低合金高強(qiáng)鋼焊后冷裂紋磁記憶檢測(cè)技術(shù)研究

陸衛(wèi)軍 李軍 黃澤 陳琦琦 陳濤

摘要：針對(duì)焊接冷裂紋，利用磁記憶檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊縫冷卻過(guò)程中的應(yīng)力水平進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比焊接試樣在不同焊縫高度、約束焊縫長(zhǎng)度、焊條濕度條件下的磁記憶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析相關(guān)影響規(guī)律，并得出焊接冷裂紋產(chǎn)生的定性判據(jù)。利用研究成果可對(duì)冷裂紋的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)保障設(shè)備焊接質(zhì)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(guān)鍵詞：低合金高強(qiáng)鋼;冷裂紋;磁記憶

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TG401 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）11-0123-03

0 ?引言

低合金高強(qiáng)鋼是一種可焊接的低碳工程結(jié)構(gòu)用鋼，由于其焊接性能和使用性能較好，被大量應(yīng)用于石油化工、機(jī)械工程、艦船制造等重要工業(yè)領(lǐng)域。然而高強(qiáng)鋼由于在焊接冷卻過(guò)程中，焊接接頭易產(chǎn)生冷裂紋，冷裂紋敏感性隨著鋼材強(qiáng)度的增加而增大[1，2]。目前普遍采用無(wú)損探傷的方法檢測(cè)延遲裂紋，但往往由于檢測(cè)時(shí)機(jī)不合適，造成缺陷漏檢。因此對(duì)低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭延遲裂紋的萌發(fā)、擴(kuò)展、開(kāi)裂過(guò)程進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，對(duì)豐富低合金高強(qiáng)鋼焊接缺陷的檢測(cè)方法和提高缺陷的檢出率具有重要意義。

1 ?研究進(jìn)展

焊縫中存在應(yīng)力集中是焊接結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，由于應(yīng)力的存在，高應(yīng)力區(qū)前端的金屬母材容易產(chǎn)生微裂紋，圍觀裂紋在應(yīng)力的作用下，逐漸擴(kuò)大、延伸、合并形成宏觀可見(jiàn)的裂紋。在這個(gè)過(guò)程中，應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力分布及其各處應(yīng)力值是在變化中的，而這個(gè)變化過(guò)程中伴隨著能量的釋放，最終可以表現(xiàn)為磁記憶信號(hào)參數(shù)的變化。目前，國(guó)內(nèi)外已研制出磁記憶檢測(cè)儀器，并用于壓力容器焊縫的日常無(wú)損檢測(cè)中，有關(guān)利用磁記憶信號(hào)的變化進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的機(jī)理研究以及在用承壓設(shè)備的缺陷探傷應(yīng)用研究已經(jīng)較多[3-5]，但針對(duì)冷裂紋開(kāi)裂及擴(kuò)展過(guò)程中磁記憶信號(hào)的變化特征研究很少。本文將利用磁記憶檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊縫焊后冷卻過(guò)程中的應(yīng)力水平進(jìn)行檢測(cè)分析，研究低合金高強(qiáng)鋼焊后延遲裂紋產(chǎn)生過(guò)程中的磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律。

2 ?判別理論

磁記憶檢測(cè)方法中，通常通過(guò)對(duì)漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度的大小進(jìn)行測(cè)量，從而評(píng)估試件中待檢測(cè)部位的應(yīng)力集中程度。實(shí)際檢測(cè)中，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度被定義為所測(cè)量的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間漏磁場(chǎng)強(qiáng)度的法向分量HP（y）之差與這兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)間距的比值，如公式（1）所示。

公式（1）中漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度K的大小代表了漏磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化的快慢程度，也體現(xiàn)了該處應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度。為了便于計(jì)算分析，本文將焊縫表面漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度的平均值Kmed作為研究對(duì)象，研究Kmed在焊接延遲裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程中的變化趨勢(shì)。

式中Kmed為焊縫表面平均漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度值;n為檢測(cè)區(qū)采樣點(diǎn)數(shù)[4]。

3 ?實(shí)驗(yàn)研究

選用SPV490Q鋼進(jìn)行焊接冷裂紋實(shí)驗(yàn)，采用磁記憶檢測(cè)技術(shù)對(duì)冷裂紋形成過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取冷裂紋形成過(guò)程的磁記憶數(shù)據(jù)。

