不同焊接工藝對焊縫低溫韌性的影響研究

姚若波， 李之達

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

S420ML是歐標的高強度結構鋼板,與國標的Q420q類似,它具有良好的力學性能和工藝性能,淬透性較高,加入釩使鋼的晶粒細化,降低過熱敏感性,提高了強度和韌性,具有良好的疲勞強度,屈服比也較高,但是焊接性差,冷因變形塑性也相對較低,主要用作結構鋼,廣泛應用于橋梁、水利水電、船舶、建筑、環保等行業。S420ML鋼板的焊接接頭由于焊接過程造成的組織劣化和缺陷會成為薄弱部位,所以有必要對焊接過后的焊縫進行低溫斷裂韌性評定,對于該鋼種的應用有重大意義。裂紋尖端張開位移(crack tip of displacement, CTOD)試驗是評定材料低溫斷裂韌性的一種有效方法,并且CTOD試驗還可以通過預制裂紋將裂紋前沿放置在待檢測區域,在焊接件斷裂韌性研究方面有著得天獨厚的優勢[1,2]。

目前,不少學者進行了焊接對焊接接頭的韌性影響研究。蔡曉靜等[3]研究了采用埋弧焊焊接的焊接接頭的CTOD低溫斷裂韌性試驗,結果表明熱影響區的CTOD值較分散,且粗晶區相比細晶區更容易發生失穩破壞;陳小偉等[4]通過焊接熱模擬+低溫沖擊試驗的方法研究了不同焊接線能量下焊接接頭的低溫韌性,結果表明接頭的低溫斷裂韌性會隨著焊接線能量的增加而惡化。之前的研究大多集中在同一焊接工藝下焊接接頭各區域的韌性對比,以及不同焊接參數和合金元素對韌性的作用上,而對于不同焊接工藝對焊接接頭斷裂韌性影響的研究還比較少。為此,本文主要對采用3種不同焊接工藝的S420ML鋼進行了焊縫低溫CTOD試驗,并比較了不同焊接工藝對焊接接頭韌性的影響,為工程應用提供參考。

1 試驗方法和過程

1.1 試驗材料

試驗材料主要采用的是S420ML高強度鋼板,其主要化學成分見表1。其主要力學性能:屈服強度σs=451 MPa，抗拉強度σs=553 MPa，延伸率為26%，屈強比為0.82。

表1 母材熔煉化學成分及含量

焊接使用的三種焊接工藝分別為:FCAW(藥芯焊絲電弧焊)、SAW(埋弧自動焊)、SAW+PWHT(埋弧自動焊+焊后熱處理),這三種焊接工藝的工藝參數見表2。對于這三種焊接工藝的試件,以下分別標記為1、2、3。

表2 焊接工藝參數

1.2 CTOD試驗

CTOD試驗參考規范為國家標準協會制定的GB/T-21143[5],按照規范對三點彎曲試樣的要求進行加工,加工完成的三點彎曲試樣的具體尺寸如圖1所示,試樣的W×B=76×76 mm,跨距S=304 mm,采用電火花切割來加工試樣的V型缺口,不再外接刀口(即z=0 mm),坡口夾角為45°,缺口的根部半徑為0.075 mm。初始裂紋長度a=W/2=38 mm,包括35 mm長的缺口深度以及3 mm長的預制裂紋長度。

圖1 試樣尺寸圖

預制裂紋使用的是JXG-200 kN微機控制高頻疲勞試驗機，頻率為120 Hz，預制中采用正弦波形來加載，預制好的裂紋如圖2所示。裂紋預制好后先將試件放置在環境試驗箱中貯藏，設定環境箱的溫度為-10℃，根據規范的要求，試件所處的溫度變化區間為±2℃，冷卻時間不得少于90 min。之后進行低溫斷裂韌性試驗，試驗過程中試件仍處在-10℃的環境溫度箱中，使用的試驗機為WAW1000B微機控制電液伺服試驗機，引伸計的型號為YYJ-12/10電子引伸計，標距為10 mm，最大變形12 mm，應變示值誤差為0.741%，滿足規范要求。

