產生，且裂紋貫穿整個實驗焊縫(圖5)。

圖3 1#試件聲發射信號特征參量歷程圖

圖4 2#試件聲發射信號特征參量歷程圖

圖5 焊接試件滲透檢測結果

在確定2#試件焊后產生冷裂紋后，為進一步了解冷裂紋產生與擴展機理，在2#試件滲透檢測結束后，利用掃描電鏡和光學顯微鏡獲取了2#試件的斷口樣貌和熱影響區金相組織(圖6、7)。從圖6可以看出，試件斷口圖像為典型的脆性斷裂特征，并分布著微裂紋。從圖7可以看出，在試件的熱影響區金相組織中存在淬硬組織片狀馬氏體。

圖6 試件焊縫斷口樣貌

圖7 試件熱影響區金相組織

3.21#試件監測結果分析

1#試件焊接結束后通過電加熱自動控溫儀將溫度升至200℃后開始保溫，并開始采集聲發射數據。由圖3可知，整個監測過程中聲發射信號數量較少且活性不高，信號的幅值也較低，無突增的高幅值聲發射信號產生。依據上述聲發射信號特征規律可判定整個監測過程中無冷裂紋產生，這與1#試件焊后的滲透檢測結果一致。

1#試件監測過程可分為保溫過程和冷卻過程。0～7 200s內是保溫過程，其聲發射信號撞擊個數相對冷卻過程較多，信號的幅值也相對較高。這是由于焊接時空氣中的水分進入試件內部形成了豐富的擴散氫。氫是造成冷裂紋延遲特征的主要因素之一，因此需要采取保溫措施使這部分擴散氫充分釋放。保溫措施會減緩冷卻過程，使焊縫和熱影響區組織相變不會因過急冷卻產生淬硬組織馬氏體。但保溫過程中仍然會發生相變及位錯運動等活動，且在拘束應力作用下會產生形變，這些活動都會產生少量低強度的聲發射信號。

冷卻過程是7 200s后試件開始向室溫冷卻的過程，這期間聲發射信號撞擊個數更少，信號的幅值更低。這是由于經過保溫過程擴散氫已完全釋放，實驗焊縫在拘束應力作用下發生變形等活動，這些活動會產生少量低幅值的聲發射信號。

3.32#試件監測結果分析

2#試件焊后立即開始聲發射監測，由圖4可知，在焊后監測過程中出現了數量較多的聲發射信號突增現象，且這些信號具有高幅值特征。依據上述聲發射信號特征規律可以判定2#試件焊后產生了冷裂紋，并可以認定當出現高幅值聲發射信號突增現象時，冷裂紋開始起裂和擴展。2#試件的聲發射監測結果與滲透檢測結果一致。

通過分析圖4、6、7可知，試件在焊后0～t0時間內產生了較多的聲發射信號，且其幅值較高。這是因為焊后冷卻過程中由于未采取后熱處理，冷卻速度過快，產生了淬硬組織片狀馬氏體。馬氏體相變過程中發生了片狀切變型體積轉變，并會伴生大量幅值較高的聲發射信號。

t0～t1時間內產生了較少的低幅值聲發射信號，這是由于此時溫度下降較快，在應力的誘導下氫向形成的馬氏體處擴散，并以過飽和狀態殘留在馬氏體中，促使這一區域進一步脆化。在t1時刻突發大于90dB的高幅值聲發射信號，這是由于此時試件內部的氫累積到一定濃度，在應力作用下馬氏體會產生脆性微裂，據此可以判定此時冷裂紋起裂。

t1～t2時間內產生了數量較多的高幅值聲發射信號，這是由于焊縫冷卻不均勻，在焊縫不同位置產生了微裂紋，并在應力作用下微裂紋逐漸匯聚成一條宏觀裂紋。

自t2到監測結束的時間內，聲發射信號陣發性產生，且陣發的時間間隔逐漸加長，信號幅值整體呈逐漸減弱趨勢。這是由于冷裂紋擴展過程(開裂、擴展、再開裂、再擴展)中釋放的能量逐漸減弱，能量積累到裂紋擴展所需能量的時間逐漸加長，并存在某一時刻能量完全釋放，裂紋停止擴展。

4 結論

4.1聲發射技術可用于監測焊接冷裂紋的產生與擴展過程，預報其起裂時間。

4.2通過對2#試件的聲發射監測信號特性規律進行分析，結合試件滲透檢測結果、焊縫斷口樣貌和熱影響區金相組織，可以得知冷裂紋的產生是由淬硬組織馬氏體、擴散氫和拘束應力共同作用的結果，并驗證了冷裂紋產生和擴展的延遲特性。

[1] Troiano A R.The Role of Hydrogen and Other Interstitials in the Mechanical Behavior of Metals[J].Trans mission ASM, 1960,52:54～80.

[2] 謝旭夢，段權.16Mn手工電弧焊焊接過程聲發射信號特性研究[J].石油化工設備，2012，41(6):10～15.

[3] 韓雙連，隋青美，姜明順.聲發射信號分析及其軟件實現[J].化工自動化及儀表，2014，41(8)：930～934.

[4] 柏青，周燦豐，高輝，等.摩擦疊焊工藝中聲發射技術的應用前景[J].新技術新工藝，2014，(7)：73～76.

[5] 李亞江.焊接缺陷分析與對策[M].北京：化學工業出版社，2011：208～209.

[6] GB 4675.1-1984，焊接性試驗：斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法[S]. 北京：中國標準出版社，1984.