高強鋼冷裂紋啟裂位置判據與焊縫強度匹配的關系

孫咸

摘要：綜述了高強鋼冷裂紋啟裂位置判據與焊縫強度匹配的關系。結果表明，冷裂紋啟裂位置判據，是通過焊縫硬度判斷高強鋼根部焊道冷裂紋啟裂位置的冷裂紋敏感性間接判斷方法。高強鋼冷裂紋啟裂位置判據影響因素中，施加應力是冷裂紋啟裂或交替萌生的必要條件，而氫濃度和焊縫硬度的變化則是冷裂紋啟裂或交替萌生的充分條件。焊縫強度匹配類型與“冷裂紋啟裂位置判據”具有良好的對應關系，該關系能很好解釋“冷裂紋啟裂位置判據”試驗中的規律及現象。提出了基于冷裂紋啟裂位置判據的焊縫強度匹配實施工藝。

關鍵詞：冷裂紋啟裂位置判據;焊縫強度匹配;擴散氫;焊縫硬度;施加應力

中圖分類號：TG406，TG407 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）01-0021-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.03

0 前言

低碳低合金高強度鋼（諸如HT-60、HT-80、HY-130等）以其高的屈服強度、良好的塑性、韌性等綜合性能，在航空航天、核動力裝置、電力設備、石化裝備、船舶制造、礦山機械、橋梁建造，以及環保設備等工業部門獲得了應用。這類鋼中的含碳量雖然較低，但合金元素較多，碳當量不會很低，淬硬傾向較大，焊接性不是非常滿意。當鋼結構體積龐大、板厚較厚，或焊縫密集交叉、焊縫處的拘束應力較大時，焊接冷裂紋傾向較嚴重。該類鋼根部焊道焊接中的氫致裂紋通常發生在熱影響區（HAZ），但是對用于更加惡劣環境中的HY-130型鋼，冷裂紋主要發生在根部焊道的焊縫金屬（WM）中[1]。為了防止這類鋼焊接中冷裂紋的發生，有必要建立可以預測HAZ或焊縫金屬冷裂紋交替萌生位置的判據。迄今為止，幾乎沒有關于HAZ或焊縫硬度、擴散氫含量和接頭拘束度對根部焊道冷裂紋交替萌生位置影響的文獻，更沒有將冷裂紋啟裂位置判據與高強鋼焊縫強度匹配相聯系的文獻。為此，論文特意以低碳低合金高強度鋼（諸如HT-60、HT-80、HY-130等）TRC試驗為切入點，將文獻[1]提出的該鋼冷裂紋啟裂位置判據與高強鋼焊縫強度匹配工藝相聯系，探討高強鋼冷裂紋交替啟裂判據影響因素，通過分析高強鋼焊縫強度匹配工藝應用中的冷裂紋位置實例，提出基于冷裂紋啟裂位置判據的焊縫強度匹配關系。該項研究對推動高強度鋼焊接理論發展、防止該類鋼冷裂紋的發生，以及提升產品質量，具有一定參考價值和實用意義。

1 高強鋼冷裂紋的焊縫和HAZ交替啟裂及其判據

1.1? 高強鋼冷裂紋的焊縫和HAZ交替啟裂現象

高強鋼焊接時具有冷裂紋敏感性，根部焊道裂紋起始部位可能在焊縫或HAZ（見圖1），不同起始部位的冷裂紋將導致拉伸試件斷裂部位的各異，給結構的使用安全性會帶來不利影響。為了揭示HAZ或焊縫金屬中根部焊道焊接冷裂紋交替發生的機理，使用HT-60、HT-80、HY-130和2 1/4Cr1-Mo鋼的拉伸拘束裂紋（TRC）試驗，研究了施加應力、擴散氫含量、HAZ和焊縫金屬硬度對裂紋萌生位置的影響，并提出了高強鋼焊接冷裂紋交替萌生判據的“臨界應力與時間關系圖”[1]。表1～表3分別列出了所用試驗材料的化學成分類型及主要力學性能、試驗接頭的硬度數據，以及TRC試驗用主要參數。

