重要產品用低合金鋼焊接性能綜合評價

尹士科　王移山　趙國勝

0前言

低合金鋼包括高強度鋼、鉻-鉬耐熱鋼、低溫鋼和耐腐蝕鋼等，在工程結構中被廣泛采用，它在國民經濟建設中具有很重要的作用。低合金鋼的焊接是建造這些工程結構的主要工藝方法之一，也是產品制造過程中必須特別重視的關鍵環節。許多工程結構的破壞，包括一些重大的災難性事故，都是由于在焊接上出現質量問題造成的。低合金鋼的焊接應重點關注兩大方面的問題：一是焊接接頭的韌性，防止接頭的任一區域產生脆化，特別是過熱區；二是焊接裂紋，要防止在焊縫或熱影響區中出現裂紋，主要是焊接冷裂紋。對于承受動載荷的結構，還要有足夠的抗動載斷裂性能。因此，對一個重要的產品而言，需要進行下述幾方面的試驗，這包括模擬焊接熱影響區性能、焊接熱影響區及焊接接頭的抗裂性試驗、焊接接頭的抗動載斷裂。根據得出試驗結果，既可對鋼種的這些性能作出評價，又可以選出合適的焊接熱輸入、焊前預熱及道間溫度等施工參數。下面以10Ni5CrMoV鋼為例加以具體說明。

1模擬焊接熱影響區性能試驗

1.1試驗條件

模擬焊接熱循環是在設定的峰值溫度和冷卻速度條件下進行的，可以完成一次、兩次及多次模擬加熱。試驗時的加熱速度為100 ℃/s，峰值溫度（Tp）最高為1 350 ℃，通常再選定幾個有代表性的溫度，如兩相區溫度、正常的奧氏體區溫度和粗大的奧氏體區溫度等。冷卻速度通常用800～500 ℃之間的冷卻時間即t8 / 5表示，當t8 / 5設為5～10 s時，代表焊條電弧焊； 當t8 / 5設定為20～40 s時，代表中等規范的氣體保護焊或埋弧焊； 當t8 / 5設定為>40 s時，則代表大規范的氣電立焊或電渣焊等。試驗用鋼的化學成分和性能列于表1，鋼的Ac3是790 ℃，Ac1是660 ℃。

試驗選用的模擬焊接熱循環參數冷卻時間t8/5為5，10，20，40，60，90 s，峰值溫度Tp為750，950，1 150，1 350 ℃。

1.2試驗結果

在測定峰值溫度的影響時，把t8 / 5固定在10 s， 其它參數也保持不變；在測定t8 / 5的影響時，把峰值溫度固定為1 350 ℃。在不同峰值溫度和不同t8 / 5條件下，熱影響區的沖擊吸收能量和硬度匯總于表2。

由表2可以看出，與母材-50 ℃的沖擊吸收能量為203 J相比較，在模擬加熱之后的韌性都有所降低，且峰值溫度越高下降越明顯。峰值溫度在1 350 ℃時韌性最差，比母材的沖擊吸收能量下降了約30%。在硬度方面，僅750 ℃加熱后硬度值低于母材（348HV5），其它峰溫條件下的硬度均有所提高。950 ℃加熱后硬度提高最明顯，這與重新相變后生成馬氏體組織有關系。750 ℃加熱時，引起原回火馬氏體中的碳化物進一步析出等，導致硬度降低。

由模擬焊接熱循環試驗得知，當t8 / 5≤40 s時，隨著t8 / 5的增加，模擬熱影響區的韌性在逐漸提高，當t8 / 5=40 s時韌性達到最高值，并與母材的原始性能相當。t8 / 5>40 s后，隨著t8 / 5的增加，模擬熱影響區的韌性逐漸下降。t8 / 5=60 s時韌性已明顯降低，t8 / 5=90 s時沖擊吸收能量下降到30 J以下。因此，焊接10Ni5CrMoV鋼時，其t8 / 5應控制在40 s之內為宜。根據相關的公式計算，如果把預熱或道間溫度設定為120 ℃，這時的熱輸入約為63 kJ/cm；如果把預熱或道間溫度設定為150 ℃，那么它的熱輸入約為55 kJ/cm。這樣的熱輸入上限，可滿足氣體保護焊和埋弧焊等的施工要求。另外，t8 / 5也不宜太小，以10 s為下限。如果t8 / 5=5 s，熱影響區的韌性也會受到損害，這與組織上出現了孿晶馬氏體有關系[1]。

2焊接裂紋試驗

2.1焊接熱影響區的裂紋試驗

目前，國內外都利用插銷試驗方法來研究焊接熱影響區的裂紋敏感性，并取得了很多共識。這一試驗方法專門用來評定熱影響區的抗冷裂紋性能，是一個定量的試驗方法，它是國際焊接協會（IIW）推薦的試驗方法。