3.1 檢測(cè)設(shè)備及試件制備

使用TSC-1M-4型磁記憶檢測(cè)儀對(duì)低合金高強(qiáng)鋼焊接試件的焊接接頭進(jìn)行磁記憶檢測(cè)，如圖1所示。采用位移編碼器對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行記錄。

3.2 材料化學(xué)成分及力學(xué)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(xué)元素組成以及力學(xué)性能參數(shù)。

3.3 焊接試件結(jié)構(gòu)參數(shù)

斜Y型坡口試件結(jié)構(gòu)如圖2所示，試件分組情況如表2所示。

4 ?數(shù)據(jù)分析

采用小波降噪的方法對(duì)磁記憶信號(hào)進(jìn)行分析，圖3給出了各焊接試件焊后漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖3可見(jiàn)，焊后不同時(shí)間K值分布不同，K值始終在變化，也即焊縫表面應(yīng)力集中狀態(tài)在不斷變化。

4.1 焊后磁特性變化規(guī)律分析

為了分析焊接試件焊后磁特性的演化規(guī)律，以1#試件為例對(duì)照?qǐng)D4進(jìn)行具體分析，在焊工對(duì)焊接試件施焊后19～20分鐘左右時(shí)Kmed值出現(xiàn)最大值，隨后逐漸降低。這表明，在冷卻過(guò)程中，試件的應(yīng)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(gè)焊后冷卻過(guò)程來(lái)看，是不斷減小的。該現(xiàn)象是由于焊后冷卻初期，拘束應(yīng)力較大，整體應(yīng)力水平較高，隨著不斷冷卻，焊接接頭的熔合區(qū)內(nèi)部開(kāi)始萌生微裂紋，裂紋的形成釋放能量，降低了焊接接頭內(nèi)部的應(yīng)力集中。隨著裂紋的擴(kuò)展和延伸，試件中的應(yīng)力集中得到了有效緩解，應(yīng)力水平出現(xiàn)了進(jìn)一步的降低。

4.2 不同焊接條件對(duì)斜Y型坡口焊接試件磁特性的影響

影響焊接試件焊后應(yīng)力分布的主要因素有焊接試件母材厚度、焊接接頭的長(zhǎng)度、施焊焊條含氫量。由圖3數(shù)據(jù)得出的不同試件在焊后20小時(shí)以內(nèi)冷卻過(guò)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(guān)系

1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)焊接試件的母材厚度不同，由這三個(gè)試件的檢測(cè)結(jié)果可以看出，隨板厚增大Kmed值不斷增大。

4.2.2 拘束焊縫長(zhǎng)度對(duì)斜Y型坡口焊接試件磁特性的影響

1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)焊接試件的焊接接頭長(zhǎng)度不同，由這三個(gè)試件的檢測(cè)結(jié)果可以分析出，試件整體Kmed值隨著試件兩端拘束焊縫長(zhǎng)度的減小而不斷降低。

4.2.3 焊條濕度對(duì)斜Y型坡口焊接試件磁特性的影響

1號(hào)、6號(hào)焊接試件在施焊前，對(duì)焊條進(jìn)行烘干處理的條件不同。由表3可知， Kmed1

5 ?結(jié)論

針對(duì)高強(qiáng)鋼冷裂紋形成特性，本文在考慮多參數(shù)影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了SPV490Q斜Y型坡口焊接試件的磁記憶測(cè)試試驗(yàn)，獲取了不同焊縫厚度、約束長(zhǎng)度、濕度下的焊后磁記憶數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)磁記憶信號(hào)降噪處理和分析認(rèn)為：①斜Y型坡口焊接試件磁記憶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能有效反映冷裂紋演化過(guò)程的應(yīng)力集中變化規(guī)律;平均漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度值Kmed可表征試件整體應(yīng)力水平的變化，如有突增的Kmed值，則說(shuō)明試件焊后具有冷裂紋傾向;②隨著焊縫厚度、拘束焊縫長(zhǎng)度、焊條濕度的增加，試件平均漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度值Kmed逐漸增大，冷裂紋敏感傾向逐漸增加。

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