淺談提高異種鋼焊接接頭彎曲檢測合格率

連杰，李軍，薛永平

1.太原鋼鐵(集團)有限公司先進不銹鋼材料國家重點試驗室 山西太原 030003

2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心 山西太原 030003

1 序言

近年來，隨著現代工業的快速發展，一些更新更好的材料大量進入工程應用中。為了充分利用金屬材料的一些特性，把它們的性能做到物盡其用，在鋼鐵結構的焊接工藝評定工作中，會涉及一些異種金屬材料的焊接，在焊接接頭的檢測中，一般會涉及拉伸、彎曲、沖擊和疲勞等項目。焊接接頭的彎曲檢測，一般是必檢項目，檢測中經常遇到一些個性化的問題。焊接接頭的彎曲試驗就是將一定形狀和尺寸的試樣，置于彎曲裝置上，以規定直徑的彎心，將試樣壓彎到所要求的角度后，檢測試樣承受彎曲變形能力，并顯示缺欠的一種工藝性試驗[1]。通過對焊接接頭彎曲試驗，可以評價焊接接頭中焊縫、熔合區及熱影響區的質量，充分驗證焊接材料及焊接參數選擇是否正確。

同種材料等強度焊接接頭的彎曲試驗，由于其母材與焊接材料性能相當，彎曲試驗合格率較高；異種材料焊接的焊接接頭進行彎曲檢測時，遇到的問題較多。在焊接工藝評定中，焊接方法、焊接參數選擇不當或焊縫中有焊接超標缺欠，焊接接頭的彎曲檢測不合格是必然的。因此焊接接頭彎曲性能的保障，是建立在優質焊接接頭質量基礎上的。

近年來，在焊接工藝評定工作中，遇到的一些異種材料焊接接頭彎曲不合格問題，通過采取一些措施，在符合相關標準和技術要求的前提下，取得了良好的效果。通過總結彎曲不合格的原因和應對措施，旨在提高異種鋼焊接接頭的合格率，提升工作質量及工作效益。

2 彎曲不合格原因及應對措施

2.1 焊接接頭彎曲檢測評價標準差異

我公司焊接接頭的彎曲檢測，一般是委托鋼廠材料檢測部門代檢的。焊接接頭的彎曲檢測，有別于母材的檢測，其評價標準是有所區別的。最早廣泛使用的JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》中，引用的標準就是檢測母材所使用的GB/T 232—2010《金屬材料彎曲試驗方法》，而最新的NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》、GB/T 19869.1—2005《鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗》及GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》等，更新為GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》專用標準。

GB/T 232—2010《金屬材料彎曲試驗方法》中規定，試樣彎曲外表面無可見裂紋應評定為合格；GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》中規定，試樣表面上長度＜3mm的缺欠應判為合格。母材彎曲檢測，不允許有開裂；而焊接接頭彎曲檢測，允許有一定限度的開裂，二者之間的判定合格標準有所不同。檢測人員很容易按照母材檢測的慣性思維，去判定焊接接頭的彎曲試樣，從而產生誤判。因此，在工藝評定工作中，一定要及時學習最新適用標準，與時俱進，避免產生不必要的失誤。

2.2 高強鋼低匹配焊接接頭彎曲試樣加工

近年來，高強鋼已廣泛應用于各類焊接結構中。由于高強鋼的強度提高，因此材料的塑性、韌性相應下降，如果仍采用等強原則，選用高組配的焊接接頭，則焊縫的韌性不容易保證，將可能導致焊縫金屬韌性不足，引起低應力脆性破壞。因此，高強鋼焊接應采用等韌性原則，選擇焊縫韌性不低于基體金屬的低組配焊接接頭比較合理[2]。由此可見，在高強鋼焊接結構的工程應用中，應以低匹配方式為主，也就是焊接材料的強度比母材低，但這給高強鋼焊接工藝評定帶來了一些新的問題，如焊接接頭的彎曲檢測合格率低的現象。