插銷試驗用底板為低碳鋼，插銷棒必須采用低合金高強度鋼，即10Ni5CrMoV鋼。焊接電流 170～180 A，電弧電壓26～28 V，焊接速度150 mm/min，焊道長度 100～150 mm。焊完后當底板溫度降至150 ℃時施加不同值的拉伸靜載荷，并保持其大小不變，以便確定臨界斷裂應力。試驗規定：當拉伸載荷保持24 h仍不斷開的話，則視為不斷裂。

2.1.1臨界斷裂應力的測定

為了比較焊條烘干溫度對臨界斷裂應力的影響，將其配套的J857Ni焊條分別在不同溫度下（350 ℃或450 ℃）烘干，同時采用水銀法測定擴散氫含量，其結果是：經350 ℃和450 ℃烘干后，其擴散氫含量分別是3.0 mL/100 g和1.43 mL/100 g。試驗時它與不同的預熱溫度相互組合（50 ℃、80 ℃及120 ℃）。不同焊條烘干溫度和不同預熱條件組合后的斷裂應力與斷裂時間之間的關系如圖1所示。

由圖1可知，采用350 ℃烘干的焊條，不進行預熱時的臨界斷裂應力是310 MPa；采用450 ℃烘干的焊條，不進行預熱時的臨界斷裂應力是410 MPa；當采用450 ℃烘干的焊條且預熱50 ℃時，應力不超過690 MPa則不產生斷裂；而當預熱達到80 ℃時，即使凈截面應力增加到880 MPa也不產生斷裂?？梢姡瑢εR界斷裂應力而言，提高預熱溫度比提高焊條烘干溫度的效果更加明顯。插銷試驗的測溫數據如下：不預熱焊接時，焊條熄弧至冷卻到150℃的時間是60～70 s；預熱溫度為50 ℃時，這一時間增至100 s左右；預熱溫度為80 ℃時增至150 s；預熱溫度為120 ℃時達到500 s左右。根據文獻[2]的測定結果：熄弧至冷卻到150 ℃的時間為60 s時，焊縫的擴散氫量為1.5 mL/100 g，而這一時間達到500 s時，擴散氫量僅有0.5 mL/100 g。因此，隨著預熱溫度的提高，擴散氫量逐漸降低；另外，緩慢冷卻降低了焊接殘余應力，因而使臨界斷裂強度得以有效提高。

2.1.2斷口宏觀形貌觀察

插銷試驗后，將24 h以內斷裂的試樣進行斷口形貌目視觀察，必要時采用放大鏡，粗略地確定其中纖維狀斷口和結晶狀斷口所占的比例，結果如表3所示。

由表3可以看出：不預熱時，不論焊條烘干溫度是高是低，其斷裂應力都是較低的，均在600 MPa以下；當預熱50 ℃時，其斷裂應力有了明顯提高，都在700 MPa以上。為便于說明，把前者稱為低應力斷裂，把后者稱為高應力斷裂。低應力斷裂時對應的斷口以結晶狀（脆性斷裂）為主，高應力斷裂時對應的斷口以纖維狀（延性斷裂）為主。試驗表明，影響斷口宏觀形貌的因素主要是焊條烘干溫度和預熱條件，與之對應的變化主要是焊縫中的擴散氫量。除了氫的影響外，施加的應力大小對斷口形貌也有一定影響。在同一焊條烘干溫度（如350 ℃），且均不預熱時，焊縫含氫量應是一樣的，當其施加的應力較低時，斷裂的持續時間增長，結晶狀斷口相應增多；在相同的預熱溫度下（如50 ℃），且都是450 ℃烘干時，其含氫量也應是相同的，當其施加的應力較低時，斷裂的持續時間也會增長，結晶狀斷口也相應增加。

2.2焊接接頭的裂紋試驗

2.2.1直Y形坡口對接裂紋試驗

試板尺寸為200 mm×150 mm×40 mm，采用J857Ni焊條。測定預熱溫度對裂紋的影響時，焊條不吸潮，烘干條件是450 ℃×2 h；測定吸潮時間對裂紋的影響時，焊條的烘干條件是420 ℃×2 h，放在30 ℃×90%的恒溫恒濕箱內1～6 h。上述兩者的試驗條件和裂紋率如表4所示。

由表4得知，在焊條不吸潮的情況下，既使環境溫度低，預熱到80 ℃以上仍可避免裂紋，但是，焊條吸潮超過2 h以上，既使預熱到100 ℃仍會在焊縫中出現嚴重裂紋，可見預防焊接材料吸潮是至關重要的。