1.2 高強鋼冷裂紋焊縫和HAZ交替啟裂判據要點

焊后狀態焊縫及熱影響區氫濃度與時間變化關系如圖2所示[1]。可以看出，焊縫中心的氫隨時間呈單調下降趨勢，而熱影響區的氫則是一條駝峰式曲線變化趨勢，圖中t1表示溫度下降到氫脆化上限溫度（T1）的時間。

焊縫金屬中的臨界應力σcw和HAZ中的臨界應力σch隨焊后時間變化關系如圖3所示。可以看出，焊縫金屬中的臨界應力σcw隨時間推移單調增加，而HAZ中的臨界應力σch則是先降低到最小值然后增加。兩條曲線的位置有所不同，σcw位于σch的上方。這是由于：①HAZ中裂紋的起始位置發生在應力集中較大的焊縫根部邊緣附近（見圖1），即受應力集中的影響較大，產生裂紋的臨界應力被降低;②從焊后持續時間考慮，HAZ中的擴散氫濃度達到最高值需要一定時間，即在氫脆化上限溫度（T1）的時間t1之后。

焊接后焊縫金屬和HAZ中的應力-時間與焊縫硬度及裂紋起始位置關系如圖4所示[2]。可以看出，在具有較低硬度焊縫金屬（A曲線）的情況下，冷裂紋的優先位置是HAZ（A裂紋）。這是由于焊縫中的氫向HAZ擴散，HAZ會形成氫的最大值，所需臨界應力下降所致。對于高硬度的焊縫金屬，裂紋將在焊縫金屬中啟裂（B裂紋），因為焊縫中的擴散氫含量高，“氫致附加應力”也升高[3]，滿足冷裂紋所需的臨界應力不僅降低，而且在焊縫金屬中比HAZ中來得早。

高強鋼接頭根部焊道裂紋萌生判據摘要如表4所示。可以看出，該判據的前提條件依然是冷裂紋形成三要素（淬硬組織、拉應力和擴散氫分布）綜合作用。該判據的評定方法需通過焊縫硬度判斷冷裂紋啟裂位置，即低焊縫金屬硬度時，裂紋位置在HAZ中;高焊縫金屬硬度時，裂紋位置在焊縫金屬中。與其他常用的冷裂紋判據，如臨界冷卻時間判據（t100）cr和臨界應力判據σcr相比（見表5），冷裂紋啟裂位置判據是一種冷裂紋敏感性間接判斷方法，目前尚無專用判據符號，也沒有提出含有影響因子的計算公式，并未被收入專業論著或專業教科書，判據理論尚需深入研究。

2 高強鋼焊接冷裂紋交替啟裂判據影響因素

2.1 施加應力的影響

借助圖5、表6分析施加應力對冷裂紋交替啟裂判據的影響。可以看出，在Ⅲ區，當施加的應力σ1小于σcw、σch時，無論焊縫還是HAZ均不發生裂紋;當施加的應力σ2大于σcw時，裂紋發生在焊縫中;當施加的應力σ3在t1時間（σ3-σcw）大于（σ3-σch），裂紋發生在焊縫中。在Ⅱ區，當施加的應力σ1小于σcw、σch時，不發生裂紋;當施加的應力σ2在th時間后大于σch，裂紋發生在HAZ;當施加的應力σ3在t1時間（σ3-σcw）大于（σ3-σch），裂紋發生在焊縫中。在Ⅰ區，當施加的應力σ1小于σcw、σch時，不發生裂紋;當σ2、σ3、σ4分別大于σch時，裂紋發生在HAZ。在TRC焊接試件中，冷裂紋的啟裂部位通常位于根部焊道應力集中處，該處的局部氫濃度升高，金屬被脆化。當施加的應力大于該處臨界應力時，冷裂紋被啟裂。這里涉及到焊縫或HAZ兩個區域。究竟冷裂紋在哪個區域啟裂？這就需要與焊縫的硬度相聯系。當焊縫金屬較硬時，焊縫金屬氫含量較高，冷裂紋在焊縫中啟裂;當焊縫金屬較軟時，HAZ中氫含量較高，冷裂紋在HAZ中啟裂。可以認為，施加的應力是冷裂紋啟裂的決定因素，換言之施加的應力是根部焊道冷裂紋啟裂或交替萌生的必要條件。