高強鋼焊接接頭彎曲不合格的原因，大都因為焊縫區域強度低于母材。彎曲試驗時，僅在焊縫處發生局部塑變，彎曲試樣呈現的不是連續的弧度，表現為在焊縫處產生一個銳角變形。當焊縫塑性變形達到極限時，發生開裂，導致彎曲不合格。

針對上述問題，在加工焊接接頭的彎曲試樣時，焊縫不要完全加工到與母材平齊，保留適當的余高，讓焊縫區域的厚度略大于母材，適當增加焊縫區域的強度，使焊縫區域與母材區域實現等強。在彎曲試驗時，實現焊縫區域與母材區域達到同時變形的目的，很好地解決焊縫局部變形的問題，可以保證彎曲試驗合格率的提升。

2.3 耐熱鋼匹配鎳基焊材焊接接頭彎曲檢測方法的選擇

在鍋爐制造中，經常涉及TP347H耐熱不銹鋼管和T91耐熱高合金鋼管的焊接，該異種鋼的焊接，一般選擇ERNiCr-3鎳基焊絲為主，焊接接頭涉及3種不同的材質。其焊接工藝評定的檢驗中，采用廣泛使用的圓形壓頭彎曲方法，經常出現焊接接頭彎曲不合格。

分析開裂原因：焊接接頭各區域的力學性能差異大是主因；試驗方法選擇不當是次因。3種材料的力學性能見表1。

表1 耐熱鋼的力學性能

GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》中，彎曲試驗方法有兩種形式：一種是圓形壓頭彎曲（3點彎曲）；另一種是輥筒彎曲，如圖1所示。3點彎曲方法較適用于同鋼種焊縫等強匹配的焊接接頭。因為同鋼種焊接接頭試樣的各區域，力學性能是比較均勻的，彎曲檢測時，不會產生應力集中現象，所以試樣的彎曲變形是較均勻的。TP347H/T91鋼添加ERNiCr-3焊絲的焊接接頭各區域力學性能差異較大，不太適用3點彎曲方法。TP347H/T91鋼添加ERNiCr-3焊絲的焊接接頭，雖然按照NB/T 47014—2011規定，可以采用縱向彎曲取代橫向彎曲，但因為是小規格管的焊接，焊縫長度及形狀不能滿足縱向彎曲試驗條件。

圖1 彎曲方法

參照GB/T 2653—2008內容，輥筒彎曲適用于異種材料接頭，對于異種材料接頭其焊縫金屬或一側母材的屈服強度或規定非比例抗拉強度低于(另一側)母材的規定和要求，TP347H/T91鋼添加ERNiCr-3焊絲，屬于典型的三元異種材料焊接接頭。TP347H鋼的屈服強度僅有T91鋼和ERNiCrMo-3焊絲屈服強度的50%左右，T91鋼的伸長率僅有TP347H鋼的57%，TP347H鋼屬奧氏體鋼，T91鋼屬馬氏體鋼，二者之間硬度相差較大。TP347H/T91鋼添加ERNiCr-3焊絲焊接接頭的焊縫、熔合區、熱影響區及母材等區域，塑性、硬度及強度極不均勻。試樣彎曲時的變形主要發生在強度和硬度相對較低的TP347H鋼一側，產生嚴重的應力集中現象，使本應連續均勻的弧度，局部形成一個銳角，當銳角處的塑性達到極限時，即會發生開裂現象。

