S355G10+M-Z35鋼級CTOD試驗研究

彭 靜，鄭家勝，程 勇，凌羽東

（1.合肥紫金鋼管股份有限公司，安徽 合肥 230051；2.安徽省特種設備檢測院，安徽 合肥 230051；3.合肥巨一動力系統有限公司，安徽 合肥 230051；4.Jade Hochschule雅德應用科技大學，德國 26389）

CTOD試驗是一種評價焊接接頭抗斷裂性能的有效方法之一，作為表征焊縫斷裂韌性的重要指標，CTOD是裂紋尖端張開位移（Crack Tip Opening Displacement）的英文縮寫，一般用δ表示，對于具有潛在裂紋的構件，當載荷逐漸增大，原始裂紋張開位移就會逐漸增大，當裂紋張開位移δ達到材料臨界值δc時，繼續擴展就會斷裂。CTOD值越大，材料的抗開裂性能越好，韌性越好。CTOD值越小，材料的抗開裂性能越差，韌性越差[1]。

1 研究現狀

目前國內對于CTOD試驗多停留在對鋼板焊縫研究的層次，其采用的坡口為單邊坡口（如K型坡口），焊接參數多為標準規定的特定線能量焊接，與實際生產的鋼管焊接坡口類型以及焊接參數等差異較大，隨著行業深入發展，焊管行業內多要求鋼管的焊縫也需要進行CTOD試驗，來替代焊后熱處理，降低制造成本，節約施工工期。本文在鋼板K型坡口CTOD試驗的基礎上，重點對S355G10+M-Z35鋼級常用焊接X型坡口焊縫進行CTOD的試驗和分析,尋找最佳焊材匹配和焊接工藝，以期CTOD試驗滿足標準要求，提高鋼管焊接質量，免除焊后熱處理，降低制造成本[2]。

2 焊接過程

2.1 母材

本文所述焊管制造所用的鋼板為舞陽鋼鐵有限責任公司生產的歐標EN10225：2009[3]S355G10+M-Z35，鋼板厚度為70mm，其化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 S355G10+M-Z35鋼板化學成分w，max%

表2 S355G10+M-Z35鋼板力學性能

2.2 焊接坡口

實際生產坡口為了保證鋼管服役后焊接應力的內外均衡，焊接采用雙面X形坡口，坡口尺寸如圖1所示。

圖1 焊接坡口尺寸

2.3 焊接材料及工藝參數

本文通過多次試驗，最終選定天泰焊材（昆山）有限公司研制的經過CTOD試驗合格的歐標焊材。其中，打底采用135（GMAW氣體保護焊），焊絲為Ф1.2的ISO14341-AG423C13Si1；填充和蓋面采用121（SAW埋弧焊），埋弧焊絲為Ф5.0的ISO14171-A-S3Si，焊劑為ISO14174SAFB155AC。打底焊工藝參數為260A/32V，焊接速度300mm/min，埋弧焊工藝參數為590A～750A/30V～36V，焊接速度為0.4～0.5,。控制預熱溫度≥110℃，預熱溫度≤層間溫度≤250℃。

表3 樣品狀態

圖2 試樣斷口照片

3 CTOD試驗過程

本文CTOD試樣，沿著焊縫截取，試板為焊態。按照 標 準 BS7448：Part1：1991[4],BS7448：Part2：1997[5]和BSENIS015653：2018[6]要求，試樣類型為SE（B）三點彎曲試樣，預制裂紋采用電火花線切割方式進行加工，裂紋平面標識為N-P方向（平行焊縫方向），樣品狀態如下表3。

3.1 試驗材料力學性能

CTOD試驗數據分析基于材料力學性能基礎上進行，因此，有必要對材料的力學性能進行測試，測試結果見表4。

表4 試驗材料力學性能

3.2 試驗參數

本試驗預制疲勞裂紋參數：最大載荷Fmax=140KN，應力強度因子范圍ΔKfmax=52MPa.m1/2，頻率f=6HZ，R=0.1，波形為正弦波，加載速率為2.00mm/min，加載時間和試驗中初始應力強度因子增長速率K分別為1.51/1.39/1.53。

3.3 試驗結果

試驗完成后記錄各項數據，收集各項參數和表格，其中試驗數據分別為1.188/1.829/1.825，裂紋長度測量數據分別為67.70/67.86/67.93。試樣的斷口照片如圖2。

根 據BS7448：Part1-1991.10和BSENISO15653：2018的 有效性檢驗標準，以上試驗的CTOD特征值均有效。

4 結語

采用本試驗的焊接材料和焊接工藝所制造的S355G10+M-Z35的鋼級焊接接頭韌性較好，試樣為初始焊態均未進行任何熱處理，通過分析本試驗各項數據可得，X型坡口焊縫的CTOD特征值（1.188/1.829/1.825）高于驗收標準值（0.33）要求，試驗結果顯示的CTOD值越高，說明焊接接頭韌性好[7]。

使用本試驗的焊接材料和焊接工藝生產的大口徑厚壁海洋結構鋼管符合要求，可以免除焊后熱處理，降低生產成本，提高生產效率。