FV520B鋼和Q235A鋼焊接接頭的維氏硬度試驗

杜 凱,張忠和

(沈陽鼓風機集團股份有限公司,沈陽110869)

FV520B鋼和Q235A鋼焊接接頭的維氏硬度試驗

杜 凱,張忠和

(沈陽鼓風機集團股份有限公司,沈陽110869)

在沒有x-y軸移動裝置的HV-120型維氏硬度計上,僅增加簡單的輔助工具,成功完成了FV520B馬氏體沉淀硬化不銹鋼和Q235A鋼V型焊縫焊接接頭的維氏硬度試驗。結果表明: FV520B鋼焊接接頭的焊縫、熔合線、熱影響區(qū)以及母材的維氏硬度差別較小,硬度分布比較均勻,焊接質量滿意;Q235A鋼焊接接頭的焊縫、熔合線、熱影響區(qū)以及母材的維氏硬度差別更小,硬度分布更加均勻,焊接質量更好。該試驗方法操作簡單、方便實用,可以完成V型焊縫焊接接頭的維氏硬度測試,對使用沒有x-y軸移動裝置的維氏硬度計的企業(yè)進行焊縫質量評定具有借鑒作用。

FV520B鋼;Q235 A鋼;焊接接頭;V型焊縫;維氏硬度試驗

在機械設備、尤其是壓力容器的制造過程中,金屬材料的焊接是一道非常重要的熱加工工序,焊接工藝的正確與否是保證焊接件質量的重要基礎。為了保證焊接工藝的正確和可靠,對焊接工藝進行評定是非常必要的。按照標準規(guī)定,新擬定的焊接工藝、改變了焊接方法的焊接工藝或改變了重要焊接參數(shù)的焊接工藝都要進行焊接工藝評定,焊接工藝評定包括力學性能(拉伸、沖擊、硬度等)試驗和彎曲性能試驗等[1]。其中,焊接接頭的硬度試驗是焊接工藝評定的方法之一,它能夠反映焊縫區(qū)域的組織結構和力學性能的變化情況,可作為衡量材料可焊性的重要試驗數(shù)據(jù),在焊接工藝評定的力學性能試驗中起到越來越重要的作用。該試驗是按照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》[2]進行的,另外還參考了相關文獻[3-4]。

在維氏硬度計沒有x-y軸移動裝置的情況下,為測試FV520B鋼和Q235A鋼焊接接頭的維氏硬度,利用HV-120型維氏硬度計,借助簡單的輔助工具,對FV520B鋼和Q235A鋼V型焊縫焊接接頭的維氏硬度進行測試,以期給使用沒有x-y軸移動裝置的維氏硬度計進行焊縫質量評定的人員提供借鑒作用。

1 試驗材料及其焊接工藝

1.1 試驗材料

試驗所選用的材料有兩種。一種是FV520B (0Cr13Ni5Cu MoNb)馬氏體沉淀硬化不銹鋼(母材),電爐冶煉,電渣重熔精煉,經(jīng)鍛造及超聲波探傷檢驗合格后進行焊接試驗,對應的焊材牌號為FBE0-12-7-15。FV520B鋼焊后進行熱處理(固溶、調(diào)整、時效),1號、2號焊接試樣的時效溫度不同,1號試樣為480℃,2號試樣為560℃。另一種母材為Q235 A鋼板材,焊材牌號為ER70S-6,焊后同樣進行熱處理。試驗所用材料的化學成分見表1,可見其完全符合相關標準和焊接材料的要求。

表1 試驗材料的化學成分(質量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of test materials（mass）%

1.2 焊接工藝

FV520B鋼選用焊條電弧焊,焊接前在坡口及兩側母材50 mm范圍內(nèi)清理鐵銹、清洗油污,采用多層多道焊接,試樣尺寸及坡口焊層的形狀見圖1,層間清渣,無缺陷后再焊下一層,層間溫度150～200℃,焊接工藝主要參數(shù)見表2。

Q235A鋼板材選用半自動CO2氣體保護焊進行焊接,保護氣體為80%Ar+20%CO2(體積分數(shù)),氣體流量為15～25 L·min—1。焊接前清理鐵銹、清洗油污,多層多道焊接的層間進行清渣確保無缺陷,層間溫度不大于250℃,試樣尺寸及坡口焊層的形狀與圖1類似,焊接工藝主要參數(shù)見表2。

圖1 試樣尺寸及坡口焊層的形狀Fig.1 The specimen size and groove weld layer shape：（a）specimen size；（b）groove weld layer shape

表2 FV520B鋼和Q235A鋼的焊接工藝參數(shù)Tab.2 Welding process parameters of FV520B steel and Q235A steel

2 試驗方法

2.1 試驗設備及輔助工具

試驗采用原山東掖縣材料試驗機廠生產(chǎn)的HV-120型維氏硬度計,圓形工作試臺直徑為135.0 mm,測量讀數(shù)顯微鏡放大倍數(shù)為125倍,微分筒最小分度值為0.001 mm。游標卡尺的測量范圍為0～150 mm,讀數(shù)分度值(精度值)為0.02 mm。其他輔助工具還有塑料三角尺和鐵夾,舊標準塊HV10。

