尹士科　王移山　趙國(guó)勝

0前言

低合金鋼包括高強(qiáng)度鋼、鉻-鉬耐熱鋼、低溫鋼和耐腐蝕鋼等，在工程結(jié)構(gòu)中被廣泛采用，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有很重要的作用。低合金鋼的焊接是建造這些工程結(jié)構(gòu)的主要工藝方法之一，也是產(chǎn)品制造過程中必須特別重視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。許多工程結(jié)構(gòu)的破壞，包括一些重大的災(zāi)難性事故，都是由于在焊接上出現(xiàn)質(zhì)量問題造成的。低合金鋼的焊接應(yīng)重點(diǎn)關(guān)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(qū)域產(chǎn)生脆化，特別是過熱區(qū)；二是焊接裂紋，要防止在焊縫或熱影響區(qū)中出現(xiàn)裂紋，主要是焊接冷裂紋。對(duì)于承受動(dòng)載荷的結(jié)構(gòu)，還要有足夠的抗動(dòng)載斷裂性能。因此，對(duì)一個(gè)重要的產(chǎn)品而言，需要進(jìn)行下述幾方面的試驗(yàn)，這包括模擬焊接熱影響區(qū)性能、焊接熱影響區(qū)及焊接接頭的抗裂性試驗(yàn)、焊接接頭的抗動(dòng)載斷裂。根據(jù)得出試驗(yàn)結(jié)果，既可對(duì)鋼種的這些性能作出評(píng)價(jià)，又可以選出合適的焊接熱輸入、焊前預(yù)熱及道間溫度等施工參數(shù)。下面以10Ni5CrMoV鋼為例加以具體說明。

1模擬焊接熱影響區(qū)性能試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)條件

模擬焊接熱循環(huán)是在設(shè)定的峰值溫度和冷卻速度條件下進(jìn)行的，可以完成一次、兩次及多次模擬加熱。試驗(yàn)時(shí)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(gè)有代表性的溫度，如兩相區(qū)溫度、正常的奧氏體區(qū)溫度和粗大的奧氏體區(qū)溫度等。冷卻速度通常用800～500 ℃之間的冷卻時(shí)間即t8 / 5表示，當(dāng)t8 / 5設(shè)為5～10 s時(shí)，代表焊條電弧焊； 當(dāng)t8 / 5設(shè)定為20～40 s時(shí)，代表中等規(guī)范的氣體保護(hù)焊或埋弧焊； 當(dāng)t8 / 5設(shè)定為>40 s時(shí)，則代表大規(guī)范的氣電立焊或電渣焊等。試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分和性能列于表1，鋼的Ac3是790 ℃，Ac1是660 ℃。

試驗(yàn)選用的模擬焊接熱循環(huán)參數(shù)冷卻時(shí)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(yàn)結(jié)果

在測(cè)定峰值溫度的影響時(shí)，把t8 / 5固定在10 s， 其它參數(shù)也保持不變；在測(cè)定t8 / 5的影響時(shí)，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(qū)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(shí)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(guān)系。750 ℃加熱時(shí)，引起原回火馬氏體中的碳化物進(jìn)一步析出等，導(dǎo)致硬度降低。

由模擬焊接熱循環(huán)試驗(yàn)得知，當(dāng)t8 / 5≤40 s時(shí)，隨著t8 / 5的增加，模擬熱影響區(qū)的韌性在逐漸提高，當(dāng)t8 / 5=40 s時(shí)韌性達(dá)到最高值，并與母材的原始性能相當(dāng)。t8 / 5>40 s后，隨著t8 / 5的增加，模擬熱影響區(qū)的韌性逐漸下降。t8 / 5=60 s時(shí)韌性已明顯降低，t8 / 5=90 s時(shí)沖擊吸收能量下降到30 J以下。因此，焊接10Ni5CrMoV鋼時(shí)，其t8 / 5應(yīng)控制在40 s之內(nèi)為宜。根據(jù)相關(guān)的公式計(jì)算，如果把預(yù)熱或道間溫度設(shè)定為120 ℃，這時(shí)的熱輸入約為63 kJ/cm；如果把預(yù)熱或道間溫度設(shè)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(hù)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(qū)的韌性也會(huì)受到損害，這與組織上出現(xiàn)了孿晶馬氏體有關(guān)系[1]。