2.2 接頭中擴散氫行為的影響

高強鋼冷裂紋啟裂位置交替發生與氫濃度的變化密切相關。無論是焊縫或HAZ中，只要氫濃度高，金屬被脆化，冷裂紋就容易發生。前提條件是要有拉伸應力存在，而且拉應力須達到某臨界值，如σ>σcw或σ>σch時。在施加應力前提條件下，接頭中氫的擴散方向對根部焊道冷裂紋啟裂位置有重要影響（見表7）。當氫的擴散方向從焊縫到HAZ時，HAZ的氫濃度在t1時間（溫度下降到氫脆化上限溫度（T1）的時間，見圖2）后達最大值時，裂紋在HAZ啟裂。反之，當氫的擴散方向從焊縫到熔池后面焊縫時，焊縫中的氫濃度在t1時間達某值時，裂紋在焊縫中啟裂。這里涉及氫擴散的驅動力。氫的擴散方向從焊縫到HAZ時，接頭中的最大拉應力位于根部焊道HAZ，即所謂的應力集中處（見圖6）。擴散氫的上坡擴散特性使氫在根部焊道HAZ應力集中處聚集，導致局部金屬脆化，裂紋啟裂所需的臨界應力下降，冷裂紋在HAZ萌生。反之，當氫的擴散方向從焊縫到熔池后面焊縫時，焊縫中的馬氏體一類組織阻止氫向HAZ擴散[5]，擴散氫在焊縫區聚集，導致焊縫金屬脆化，裂紋啟裂所需的臨界應力下降，冷裂紋在焊縫萌生。有理由認為，接頭中的氫的擴散行為是冷裂紋啟裂的重要因素，換言之接頭中氫濃度部位的變化是根部焊道冷裂紋啟裂或交替萌生的充分條件之一。

2.3 焊縫金屬硬度的影響

焊縫硬度的變化受化學成分和冷卻速度的控制，或者說受控于焊縫的顯微組織。探討焊縫硬度對裂紋萌生位置的影響，實質上是探討焊縫組織對裂紋萌生位置的影響。從表8、圖7可以看出，當施加的應力升高變化時，冷裂紋啟裂位置與焊縫金屬硬度之間顯示出良好的對應關系，即當焊縫硬度增高時，裂紋啟裂位置位于焊縫中;當焊縫硬度減小時，裂紋啟裂位置位于HAZ中。其機理如前所述，焊縫金屬硬度高時，焊縫中的氫擴散受阻，焊縫金屬含氫量高，金屬被脆化，裂紋在焊縫中發生。焊縫金屬硬度低時，HAZ中氫含量高，HAZ被脆化，裂紋在HAZ中發生。至于HAZ和焊縫金屬間的硬度差對裂紋萌生位置的影響，由于試驗數據有限，且數據比較分散，規律性不強，難以評價。不難看出，盡管焊縫的硬度（或者說顯微組織）對冷裂紋啟裂位置影響規律性良好，但前提條件是施加的應力。因此有理由認為，焊縫硬度（或者說顯微組織）變化是根部焊道冷裂紋啟裂或交替萌生的充分條件之一。