2.2 維氏硬度試驗方法

該焊接接頭的維氏硬度試驗參照GB/T 2654—2008進行,FV520B鋼采用的是單點測定(E)法,測試區(qū)域及位置見圖2(a),各區(qū)域的測試點為3個,比標準要求多測了一個;Q235A鋼采用的是標線測定(R)法,標線位置見圖2(b),壓痕點之間的距離為1 mm,呈直線排列。

圖2 維氏硬度測試點和標線位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring points and graticule positions of Vickers hardness：

由于焊接接頭的熱影響區(qū)比較狹小、熔合線呈淺紋狀,應選用工作臺具有x-y軸移動功能的維氏硬度計進行測試,才能夠保證維氏硬度壓痕點處在準確的位置。但該試驗選用的HV-120型維氏硬度計不具備x-y軸移動功能,筆者借助一些比較簡單的輔助工具,保證了試樣能夠在工作臺上前、后、左、右平穩(wěn)移動,從而實現(xiàn)對焊接試樣的焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材等部位進行維氏硬度的層次試驗。

2.3 FV520B鋼的維氏硬度試驗

維氏硬度試驗選擇的載荷為98.07 N(10 kgf),保持載荷時間為10 s。首先在焊縫上進行維氏硬度試驗,將試樣放在工作臺中,使壓頭與試樣表面接觸,垂直于試驗面施加試驗力,在加力的過程中不能有沖擊和振動,直到將試驗力加至規(guī)定的98.07 N,保持載荷10 s。然后卸除載荷,測量壓痕兩條對角線的長度,用其算術平均值查表[5]得出維氏硬度。之后按照上述的試驗程序,分別在熱影響區(qū)和母材上進行維氏硬度試驗,熱影響區(qū)的壓痕要盡量靠近熔合線。

圖3 A,B測試線的起始點位置Fig.3 The starting positions of the measuring lines A and B：

2.4 Q235A鋼的維氏硬度試驗

(1)如圖3(a)所示,對焊接接頭試樣的A線(即焊縫中心位置)進行維氏硬度試驗[6]。首先要確定A線處在焊縫的中心位置,工作臺的直徑為135.0 mm,其半徑為67.5 mm,既是工作臺的中心點也是壓頭在工作試臺的中心點,又是硬度壓痕的起始點。試樣長度為40 mm,中心尺寸為20 mm, 20 mm的位置即為焊縫的中心位置。將試樣擺放在工作臺上,試樣的邊部距工作臺邊部的距離應為47.5 mm,同樣47.5 mm就是確定焊縫中心A線的位置。然后用鐵夾將塑料三角尺夾在工作臺上,試樣必須與三角尺緊密對接無間隙,這樣就能保證試樣不會上下移動,其主要目的是起到定位的作用。此時即可進行硬度試驗,每打一點后用游標卡尺的深淺尺(尾尺)向左側輕推試樣,使試樣移動1 mm,用此方法反復操作,就能夠保證相鄰壓痕間距為1 mm且呈直線排列。

(2)如圖3(b)所示,對焊接接頭試樣的B線進行維氏硬度試驗。將試樣旋轉90°后,確定試樣邊部與工作試臺邊部的距離為56.5 mm,此距離就是壓痕在B線上的起始點。同樣要求試樣與塑料三角尺緊密對接無間隙。打一點后,用游標卡尺的深淺尺(尾尺)向左側輕推試樣,反復進行就能滿足相鄰壓痕間距為1 mm,且呈直線排列。將試樣旋轉180°,使用同樣方法即可測得焊接接頭試樣C線的硬度。

(3)對焊接接頭試樣的D線和E線(即熔合線位置)進行維氏硬度試驗。為了保證試樣的壓痕處在熔合線上,需要在舊標準塊上打一點壓痕后,調(diào)整硬度計的目鏡使壓痕清晰,再將測量讀數(shù)顯微鏡中的左側刻線對正壓痕上、下兩個角,如圖4所示。然后拿掉舊標準塊,將試樣放在工作試臺上,使熔合線對正測量讀數(shù)顯微鏡中的左側刻線,即熔合線與讀數(shù)顯微鏡中的左側刻線重疊,這樣能夠保證壓痕正好在熔合線上,此時再進行維氏硬度試驗[6],反復進行即可。