2焊接裂紋試驗(yàn)

2.1焊接熱影響區(qū)的裂紋試驗(yàn)

目前，國(guó)內(nèi)外都利用插銷試驗(yàn)方法來研究焊接熱影響區(qū)的裂紋敏感性，并取得了很多共識(shí)。這一試驗(yàn)方法專門用來評(píng)定熱影響區(qū)的抗冷裂紋性能，是一個(gè)定量的試驗(yàn)方法，它是國(guó)際焊接協(xié)會(huì)（IIW）推薦的試驗(yàn)方法。

插銷試驗(yàn)用底板為低碳鋼，插銷棒必須采用低合金高強(qiáng)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(zhǎng)度 100～150 mm。焊完后當(dāng)?shù)装鍦囟冉抵?50 ℃時(shí)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(yīng)力。試驗(yàn)規(guī)定：當(dāng)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(yīng)力的測(cè)定

為了比較焊條烘干溫度對(duì)臨界斷裂應(yīng)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(shí)采用水銀法測(cè)定擴(kuò)散氫含量，其結(jié)果是：經(jīng)350 ℃和450 ℃烘干后，其擴(kuò)散氫含量分別是3.0 mL/100 g和1.43 mL/100 g。試驗(yàn)時(shí)它與不同的預(yù)熱溫度相互組合（50 ℃、80 ℃及120 ℃）。不同焊條烘干溫度和不同預(yù)熱條件組合后的斷裂應(yīng)力與斷裂時(shí)間之間的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，采用350 ℃烘干的焊條，不進(jìn)行預(yù)熱時(shí)的臨界斷裂應(yīng)力是310 MPa；采用450 ℃烘干的焊條，不進(jìn)行預(yù)熱時(shí)的臨界斷裂應(yīng)力是410 MPa；當(dāng)采用450 ℃烘干的焊條且預(yù)熱50 ℃時(shí)，應(yīng)力不超過690 MPa則不產(chǎn)生斷裂；而當(dāng)預(yù)熱達(dá)到80 ℃時(shí)，即使凈截面應(yīng)力增加到880 MPa也不產(chǎn)生斷裂。可見，對(duì)臨界斷裂應(yīng)力而言，提高預(yù)熱溫度比提高焊條烘干溫度的效果更加明顯。插銷試驗(yàn)的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)如下：不預(yù)熱焊接時(shí)，焊條熄弧至冷卻到150℃的時(shí)間是60～70 s；預(yù)熱溫度為50 ℃時(shí)，這一時(shí)間增至100 s左右；預(yù)熱溫度為80 ℃時(shí)增至150 s；預(yù)熱溫度為120 ℃時(shí)達(dá)到500 s左右。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的測(cè)定結(jié)果：熄弧至冷卻到150 ℃的時(shí)間為60 s時(shí)，焊縫的擴(kuò)散氫量為1.5 mL/100 g，而這一時(shí)間達(dá)到500 s時(shí)，擴(kuò)散氫量?jī)H有0.5 mL/100 g。因此，隨著預(yù)熱溫度的提高，擴(kuò)散氫量逐漸降低；另外，緩慢冷卻降低了焊接殘余應(yīng)力，因而使臨界斷裂強(qiáng)度得以有效提高。