2.2.2剛性固定對接裂紋試驗

試板尺寸為250 mm×250 mm×40 mm，固定在100 mm厚的底板上。采用J857Ni焊條，焊條烘干溫度和預熱溫度對裂紋率的影響如表5所示。

2.2.3弧形角接裂紋試驗

試件尺寸等見參考文獻[3]，試弧形角接裂紋試驗的試驗條件和裂紋情況如表6所示。

由表6可知，焊條吸潮后焊縫中擴散氫量明顯增加，致使裂紋嚴重，應給予高度重視。當環境溫度不低于0 ℃，環境濕度≤80%時，預熱和道間溫度宜控制在80～120 ℃；當環境溫度低于-5 ℃時，預熱和道間溫度控制在80～120 ℃還不足以消除裂紋，宜把預熱和道間溫度控制在100～130 ℃，環境濕度越大，這一溫度應越高。

3焊接接頭的抗動載性能試驗

在評定抗動載斷裂性能方面，目前國內外采用的試驗方法有：沖擊試驗（含示波沖擊）、CTOD實驗、動態撕裂試驗、落錘試驗、爆炸試驗等。有些國家則采用幾種試驗方法綜合評定，如采用落錘試驗和沖擊試驗方法相結合，也有的采用爆炸試驗和動態撕裂試驗相結合。

3.1示波沖擊試驗

10Ni5CrMoV鋼焊接區不同部位的示波沖擊試驗結果如表7所示。可以看出，焊縫中心的沖擊吸收能量很低，裂紋擴展吸收能量占沖擊吸收能量總量的比例不足50%，一旦出現裂紋將會在焊縫中快速擴展，并有可能進入熱影響區。熔合線和熔合線外2 mm處的沖擊吸收能量都很高，且裂紋擴展吸收能量占的比例較高，均大于60%，這表明熱影響區有著高的抗裂紋擴展能力。如果焊縫中的裂紋擴展到熱影響區，它將會在熱影響區中被阻止。鑒于10Ni5CrMoV鋼的韌性遠高于焊縫的韌性，可見焊縫是其薄弱環節，故下面的幾個試驗主要測定焊縫的相關性能。

3.2動態撕裂試驗 （DT試驗）

用焊條J857Ni焊接的焊縫金屬DT試驗結果如表8所示。

試驗結果表明，焊條J857Ni的焊縫金屬具有高的動態撕裂能量，達到了美國軍標規定值。

3.3落錘試驗（NDT試驗）

經測定焊條J857Ni的焊縫金屬NDT溫度為-80 ℃，見表9。

3.4爆炸試驗

試樣尺寸為40 mm×510 mm×510 mm；焊后保留原始焊道外形，不允許進行打磨。焊接接頭的爆炸膨脹試驗結果如表10所示。試驗結果表明，10Ni5CrMoV鋼與其配套的J857Ni焊條焊接后，焊接接頭的抗爆炸膨脹性能良好，符合美國軍標要求。

綜合各項抗動載性能試驗結果可知，10Ni5CrMoV鋼及其配套J857Ni焊條的抗動載斷裂性能優良，NDT溫度為-80℃，DT試驗和爆炸試驗結果均符合美國軍標要求，鋼的熱影響區有著高的抗裂紋擴展能力，但焊縫金屬的抗裂紋擴展能力偏低。

4結束語

通過上面的焊接性能綜合評價，可以確定：10Ni5CrMoV鋼及其配套焊材的抗動載斷裂性能優良，適于承受動載的工程結構。焊接該鋼種時可采用焊條電弧焊、氣體保護焊和埋弧焊等常用施工方法，其焊接熱輸入的上限為55 kJ/cm；但是，焊接熱輸入也不宜太小，以防止產生孿晶馬氏體。根據環境溫度、環境濕度的不同，可采用不同的預熱和道間溫度。通常，預熱和道間溫度宜控制在80～130 ℃，這時既可避免產生焊縫裂紋也能防止熱影響區出現低應力斷裂。上述各試驗所確定的焊接規范參數，均被編入產品施工指導文件。根據用戶介紹，經過多臺產品的施工與檢驗，證明所編制的施工指導文件效果良好，滿足了現場施工要求，能保證產品質量安全可靠。足見這一焊接性能綜合評價系統是可行的和可信的。

參考文獻

[1]尹士科，郭懷力，王移山.焊接熱循環對10Ni5CrMoV鋼組織的影響[J] 焊接學報，1996（1）：25-30.

[2]尹士科，王移山，李鳳輝. 焊縫中氫的擴散行為及影響因素[J]. 鋼鐵研究學報，2013（5）：49-53.

[3]尹士科，王移山.低合金鋼焊接特性及焊接材料[M].北京：化學工業出版社，2004 .

收稿日期： 2015-01-10

尹士科簡介： 1941年出生，教授級高級工程師，獲國家科技進步二等獎2項，部級科技進步一等獎3項，獲國家授權發明專利7項，出版著作和譯著共20部，發表論文100余篇。