卓 曉1，李立新1，李 弟，劉譯洋，孔海君，趙 丹

(1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050000; 2.渤海造船廠集團(tuán)有限公司，葫蘆島 125000)

0 引 言

EH36-Z35鋼是一種典型的低合金高強(qiáng)海洋平臺(tái)用鋼，具有良好的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能，目前主要應(yīng)用在厚度100 mm以下的36 kg級(jí)海洋平臺(tái)中。隨著海洋平臺(tái)的發(fā)展，較厚海洋平臺(tái)用鋼板的需求量增加[1]。與同級(jí)別薄板相比，為保證厚板的心部性能，在成分設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)添加更多的合金元素，這將導(dǎo)致淬硬傾向和拘束度增大，使得組織不均勻程度增大，從而對(duì)鋼板的抗裂性能產(chǎn)生不利影響。

擴(kuò)散氫、拘束應(yīng)力、淬硬傾向是產(chǎn)生焊接冷裂紋的3個(gè)基本要素，研究這3個(gè)要素對(duì)低合金鋼冷裂紋的影響機(jī)理有助于預(yù)防冷裂紋的產(chǎn)生，從而提高結(jié)構(gòu)件的安全性。斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)是一種常用的判定低合金鋼焊接冷裂紋敏感性的方法。目前，有關(guān)低合金高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋敏感性的報(bào)道主要集中在焊前預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)的影響方面[2-5]。低合金高強(qiáng)鋼的焊接冷裂紋對(duì)環(huán)境條件十分敏感[6]。有關(guān)海洋工程用鋼在常溫條件下的焊接冷裂紋敏感性的研究較多[7]，而關(guān)于低溫條件下的焊接冷裂紋敏感性的報(bào)道很少。為此，作者通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算及斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)，研究了低溫環(huán)境中EH36-Z35鋼的焊接冷裂紋敏感性，為低溫條件下EH36-Z35鋼焊接冷裂紋的控制提供理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)鋼為厚度50 mm的海洋平臺(tái)用EH36-Z35鋼板，熱處理態(tài)為正火態(tài)，化學(xué)成分見(jiàn)表1。按照GB/T 4364-2013，在試驗(yàn)鋼上沿軋制方向截取尺寸為200 mm×150 mm×50 mm的斜Y型坡口試樣，根部間隙大小為(2±0.2) mm。焊接前，將試樣坡口及表面用砂紙打磨，并用丙酮擦拭后，在180 ℃下烘干2 h。

表1 EH36-Z35鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

采用SDW532H型焊接環(huán)境實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中的焊前預(yù)熱溫度、環(huán)境溫度與濕度見(jiàn)表2，待實(shí)驗(yàn)室環(huán)境設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行1 h后再進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊條為直徑4.0 mm的THJ507RH超低氫高韌低合金鋼焊條，由水銀法測(cè)得焊條擴(kuò)散氫的含量為每100 g熔敷金屬中4.7 mL；采用WSEM-500型焊機(jī)進(jìn)行手工焊接，焊接電流為172 A，焊接電壓為25 V，焊接速度為(150±10) mm·min-1。焊后試樣在設(shè)定的環(huán)境中充分冷卻，并在48 h后按照CB/T 4364-2013，對(duì)斜Y型坡口試樣整體進(jìn)行氧化發(fā)藍(lán)處理及解剖試驗(yàn)，計(jì)算焊縫根部裂紋率。

在解剖試樣上電火花切割出金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Olympus GX51型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察接頭熱影響區(qū)的顯微組織。在接頭熱影響區(qū)截取透射試樣，用砂紙磨至厚度50 μm以下，再用MTP-1A型電解雙噴儀減薄，減薄液為體積分?jǐn)?shù)6%的高氯酸乙醇溶液，采用H-800型透射電鏡(TEM)觀察熱影響區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)。采用VH-5型維氏硬度計(jì)測(cè)接頭上距表面2 mm處的硬度，載荷為49.03 N，保載時(shí)間為10 s，從焊縫向母材每隔0.5 mm取點(diǎn)測(cè)試。

表2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)過(guò)程中的焊前預(yù)熱溫度、環(huán)境溫度與濕度

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 冷裂紋敏感性評(píng)估

用經(jīng)驗(yàn)公式評(píng)價(jià)低合金高強(qiáng)鋼的焊接冷裂紋敏感性是一種較為快捷方便的方法[6]。典型的經(jīng)驗(yàn)公式為

(1)

Pcm=w(C)+

(2)