2.4 試樣加載溫度的影響

在短期加載TRC試驗中施加應力與卸載溫度（裂紋萌生）之間關系如圖8所示[1]。可以看出，HY130試件裂紋萌生的上限溫度約為170 ℃，不取決于擴散氫含量。隨著施加應力減小，裂紋萌生溫度略微降低。隨著擴散氫含量的增加（從1.0 mL/100 g增加到2.7 mL/100 g），大約100 ℃以上裂紋萌生的臨界應力降低。必須指出的是，在170 ℃時，所有裂紋萌生都發生在焊縫金屬中。HY130試件在170 ℃以上加載時無裂紋;在170 ℃加載時都在焊縫中發生裂紋;在150 ℃加載時有的在焊縫中，有的在HAZ中發生裂紋;在100 ℃加載時也是兩種裂紋萌生位置。顯然，隨著加載溫度的降低，裂紋的萌生位置從焊縫金屬變為HAZ。上述結果可以解釋如下：①試件在170 ℃以上加載時無裂紋。這是由于試樣溫度較高，焊縫中的擴散氫大部分已經逸出，焊縫和HAZ中的氫含量很少，不會被脆化，也就是說，施加的應力遠小于σcw或σch，所以無裂紋。②在170 ℃加載時裂紋萌生都發生在焊縫金屬中。這是由于試樣溫度的降低，焊縫中的擴散氫在起作用。在高的施加應力（784 MPa）時，焊縫中氫含量雖然很低（1.0 mL/100 g），但氫的脆化使焊縫中的臨界應力σcw降低，即施加應力σ>σcw，裂紋萌生在焊縫中。在低的施加應力（539 MPa）時，焊縫中氫含量略高（2.7 mL/100 g），氫的脆化使焊縫中的臨界應力σcw降低，施加應力σ>σcw，裂紋萌生在焊縫中。③在150 ℃加載時出現焊縫和HAZ兩種裂紋萌生位置。同樣考慮焊縫中氫在起作用。施加應力539 MPa時，焊縫含氫量2.7 mL/100 g，不同試樣中氫的擴散行為有差別，氫的分布不同。焊縫中氫含量高的裂紋出現在焊縫中，HAZ氫含量高的裂紋出現在HAZ。④在20 ℃加載溫度（即室溫）下，焊縫中的氫大都擴散到了HAZ，所以裂紋萌生在HAZ。上述結果表明，焊接接頭中的擴散氫分布是導致交替裂紋萌生的主要因素之一。至于HT-60鋼焊件中上限溫度約為300 ～250 ℃，這是因為只有如此高的溫度下，該鋼焊縫中的氫含量才可大部分逸出，焊縫及HAZ不被脆化，σcw和σch不降低，施加的應力遠小于σcw或σch，不產生裂紋。

3 高強鋼冷裂紋啟裂位置判據與焊縫強度匹配關系

3.1 高強鋼焊縫強度匹配工藝應用中的冷裂紋部位實例

實例1，英國焊接研究所采用含有85%鐵素體的雙相不銹鋼焊條，執行表9中實例①焊接工藝，對2205雙相不銹鋼板進行鐵研裂紋試驗[6]。結果表明，具有高強度匹配焊縫的焊接裂紋啟裂于焊縫金屬根部應力集中處，以穿晶方式擴展直至穿透焊縫，次生裂紋具有明顯短段串接特征，屬于典型氫致冷裂紋（見圖9）。

實例2，美國俄亥俄州立大學采用2種低強度匹配焊絲，執行表9中實例②焊接工藝，對440裝甲鋼進行鐵研裂紋試驗[7]。結果表明，不預熱試件中的焊接裂紋啟裂于接頭根部應力集中處，沿靠近熔合線的HAZ擴展，然后拐入并穿透焊縫。裂紋具有穿晶或串接擴展特征，其性質屬于氫致冷裂紋（見圖10）。

實例3，上海鍋爐廠有限公司針對進口鍋爐中F12小管與10CrMo910集箱大管焊接產品F12HAZ脆性斷裂事故，采用斜Y坡口裂紋試驗等多種試驗方法，執行表9中實例③、④焊接工藝，開展異種鋼焊接裂紋及熱影響區脆化研究[5]。結果表明，異種鋼接頭裂紋與選用焊接材料有關（即與焊縫強度匹配方式有關）。采用低強度匹配焊接材料時，焊縫中的氫向HAZ擴散，在HAZ形成富氫帶（使用探針測氫法證實了HAZ富氫帶的存在[8]），裂紋啟裂于根部應力集中處，沿靠近熔合線的HAZ擴展，然后拐入并穿透焊縫，其性質屬于氫致冷裂紋（見圖1a）。采用高強匹配焊接材料時，焊縫中的馬氏體一類組織阻止焊縫中的氫向HAZ擴散，HAZ形不成富氫帶或富氫帶不顯著。工件預熱溫度不足時，裂紋啟裂于焊縫金屬根部應力集中處，以穿晶方式擴展直至穿透焊縫，屬于典型氫致冷裂紋（見圖1b）。

在上述生產應用案例中，高強鋼焊接冷裂紋敏感性工藝評定采用的是生產現場常用的鐵研冷裂紋試驗方法。由于鐵研冷裂紋試驗方法的原理與TRC試驗方法比較接近，只是加載方式有所不同，前者為自身拘束加載，而后者為外加載荷加載。同時考慮試驗方法本身的嚴謹性，鐵研裂紋試驗方法應當具有較好的比較效果。可以看出，案例中實測的焊縫強度匹配對根部焊道冷裂紋啟裂部位的影響， 與該“判據”所揭示的規律完全一致，即低焊縫金屬硬度時，裂紋位置在HAZ中;高焊縫金屬硬度時，裂紋位置在焊縫金屬中。表明冷裂紋啟裂位置判據具有一定的實用價值和推廣意義。