針對上述原因，將TP347H/T91鋼添加ERNiCr-3焊絲焊接接頭試樣的3點彎曲，改用輥筒彎曲方法。試驗時，T91鋼試樣的一端固定在試驗機上，彎曲變形從T91鋼母材→T91鋼熱影響區→T91鋼側熔合區→ERNiCr-3焊縫→TP347H鋼側熔合區→TP347H鋼熱影響區→TP347H母材，是逐步進行的。而且屈服強度最低的TP347H鋼側是在屈服強度較高的T91鋼和ERNiCr-3焊縫完成變形后，最后才進入變形階段，它不會受其他區域變形力的影響，焊接接頭各區域都會按照輥筒外圓形狀均勻承擔彎曲的變形量，避免了TP347H鋼區域因強度低而過多地承擔變形量的不良結果，解決了三元材料焊接接頭彎曲檢測合格率低的問題。

2.4 低溫鋼匹配鎳基焊接材料焊接接頭的彎曲取樣方向的調整

隨著國家對節能減排工作要求的逐步提高，國內對LNG(液化天然氣)的需求急增，LNG儲罐的制造也快速增長，LNG的儲存溫度為－162℃，儲罐制造用材料以9Ni鋼居多。為了保證9Ni鋼焊接接頭的低溫性能，使用ENiCrMo鎳基異種鋼焊條最為廣泛。即在9Ni鋼焊接工藝評定中，焊接接頭的橫向彎曲較容易出現裂紋，且裂紋大都出現在熱影響區。

9Ni鋼焊接接頭的橫向裂紋產生原因是在焊接過程中，焊接熱循環最高溫度Ac3線以上的母材，組織全部轉變為奧氏體，過熱區奧氏體晶粒劇烈長大，焊后冷卻速度較快時，奧氏體組織轉變為馬氏體組織。馬氏體具有高強度與高硬度的特征，但塑性極差，同時由于原始奧氏體晶粒粗大，導致馬氏體晶粒粗大，進一步降低了塑性。9Ni鋼與焊條的化學成分差異較大，在熔合線附近焊縫中Cr、Mo、Nb會向母材中進行遷移擴散，形成復雜的合金碳化物，這些碳化物屬于脆硬相，容易成為失塑裂紋源，即成為彎曲變形過程中裂紋萌生和長大的起點，一定程度上降低了熱影響區的塑性[3]。9Ni鋼使用ENiCrMo焊條焊接的焊接接頭，熱影響區晶粒粗大和馬氏體轉變，致使焊接接頭塑性、韌性下降，是導致橫向彎曲試樣開裂的主要原因。

鑒于上述原因，按照GB/T 47014—2011中表11所列的規定，焊縫金屬和母材之間的性能有顯著差別時，可改用縱向彎曲代替橫向彎曲。參照國際慣例，如CCS《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》和日本船級社規范，若母材和焊縫金屬具有不同的強度，則可要求以縱向彎曲試驗代替橫向彎曲試驗[3]。這樣，就可以在符合相關標準和要求的前提下，把橫向彎曲改為縱向彎曲，讓焊接接頭的熱影響區與焊接接頭其他區域，共同承受方向一致、變形大小一致的彎曲力，避免了局部區域的應力集中現象，合理避開9Ni鋼焊接接頭橫向彎曲較容易出現裂紋的問題，提高了9Ni鋼焊接接頭彎曲檢測的合格率。

2.5 耐磨鋼匹配結構鋼焊接材料焊接接頭的彎曲試樣的預彎

工程機械用高強度耐磨鋼，由于其具有高強度、高硬度、高韌性和良好的耐磨性能，大量用于渣土車、礦山車輛中。GB/T 24186—2005《工程機械用高強度耐磨鋼板》中，常用NM系列鋼種的布氏硬度達480HBW，抗拉強度達1000～1250MPa，現在還沒有與其等強度匹配的焊接材料。在上述行業中，大量使用500MPa級別結構鋼焊絲用于耐磨鋼的焊接，雖然強度匹配懸殊，但該類型車輛的焊縫是類聯系焊縫，經過實踐應用，完全可以滿足該類車輛的工況。但初期在該材料的焊接工藝評定中，焊接接頭的3點彎曲檢測失敗率極高。