式中：wCE為碳當(dāng)量；Pcm為冷裂紋敏感性指數(shù)；w(C),w(Mn),w(Cu),w(Si),w(Cr),w(Mo),w(V),w(Ni),w(B)分別為碳、錳、銅、硅、鉻、鉬、釩、鎳、硼元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由式(1)和式(2)計(jì)算得到，試驗(yàn)鋼的碳當(dāng)量為0.43，冷裂紋敏感性指數(shù)為0.268。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，試驗(yàn)鋼具有一定的焊接冷裂紋敏感性，需要通過(guò)適當(dāng)?shù)暮盖邦A(yù)熱才可避免冷裂紋的產(chǎn)生。焊前預(yù)熱溫度計(jì)算公式為

T0=1 440Pc-392 (℃)

(3)

(4)

式中：w([H])為每100 g焊縫中擴(kuò)散氫的含量，mL；δ為鋼板厚度，mm;T0為預(yù)熱溫度；Pc為考慮擴(kuò)散量含量與板厚效應(yīng)的冷裂紋敏感性指數(shù)。

計(jì)算得到試驗(yàn)鋼的焊前預(yù)熱溫度約為114 ℃。

2.2 接頭宏觀形貌及焊縫根部裂紋率

圖1下方標(biāo)記處對(duì)應(yīng)于斷口處存在的明顯脆性斷裂特征，且裂紋區(qū)域呈淡藍(lán)色，這是由于焊接接頭放置48 h后產(chǎn)生了氫致延遲裂紋，裂紋面在發(fā)藍(lán)處理過(guò)程中發(fā)生氧化，破斷后顯現(xiàn)淡藍(lán)色。由圖1可知，1#，2#，3#，4#，7#接頭中產(chǎn)生了冷裂紋，且裂紋數(shù)量不相同。

圖1 發(fā)藍(lán)處理并解剖后不同接頭的宏觀斷口形貌Fig.1 Macroscopic fracture morphology of different joints after bluing and dissection

由表3可以看出，在預(yù)熱溫度相同與絕對(duì)濕度相近條件下(1#，2#，3#，5#)，隨著環(huán)境溫度的升高，根部裂紋率顯著降低。裂紋率的變化可能與焊接冷卻速率有關(guān)，即隨著環(huán)境溫度的降低，800 ℃冷卻至500 ℃的時(shí)間變短，冷卻速率變大，導(dǎo)致焊縫中產(chǎn)生脆硬的馬氏體組織，從而降低了試驗(yàn)鋼的抗裂性。在環(huán)境溫度為15 ℃條件下，當(dāng)焊前預(yù)熱溫度為125 ℃時(shí)(5#，6#，8#)，不同濕度條件下接頭焊縫中均未產(chǎn)生裂紋；而當(dāng)焊前預(yù)熱溫度為100 ℃時(shí)(7#)，即使在23%的低相對(duì)濕度下接頭焊縫中也會(huì)產(chǎn)生裂紋。在環(huán)境溫度為5 ℃條件下，當(dāng)焊前預(yù)熱溫度為150 ℃時(shí)，在50%相對(duì)濕度下(4#)產(chǎn)生的裂紋率低于20%，符合材料驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；而焊前預(yù)熱溫度降低至125 ℃時(shí)(3#)，接頭焊縫中出現(xiàn)嚴(yán)重的開(kāi)裂。綜上，為保證試驗(yàn)鋼焊接結(jié)構(gòu)的安全性，在5 ℃環(huán)境中焊前預(yù)熱溫度應(yīng)高于150 ℃，而在15 ℃環(huán)境條件中焊前預(yù)熱溫度應(yīng)高于125 ℃。提高焊前預(yù)熱溫度可降低應(yīng)力的峰值及梯度，還可降低接頭的冷卻速率，從而避免接頭組織中出現(xiàn)淬硬組織[9-10]。

表3 不同接頭焊縫根部裂紋率

2.3 接頭硬度與顯微組織

由圖2可以看出，在預(yù)熱溫度相同與絕對(duì)濕度相近的條件下，隨著環(huán)境溫度變化，接頭熱影響區(qū)距焊縫相同距離處的硬度變化明顯。當(dāng)環(huán)境溫度由-18 ℃升高至15 ℃時(shí)，熱影響區(qū)最高硬度由453.45 HV降至359.63 HV，裂紋率由82.26%降至0。

