低合金高強鋼焊后冷裂紋磁記憶檢測技術研究

陸衛軍 李軍 黃澤 陳琦琦 陳濤

摘要：針對焊接冷裂紋，利用磁記憶檢測技術對焊縫冷卻過程中的應力水平進行分析，通過對比焊接試樣在不同焊縫高度、約束焊縫長度、焊條濕度條件下的磁記憶監測數據，分析相關影響規律，并得出焊接冷裂紋產生的定性判據。利用研究成果可對冷裂紋的發生進行預測，對保障設備焊接質量和安全使用具有重要意義。

Abstract： This paper is engaged in research about welding cold crack. Magnetic memory testing technology is used to detect and analyze the stress state of the weld during the cooling process. Comparing different welding test plate base material thickness， welded joint length， welding material drying degree， we get the different magnetic memory （ME） data of welding samples. The analysis of the test data shows that it is possible to use the ME method to monitor the welding cold crack of high strength steel， which is of great significance to guarantee the welding quality of the equipment.

關鍵詞：低合金高強鋼;冷裂紋;磁記憶

Key words： high strength steel;welding cold crack;magnetic memory

中圖分類號：TG401 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）11-0123-03

0 ?引言

低合金高強鋼是一種可焊接的低碳工程結構用鋼，由于其焊接性能和使用性能較好，被大量應用于石油化工、機械工程、艦船制造等重要工業領域。然而高強鋼由于在焊接冷卻過程中，焊接接頭易產生冷裂紋，冷裂紋敏感性隨著鋼材強度的增加而增大[1，2]。目前普遍采用無損探傷的方法檢測延遲裂紋，但往往由于檢測時機不合適，造成缺陷漏檢。因此對低合金高強鋼焊接接頭延遲裂紋的萌發、擴展、開裂過程進行研究，分析該材料延遲裂紋敏感性的影響因素，建立一種焊接延遲裂紋實時監測方法，對豐富低合金高強鋼焊接缺陷的檢測方法和提高缺陷的檢出率具有重要意義。

1 ?研究進展

焊縫中存在應力集中是焊接結構破壞的主要原因，由于應力的存在，高應力區前端的金屬母材容易產生微裂紋，圍觀裂紋在應力的作用下，逐漸擴大、延伸、合并形成宏觀可見的裂紋。在這個過程中，應力集中區的應力分布及其各處應力值是在變化中的，而這個變化過程中伴隨著能量的釋放，最終可以表現為磁記憶信號參數的變化。目前，國內外已研制出磁記憶檢測儀器，并用于壓力容器焊縫的日常無損檢測中，有關利用磁記憶信號的變化進行無損檢測的機理研究以及在用承壓設備的缺陷探傷應用研究已經較多[3-5]，但針對冷裂紋開裂及擴展過程中磁記憶信號的變化特征研究很少。本文將利用磁記憶檢測技術對焊縫焊后冷卻過程中的應力水平進行檢測分析，研究低合金高強鋼焊后延遲裂紋產生過程中的磁記憶信號的變化規律。

2 ?判別理論

磁記憶檢測方法中，通常通過對漏磁場強度梯度的大小進行測量，從而評估試件中待檢測部位的應力集中程度。實際檢測中，漏磁場強度梯度被定義為所測量的兩個測點間漏磁場強度的法向分量HP（y）之差與這兩個檢測點間距的比值，如公式（1）所示。

公式（1）中漏磁場強度梯度K的大小代表了漏磁場強度的變化的快慢程度，也體現了該處應力集中的嚴重程度。為了便于計算分析，本文將焊縫表面漏磁場強度梯度的平均值Kmed作為研究對象，研究Kmed在焊接延遲裂紋萌生和擴展過程中的變化趨勢。

式中Kmed為焊縫表面平均漏磁場強度梯度值;n為檢測區采樣點數[4]。

3 ?實驗研究

選用SPV490Q鋼進行焊接冷裂紋實驗，采用磁記憶檢測技術對冷裂紋形成過程進行監測，獲取冷裂紋形成過程的磁記憶數據。

3.1 檢測設備及試件制備

使用TSC-1M-4型磁記憶檢測儀對低合金高強鋼焊接試件的焊接接頭進行磁記憶檢測，如圖1所示。采用位移編碼器對長度進行記錄。

3.2 材料化學成分及力學性能

選取SPV490Q鋼制作斜Y型坡口焊接試件，表1給出了該材料的主要化學元素組成以及力學性能參數。

3.3 焊接試件結構參數

斜Y型坡口試件結構如圖2所示，試件分組情況如表2所示。

4 ?數據分析

采用小波降噪的方法對磁記憶信號進行分析，圖3給出了各焊接試件焊后漏磁場強度梯度值隨時間的變化趨勢。由圖3可見，焊后不同時間K值分布不同，K值始終在變化，也即焊縫表面應力集中狀態在不斷變化。

4.1 焊后磁特性變化規律分析

為了分析焊接試件焊后磁特性的演化規律，以1#試件為例對照圖4進行具體分析，在焊工對焊接試件施焊后19～20分鐘左右時Kmed值出現最大值，隨后逐漸降低。這表明，在冷卻過程中，試件的應力狀況在不斷降低。盡管在焊后850min試件的Kmed值有小幅增大，但從整個焊后冷卻過程來看，是不斷減小的。該現象是由于焊后冷卻初期，拘束應力較大，整體應力水平較高，隨著不斷冷卻，焊接接頭的熔合區內部開始萌生微裂紋，裂紋的形成釋放能量，降低了焊接接頭內部的應力集中。隨著裂紋的擴展和延伸，試件中的應力集中得到了有效緩解，應力水平出現了進一步的降低。

4.2 不同焊接條件對斜Y型坡口焊接試件磁特性的影響

影響焊接試件焊后應力分布的主要因素有焊接試件母材厚度、焊接接頭的長度、施焊焊條含氫量。由圖3數據得出的不同試件在焊后20小時以內冷卻過程中的Kmed值，如表3所示。

4.2.1 板厚與斜Y型坡口焊接試件磁特性的關系

1號、2號、3號焊接試件的母材厚度不同，由這三個試件的檢測結果可以看出，隨板厚增大Kmed值不斷增大。

4.2.2 拘束焊縫長度對斜Y型坡口焊接試件磁特性的影響

1號、4號、5號焊接試件的焊接接頭長度不同，由這三個試件的檢測結果可以分析出，試件整體Kmed值隨著試件兩端拘束焊縫長度的減小而不斷降低。

4.2.3 焊條濕度對斜Y型坡口焊接試件磁特性的影響

1號、6號焊接試件在施焊前，對焊條進行烘干處理的條件不同。由表3可知， Kmed1

5 ?結論

針對高強鋼冷裂紋形成特性，本文在考慮多參數影響的基礎上，設計了SPV490Q斜Y型坡口焊接試件的磁記憶測試試驗，獲取了不同焊縫厚度、約束長度、濕度下的焊后磁記憶數據。通過對磁記憶信號降噪處理和分析認為：①斜Y型坡口焊接試件磁記憶監測數據能有效反映冷裂紋演化過程的應力集中變化規律;平均漏磁場強度梯度值Kmed可表征試件整體應力水平的變化，如有突增的Kmed值，則說明試件焊后具有冷裂紋傾向;②隨著焊縫厚度、拘束焊縫長度、焊條濕度的增加，試件平均漏磁場強度梯度值Kmed逐漸增大，冷裂紋敏感傾向逐漸增加。

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