圖2 預制的裂紋

試驗過程中采用力控制方式加載,為了滿足規范規定的加載過程中應力強度因子速率在0.5 MPa·m0.5s-1至3 MPa·m0.5s-1之間,加載中采取2 kN/s的設定加載,當試件斷裂或者承載能力下降到最大荷載的20%時終止試驗。失效試樣如圖3所示,將失效試樣取下后壓斷，將斷面烘干后對斷面進行畫線，測量得到初始裂紋長度a0，并使用10倍鏡頭對斷面進行放大，保證測量精度，其中最外側的2個測點位于距試件邊緣1%B處，剩余7個測點平均分配2個邊緣測點中間的距離，如圖4所示，初始裂紋長度a0的計算公式為：

(1)

CTOD的計算按照規范GB/T-21143-2007中給定的計算式:

(2)

式中:δ為裂紋尖端張開位移(CTOD);P為荷載缺口張開位移(P-V)曲線的最大荷載;V為P-V曲線最大荷載對應的塑性缺口張開位移;f(a0/W)為幾何形狀因子,按下式計算:

(3)

圖3 破壞試樣

圖4 初始裂紋長度測量

2 試驗結果與討論

通過低溫CTOD試驗得到的荷載-缺口張開位移(P-V曲線)如圖5所示：

通過試驗得到的P-V曲線得到試樣所能承受的最大荷載和塑性缺口張開位移,通過式 便可計算得到不同試樣的裂紋尖端張開位移值,具體結果如圖6所示,并且由于CTOD的試驗結果常常會出現數據的離散,為了保證試驗結果的準確性,也對試驗結果的離散程度進行了分析,見表3。

圖5 CTOD試驗得到的P-V曲線

圖6 CTOD試驗結果

表3 數據的離散程度

可以看出,所有試樣的CTOD試驗結果均滿足挪威船級社規范中最小裂紋尖端張開位移允許值δa≥0.5 mm的規定[6],但是采用不同的焊接工藝對焊接接頭的低溫韌性有不同的影響。其中采用埋弧自動焊(SAW)和埋弧自動焊+焊后熱處理(SAW+PWHT)的焊接工藝可以大幅度提高焊縫的低溫韌性，得到的結果離散程度也較小，并且添加焊后熱處理后可以消除焊接殘余應力，使得焊接部位的韌性更加優良。但是采用藥芯焊絲電弧焊(FCAW)焊接技術的焊接件的低溫韌性會比母材還要差一些，試驗結果的離散程度也大一些，離散系數為19.13%，原因可能是藥芯焊絲電弧焊有焊劑，層間清理不當或操作技術不當時，會有焊渣殘留在焊縫金屬的可能性，此外，FCAW要求焊接速度足夠快，來保持電弧在熔池的前緣。所以采用FCAW焊接技術時常常會產生未焊透、夾渣和氣孔等典型缺陷[7]，進而影響到焊接件的斷裂韌性，也增加了韌性試驗結果的隨機性，從而造成試驗結果的離散程度較高。

3 結 論

通過低溫CTOD試驗，比較了不同焊接技術對焊接接頭焊縫的斷裂韌性影響，結果表明：采用埋弧自動焊(SAW)可以提高焊縫的韌性，且進行焊后熱處理能有效消除焊接造成的殘余應力，提高焊接結構的穩定性。但是采用藥芯焊絲電弧焊(FCAW)會產生未焊透、夾渣和氣孔等典型缺陷，造成焊接件的低溫韌性變差，并且得到的結果離散性也較大，所以采用該焊接技術時一定要保證焊接過程的規范，且有必要進行韌性試驗驗證焊接接頭的韌性，且試驗中需要保證樣本數量足夠多。