3.2 高強鋼冷裂紋啟裂位置判據與焊縫強度匹配的關系

冷裂紋啟裂位置判據與焊縫強度匹配關系如表10所示。判據中的焊縫硬度是取決于焊縫的顯微組織特性，即焊縫硬度與相應的組織類型相對應。通常低硬度顯微組織為鐵素體型，高硬度顯微組織為鐵素體混合型或馬氏體類型。鐵素體型低硬度焊縫強度比母材低，通常為低強匹配焊縫;馬氏體類高硬度焊縫強度比母材高，通常為高強匹配焊縫。低強匹配時，接頭為硬夾軟形式，焊縫金屬硬度較低，其塑性變形可能釋放部分應力。同時焊縫中的氫向HAZ擴散[9]，焊后在t1時間HAZ氫的濃度達到最大值，HAZ被脆化，拘束應力σ>σch，冷裂紋發生在HAZ。高強匹配時，接頭為軟夾硬形式，高硬度焊縫金屬無塑性變形，應力未被釋放。同時焊縫中的氫受馬氏體類組織阻止未能向HAZ擴散[5，10]，致使焊縫中富氫被脆化，拘束應力σ>σcw，冷裂紋發生在焊縫金屬中。不難看出，焊縫強度匹配類型與“冷裂紋啟裂位置判據”具有良好的對應關系，判據要點及使用方法完全一致，并且該對應關系能更好解釋“冷裂紋啟裂位置判據”試驗中的規律及現象。

高強鋼焊縫強度匹配類型的選用需要考慮諸如所用鋼材的強度、接頭的拘束狀態，以及接頭的工況條件等多種因素。冷裂紋啟裂位置判據僅僅是對根部焊道產生裂紋部位變化的間接判據。它的研究意義在于搞清機理，提出防止措施。為此，基于冷裂紋啟裂位置判據，論文提出了高強鋼焊縫強度匹配實施工藝（見表11）：首先是采用低氫化焊接工藝。包括三方面控制：一是焊接材料低氫化。盡量使用低氫電焊條、實心焊絲（特別推薦無鍍銅焊絲）以及藥芯焊絲等。焊條在使用前要按照要求的規范進行烘烤，焊絲須保證良好的防潮包裝。二是工藝方法低氫化。包括FCAW和GMAW等工藝方法，強調焊接參數的合理選用和匹配、保護氣體中水分的嚴格控制及作業中的防風措施等。三是輔助工藝低氫化。包括預熱、后熱、緊急后熱、緩冷等。低氫化焊接工藝的本質，一是要控制焊材中的水分，使進入焊縫的水分盡量的少;二是即便少量水分進入焊縫，焊縫中的氫也容易盡快逸出，使焊縫中殘留的擴散氫數量最小化，不足以引發氫致裂紋。至于接頭拘束度的控制，在實際焊接結構中有一些可供選用的方法，如合理的焊縫設計、合理的焊接順序等。但在鐵研試件中尚無太好的措施。提高工件預熱溫度可能對緩解接頭拘束度有一定作用，但太高的預熱溫度會惡化工藝條件。最后是調整焊縫的化學成分，改變焊縫金屬的硬度（即組織），從而控制根部裂紋的產生。

4 結論

（1）冷裂紋啟裂位置判據，是通過焊縫硬度判斷高強鋼根部焊道冷裂紋啟裂位置的一種冷裂紋敏感性間接判斷方法。

（2）高強鋼冷裂紋啟裂位置判據影響因素中，施加應力是根部焊道冷裂紋啟裂或交替萌生的必要條件，而接頭中氫濃度和焊縫的硬度的變化則是根部焊道冷裂紋啟裂或交替萌生的充分條件。

（3）焊縫強度匹配類型與“冷裂紋啟裂位置判據”具有良好的對應關系，并能很好解釋“冷裂紋啟裂位置判據” 試驗中的規律及現象。

（4）提出了基于冷裂紋啟裂位置判據的焊縫強度匹配實施工藝。

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