2.1.2斷口宏觀形貌觀察

插銷試驗(yàn)后，將24 h以內(nèi)斷裂的試樣進(jìn)行斷口形貌目視觀察，必要時(shí)采用放大鏡，粗略地確定其中纖維狀斷口和結(jié)晶狀斷口所占的比例，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出：不預(yù)熱時(shí)，不論焊條烘干溫度是高是低，其斷裂應(yīng)力都是較低的，均在600 MPa以下；當(dāng)預(yù)熱50 ℃時(shí)，其斷裂應(yīng)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(yīng)力斷裂，把后者稱為高應(yīng)力斷裂。低應(yīng)力斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的斷口以結(jié)晶狀（脆性斷裂）為主，高應(yīng)力斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的斷口以纖維狀（延性斷裂）為主。試驗(yàn)表明，影響斷口宏觀形貌的因素主要是焊條烘干溫度和預(yù)熱條件，與之對(duì)應(yīng)的變化主要是焊縫中的擴(kuò)散氫量。除了氫的影響外，施加的應(yīng)力大小對(duì)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(yù)熱時(shí)，焊縫含氫量應(yīng)是一樣的，當(dāng)其施加的應(yīng)力較低時(shí)，斷裂的持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，結(jié)晶狀斷口相應(yīng)增多；在相同的預(yù)熱溫度下（如50 ℃），且都是450 ℃烘干時(shí)，其含氫量也應(yīng)是相同的，當(dāng)其施加的應(yīng)力較低時(shí)，斷裂的持續(xù)時(shí)間也會(huì)增長(zhǎng)，結(jié)晶狀斷口也相應(yīng)增加。

2.2焊接接頭的裂紋試驗(yàn)

2.2.1直Y形坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)

試板尺寸為200 mm×150 mm×40 mm，采用J857Ni焊條。測(cè)定預(yù)熱溫度對(duì)裂紋的影響時(shí)，焊條不吸潮，烘干條件是450 ℃×2 h；測(cè)定吸潮時(shí)間對(duì)裂紋的影響時(shí)，焊條的烘干條件是420 ℃×2 h，放在30 ℃×90%的恒溫恒濕箱內(nèi)1～6 h。上述兩者的試驗(yàn)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(huán)境溫度低，預(yù)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(yù)熱到100 ℃仍會(huì)在焊縫中出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋，可見預(yù)防焊接材料吸潮是至關(guān)重要的。

2.2.2剛性固定對(duì)接裂紋試驗(yàn)

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(yù)熱溫度對(duì)裂紋率的影響如表5所示。

2.2.3弧形角接裂紋試驗(yàn)

試件尺寸等見參考文獻(xiàn)[3]，試弧形角接裂紋試驗(yàn)的試驗(yàn)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(kuò)散氫量明顯增加，致使裂紋嚴(yán)重，應(yīng)給予高度重視。當(dāng)環(huán)境溫度不低于0 ℃，環(huán)境濕度≤80%時(shí)，預(yù)熱和道間溫度宜控制在80～120 ℃；當(dāng)環(huán)境溫度低于-5 ℃時(shí)，預(yù)熱和道間溫度控制在80～120 ℃還不足以消除裂紋，宜把預(yù)熱和道間溫度控制在100～130 ℃，環(huán)境濕度越大，這一溫度應(yīng)越高。

3焊接接頭的抗動(dòng)載性能試驗(yàn)

在評(píng)定抗動(dòng)載斷裂性能方面，目前國(guó)內(nèi)外采用的試驗(yàn)方法有：沖擊試驗(yàn)（含示波沖擊）、CTOD實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)撕裂試驗(yàn)、落錘試驗(yàn)、爆炸試驗(yàn)等。有些國(guó)家則采用幾種試驗(yàn)方法綜合評(píng)定，如采用落錘試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)方法相結(jié)合，也有的采用爆炸試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)撕裂試驗(yàn)相結(jié)合。

3.1示波沖擊試驗(yàn)