圖2 不同接頭的硬度分布曲線Fig.2 Hardness distribution curves of different welded joints

為分析熱影響區(qū)硬度變化的原因，以3#與5#接頭為例對(duì)熱影響區(qū)顯微組織進(jìn)行觀察。由圖3可以看出，3#與5#接頭熱影響區(qū)組織均為馬氏體，且3#接頭熱影響區(qū)中馬氏體板條更細(xì)小。由此可知，在相同熱輸入條件下，環(huán)境溫度降低，冷卻速率增大，熱影響區(qū)馬氏體板條變細(xì)，從而導(dǎo)致硬度顯著增加[11]。

圖3 3#與5#接頭熱影響區(qū)的OM形貌與TEM形貌Fig.3 OM morphology (a-b) and TEM morphology (c-d) of heat affected zone in 3# (a, c) and 5# (b, d) joint

2.4 拘束應(yīng)力

由插銷(xiāo)試驗(yàn)建立的臨界拘束應(yīng)力計(jì)算公式[12-13]為

σcr=(86.3-211Pcm-28.2lg(w([H])+1)+

2.73t8/5+9.7×10-3t100)×9.8

(5)

式中：σcr為臨界拘束應(yīng)力，MPa；t8/5為溫度由800 ℃降低至500 ℃的冷卻時(shí)間，其值小于15 s；t100為溫度由峰值溫度降低至100 ℃的冷卻時(shí)間，由于在低溫環(huán)境條件下t100的系數(shù)很小，因此可忽略t100的影響。

合金高強(qiáng)鋼硬度變化量ΔH與臨界拘束應(yīng)力變化量Δσcr的關(guān)系式[13]為

Δσcr=(-0.216ΔH+0.0102Δt100)×9.8

(6)

由式(5)計(jì)算得到未出現(xiàn)裂紋時(shí)接頭的臨界拘束應(yīng)力約為707 MPa。當(dāng)裂紋率從0增加到40.85%，熱影響區(qū)硬度從359.63 HV升高至419.97 HV時(shí)，由式(6)計(jì)算得到臨界拘束應(yīng)力下降近130 MPa，可知在-18～15 ℃環(huán)境中試驗(yàn)鋼的臨界拘束應(yīng)力最大，約為577 MPa。

拘束度與拘束應(yīng)力間的關(guān)系式[14]為

R=71K×[arctan(0.017δ)-(δ2/160 000)]

(7)

σ=mR

(8)

式中：σ為拘束應(yīng)力，MPa;m為拘束應(yīng)力轉(zhuǎn)換系數(shù)，取(35)×10-2；R為拘束度，N·mm-2；K為厚板的拘束系數(shù)，N·mm-3。

由于斜Y型坡口屬于高拘束條件坡口[15]，可以將其考慮為一般拘束至嚴(yán)格拘束，對(duì)應(yīng)拘束系數(shù)取400700 N·mm-3，則由式(7)計(jì)算得到拘束度的范圍為19 60033 900 MPa。將結(jié)果代入式(8)得到，一般拘束至嚴(yán)格拘束條件下的拘束應(yīng)力為5881 695 MPa。

綜上可知，在-18～15 ℃環(huán)境中，當(dāng)預(yù)熱溫度不夠高時(shí)，接頭組織硬度較高，導(dǎo)致臨界拘束應(yīng)力下降至577 MPa以下，而由斜Y型坡口焊接試驗(yàn)引入的拘束應(yīng)力為5881 695 MPa，滿足裂紋形成的條件，裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展，直至拘束應(yīng)力釋放至臨界條件以下。

3 結(jié) 論

(1) 由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到試驗(yàn)鋼具有一定的焊接冷裂紋敏感性，且焊前預(yù)熱溫度約為114 ℃時(shí)才能保證結(jié)構(gòu)的安全性；由斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)得到15 ℃環(huán)境中焊前預(yù)熱溫度應(yīng)高于125 ℃，5 ℃環(huán)境中焊前預(yù)熱溫度應(yīng)高于150 ℃，試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值接近。

(2) 在-18～15 ℃低溫環(huán)境中，預(yù)熱溫度相同與絕對(duì)濕度相近條件下，隨著環(huán)境溫度的降低，試驗(yàn)鋼焊縫根部裂紋率增加，熱影響區(qū)最高硬度升高，這與馬氏體板條細(xì)化有關(guān)；計(jì)算得到在-18～15 ℃環(huán)境中試驗(yàn)鋼的最大臨界拘束應(yīng)力為577 MPa，而由斜Y型坡口焊接試驗(yàn)引入的拘束應(yīng)力為588～1 695 MPa，滿足裂紋形成條件，裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展，直至拘束應(yīng)力釋放至臨界條件以下。