分析其原因：在彎曲試驗時，因為強度匹配懸殊，彎曲應變區主要集中在焊縫區域，所以焊縫很容易達到其塑性極限而開裂，導致彎曲不合格。3點彎曲改變為輥筒彎曲，也因焊縫強度太低，很難實現與母材達到均勻彎曲變形而失敗。

針對上述原因，先在焊接接頭的試樣上對彎曲區域進行定位，劃線做標記；然后在3點彎曲檢測時，減小支輥間距，對試樣焊縫兩側的熱影響區和母材區先進行預彎，形成中間直、焊縫兩端彎U字形狀；最后再把焊接接頭試樣的中間部位進行壓彎，直至壓到要求的彎曲半徑和角度，預彎如圖2所示。這樣就可以讓母材與焊縫實現共同承擔彎曲變形，避開焊縫強度低、應變區域小的問題，達到按照技術要求的彎曲半徑和角度不開裂，解決了耐磨鋼超低匹配結構鋼焊接材料焊接接頭彎曲開裂的問題。

圖2 彎曲試樣的預彎

2.6 鐵素體不銹鋼/碳素鋼匹配奧氏體焊接材料焊接接頭的彎曲加墊板

T4003屬于鉻含量12%（質量分數）的經濟型鐵素體不銹鋼，該材料具有良好的耐蝕性和焊接性，廣泛用于鐵路行業和煤炭皮帶運輸機行業。在皮帶運輸機的應用中，要使用厚度為3.5mm的T4003碳素鋼，與20鋼進行異種材料間的焊接，焊接一般使用ER309奧氏體焊接材料。材料的力學性能見表2。筆者在協助客戶進行焊接工藝評定時，遇到焊接接頭3點彎曲檢測不合格問題。

表2 材料的力學性能

彎曲檢測不合格問題的表現形式為，3點彎曲檢測時，異種鋼焊接接頭兩側母材力學性能差異較大，彎曲壓頭施加壓力時，試樣20鋼側的彎曲變形量明顯大于T4003不銹鋼側，壓頭繼續壓下時，試樣產生橫向滑移，壓頭中心與試樣焊縫的中心產生偏移(焊縫躲避壓頭)，導致T4003不銹鋼側的熱影響區不能完全進入彎曲部分內，不符合標準要求的焊縫金屬和熱影響區應完全位于試樣的彎曲部分內的要求，導致上述問題，但客戶沒有輥筒彎曲檢測設備，試驗一度陷于停頓。

后經過分析，嘗試采用一些非常規措施進行試驗。具體方法是：試驗時，在試樣下墊一塊比彎曲試樣尺寸略寬的T4003碳素鋼板材，把輥筒間距離加大至2倍試樣板厚(7mm)，不改變彎曲試驗的參數，試驗時讓試樣和墊塊共同受壓，目的是墊塊給試樣一定的拘束力，約束試樣產生均勻彎曲變形，不產生側向滑移，順利地壓出符合標準要求的試樣，取得了良好的效果，也得到客戶技術部門的認可，成功解決了彎曲試樣不符合標準的問題，加墊板的彎曲試驗如圖3所示。

圖3 加墊板彎曲試驗示意

3 結束語

在異種鋼焊接工藝評定中，焊接工藝和焊接材料選擇得當，獲得優質焊縫，是焊接接頭彎曲檢測合格的首要條件。

在異種鋼焊接工藝評定中遇到的一些焊接接頭彎曲檢測不合格，屬個性化問題，可以通過采取一些必要措施，在不違反相關標準和技術要求的前提下，確保試樣在標準要求彎曲角度和彎曲半徑技術指標內，不產生超標缺欠，達到提高彎曲合格率的目的。

雖然一些措施有待進一步商榷，但在客觀上也沒有違背相關標準和規定。本文涉及的異種鋼焊接接頭，經過若干工程的應用，均未發生問題，生產實踐證明了相關工作的正確性。