10Ni5CrMoV鋼焊接區(qū)不同部位的示波沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表7所示?？梢钥闯?，焊縫中心的沖擊吸收能量很低，裂紋擴(kuò)展吸收能量占沖擊吸收能量總量的比例不足50%，一旦出現(xiàn)裂紋將會(huì)在焊縫中快速擴(kuò)展，并有可能進(jìn)入熱影響區(qū)。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(kuò)展吸收能量占的比例較高，均大于60%，這表明熱影響區(qū)有著高的抗裂紋擴(kuò)展能力。如果焊縫中的裂紋擴(kuò)展到熱影響區(qū)，它將會(huì)在熱影響區(qū)中被阻止。鑒于10Ni5CrMoV鋼的韌性遠(yuǎn)高于焊縫的韌性，可見焊縫是其薄弱環(huán)節(jié)，故下面的幾個(gè)試驗(yàn)主要測(cè)定焊縫的相關(guān)性能。

3.2動(dòng)態(tài)撕裂試驗(yàn) （DT試驗(yàn)）

用焊條J857Ni焊接的焊縫金屬DT試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，焊條J857Ni的焊縫金屬具有高的動(dòng)態(tài)撕裂能量，達(dá)到了美國(guó)軍標(biāo)規(guī)定值。

3.3落錘試驗(yàn)（NDT試驗(yàn)）

經(jīng)測(cè)定焊條J857Ni的焊縫金屬NDT溫度為-80 ℃，見表9。

3.4爆炸試驗(yàn)

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(jìn)行打磨。焊接接頭的爆炸膨脹試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。試驗(yàn)結(jié)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(guó)軍標(biāo)要求。

綜合各項(xiàng)抗動(dòng)載性能試驗(yàn)結(jié)果可知，10Ni5CrMoV鋼及其配套J857Ni焊條的抗動(dòng)載斷裂性能優(yōu)良，NDT溫度為-80℃，DT試驗(yàn)和爆炸試驗(yàn)結(jié)果均符合美國(guó)軍標(biāo)要求，鋼的熱影響區(qū)有著高的抗裂紋擴(kuò)展能力，但焊縫金屬的抗裂紋擴(kuò)展能力偏低。

4結(jié)束語(yǔ)

通過上面的焊接性能綜合評(píng)價(jià)，可以確定：10Ni5CrMoV鋼及其配套焊材的抗動(dòng)載斷裂性能優(yōu)良，適于承受動(dòng)載的工程結(jié)構(gòu)。焊接該鋼種時(shí)可采用焊條電弧焊、氣體保護(hù)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(chǎn)生孿晶馬氏體。根據(jù)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度的不同，可采用不同的預(yù)熱和道間溫度。通常，預(yù)熱和道間溫度宜控制在80～130 ℃，這時(shí)既可避免產(chǎn)生焊縫裂紋也能防止熱影響區(qū)出現(xiàn)低應(yīng)力斷裂。上述各試驗(yàn)所確定的焊接規(guī)范參數(shù)，均被編入產(chǎn)品施工指導(dǎo)文件。根據(jù)用戶介紹，經(jīng)過多臺(tái)產(chǎn)品的施工與檢驗(yàn)，證明所編制的施工指導(dǎo)文件效果良好，滿足了現(xiàn)場(chǎng)施工要求，能保證產(chǎn)品質(zhì)量安全可靠。足見這一焊接性能綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)是可行的和可信的。

參考文獻(xiàn)

[1]尹士科，郭懷力，王移山.焊接熱循環(huán)對(duì)10Ni5CrMoV鋼組織的影響[J] 焊接學(xué)報(bào)，1996（1）：25-30.

[2]尹士科，王移山，李鳳輝. 焊縫中氫的擴(kuò)散行為及影響因素[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào)，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(xué)工業(yè)出版社，2004 .

收稿日期： 2015-01-10

尹士科簡(jiǎn)介： 1941年出生，教授級(jí)高級(jí)工程師，獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，獲國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利7項(xiàng)，出版著作和譯著共20部，發(fā)表論文100余篇。