Q235 A鋼標線測定(R)法硬度試驗的壓痕試驗點位置如圖5所示。

圖4 確定熔合線的位置Fig.4 Determination of the fusion line

圖5 Q235A鋼的硬度測試點位置Fig.5 The location of the measuring points of Q235A steel

3 試驗結果與討論

3.1 試驗結果

FV520B鋼的維氏硬度試驗結果見表3,Q235 A鋼的維氏硬度試驗結果見表4。

表3 FV520B鋼的維氏硬度試驗結果Tab.3 Test results of Vickers hardness of FV520B steel H V10

表4 Q235A鋼的維氏硬度試驗結果Tab.4 Test results of Vickers hardness of Q235A steel H V10

3.2 討論

從FV520B鋼的維氏硬度試驗結果可以看出: 1號試樣熱影響區(qū)的維氏硬度略低一些,但總體來看各區(qū)域的維氏硬度差別不是很大;2號試樣焊縫的維氏硬度略低一些,但焊接各區(qū)域的差值也更小一些,即焊接效果較好。對比1號、2號試樣的維氏硬度,由于時效溫度不同(1號試樣480℃時效,2號試樣560℃時效),因此維氏硬度也不同,各區(qū)的硬度同樣隨時效溫度的提高而下降,也就是時效溫度對焊接各區(qū)域硬度的影響規(guī)律完全符合對母材的影響規(guī)律。

從Q235A鋼的維氏硬度試驗結果可以看出,焊縫區(qū)域的維氏硬度最高,平均值在170 HV10以上;母材的維氏硬度最低,平均值接近但不超過160 HV10;熱影響區(qū)的硬度介于焊縫和母材之間,熔合線的硬度非常均勻,在164～166 HV10,10個測試點的硬度幾乎沒有區(qū)別,平均值低于焊縫的、高于左側熱影響區(qū)的但低于右側熱影響區(qū)的。雖然硬度有上述變化規(guī)律,但總體來看各區(qū)域硬度差別不大,硬度分布均勻,也就是說焊接效果良好。

4 結論

(1)FV520B馬氏體沉淀硬化不銹鋼應用焊條手工電弧焊進行焊接,其焊接接頭的維氏硬度試驗結果顯示,焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)以及母材的維氏硬度差別不大,硬度分布比較均勻,焊接效果滿意。

(2)Q235 A鋼板材應用CO2氣體保護焊進行焊接,其焊接接頭的維氏硬度試驗結果顯示,焊接接頭的焊縫、熔合線、熱影響區(qū)及母材的維氏硬度差別比FV520B鋼焊接接頭的更小,硬度分布更加均勻,焊接效果更好。

(3)該試驗使用沒有x-y軸移動裝置的HV-120型維氏硬度計,在僅增加簡單輔助工具(三角尺、鐵夾、游標卡尺等)的情況下進行維氏硬度試驗,不僅保證了壓痕點之間距離的精確性(間距1 mm,呈直線排列)及壓痕點至邊緣部位尺寸位置的精確性,而且測試出了焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材各區(qū)域硬度的變化規(guī)律,成功地完成了V型焊縫焊接接頭的維氏硬度試驗,既發(fā)揮了老設備的作用,又滿足了工藝的要求和生產(chǎn)的需求,對使用沒有x-y軸移動裝置的維氏硬度計的企業(yè)進行焊縫質量評定具有借鑒作用。

[1] NB/T 47014—2011 承壓設備焊接工藝評定[S].

[2] GB/T 2654—2008 焊接接頭硬度試驗方法[S].

[3] 黃書澤,丁彪,鄒鳳平,等.試驗載荷對維氏硬度測試誤差的影響[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(2):79-83.

[4] 杜凱,朱麗君.布氏硬度壓痕測量裝置的期間核查[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(11):79-83.

[5] GB/T 4340.4—2009 金屬材料維氏硬度試驗第4部份:硬度值表[S].

[6] GB/T 4340.1—2009 金屬材料維氏硬度試驗第1部分:試驗方法[S].

Vickers Hardness Test of Welding Joints of FV520B Steel and Q235A Steel

DU Kai,ZHANG Zhong-he
(Shenyang Blower Works Group Corporation,Shenyang 110869,China)

The Vickers hardness tests of V-type welding joints of FV520B steel,a kind of martensitic precipitation hardening stainless steel,and Q235A steel were successfully completed by HV-120 type Vickers hardness tester which had no x-y coordinate bench and was equipped with some simple auxiliary tools.The results show that:the Vickers hardness difference among welding seam,fusion line,heat affected zone and base metal of the welding joint of FV520B steel was small,the hardness was well distributed and the welding quality was desirable;the Vickers hardness difference among welding seam,fusion line,heat affected zone and base metal of the welding joint of Q235A steel was even smaller,the hardness was better distributed and the welding quality was better.The testing method was convenient,practical and easy to operate,and it was qualified to test the Vickers hardness of V-type welding joints and provide a reference for those who carried out the welding quality evaluation by Vickers hardness tester without x-y coordinate bench.

FV520B steel;Q235 A steel;welding joint;V-type welding seam;Vickers hardness test

TG115.5+1;TG407

:A

:1001-4012(2017)01-0024-05

10.11973/lhjy-wl201701007

2016-04-22

杜凱(1968—),女,工程師,本科,主要從事金屬材料熱處理及力學性能試驗的檢測,871494759＠qq.com。