斜Y型坡口焊接裂纹试验.docx
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斜Y型坡口焊接裂纹试验
LNPU
小铁研式抗裂试验及断口分析
蒋应田
1、通过实验,使学工了解评价金属材料可焊性的常用实验方法。
2、认识冷裂纹产生的三个条件。
3、了解焊接冷裂纹断口的典型形貌。
LNPU二、实验装置及实验材料
1.材料
试板(材质为被测材料)丄2块
焊条04.0(焊条强度级别与试板等强度)
2、设备
焊机(直流焊机)1台
气割设备丄套
砂轮切片机1台
放大镜、秒表、手锤等各[个
腐蚀液若干
1.冷裂纹的测试方法简介
焊接冷裂纹倾向的测定方法很多,常用的有:
最商硬度法、斜y坡口对接裂纹试验法(“小铁研式”抗裂实验)、刚性拘束裂纹试验(RRC试验)、拉伸拘束试验(TRC)、插销试验等。
按照接头拘束类型可把抗裂试验分为自拘束抗裂试验和外拘束性抗裂试验两大类.
自拘束抗裂试验主5?
评价材料(焊材)抗热、冷裂纹性能,确定焊接规范(不开裂时)及热处理情况(包括预热、后热)・这种试验只是定性地进行.彖小铁研试验、窗口试骏等.
外拘束性试验适用于定董评定材料的裂纹倾向,以及可以比较深入地进行有关理论研究工作,像插销试验法等.
上幺M焊接冷裂纹的产生及危害
冷裂纹是焊后冷却较低温度卜产工的。
对j:
低合金钢、中碳钢而言,大约在钢的马氏体转变温度Ms附近。
它是山于拘束应力、淬硬组织和扩散氢的共同作用下产生的。
冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢.中碳和高碳钢的热影响区,个别情况下,如焊接超高强度钢或某些钛合金时,冷裂纹也出现在焊缝上。
危害:
接头性能变坏,产定脆性断裂。
W宁:
如化工尢学
主要特点是:
不在焊后立即出现.具有延迟现象•主要取决于钢中的淬硬倾向,焊接接头的应力状态合熔敷金属中的扩敵氢含量•⑵淬硬16化裂纹
主要特点:
焊后立即开裂.不受扩散氢的影响.只在拘束应力的作用下产生.
产生原因:
由于冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的.主更取决于钢的淬硬性和拘束条件•一般采用较高的预热温度和使用高韧性的焊条基本上可以防止这种裂温・
(3脈塑性脆化裂纹
由于某些塑性较低材料.焊后冷至低温时.由于收缩力引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹.成为低塑性脆化裂纹。
如:
球墨铸铁补焊时.不采取措施而产生白口开裂的现象
侮二延迟冷裂纹的产生机理分
析
在三种冷裂纹中,延迟裂纹的危害性最大,最具有普遍性。
因此,这里主要介绍这中裂纹的产生情况。
有关研究证明;钢材的淬硬倾向,焊接接头含氢量及其分布,以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。
这三个因素在一定条件下是互相联系和相互促进的。
LNPU下面就三大因素简单介绍一下。
⑴钢材的淬硬倾向.主要决定于化学成分、板厚.焊接工艺和冷却条件等.钢淬硬后开裂主要有以下的两个方面原因.
1形成脆硬的马氏体组织
马氏体的脆硬是因碳饱和固溶在a—Fe种.使晶格发生较大的歸变而难以变形(滑移)•这样断裂时将消耗较低的(很少)能量.因此.马氏体的存在时利于裂纹的形成和扩展.
2淬硬会形成更多的晶格缺陷
碳在a_Fe中过饱和固溶.导致严重的晶格崎变.形成大■的晶格缺陷.主要是空位和位错.在不平衡条件下.位错和空位发生移动和聚集.在达到一定浓度后便形成裂纹源.
高强钢的淬硬倾向以热影响区最高硬度作为评定指标•
rr⑵扩敵氢的作用
鸟仏仏:
证明,氢的累集开始于坪后的60秒(盘温下板厚20-)•约冷至100〜15or,在焊后1〜2小时达到蹑大值(在有缺口效应的落位).然后逐渐耗散•
氢聚集的程度威钢种的化学成分不同而不同.在较离的拘束条件下
Pg(碳当量〉的费化如下*Pm=0.20%P^.25%N=3・3;
壽韻肆霜謂評就器體盂躊蛰橙駕勰踏I发生11
・30%N=6.2
式中H。
一聚固时焊縫的处时含氢if
»V_焊缝的平均厚度
时珈牛)・九
切产28.5〜166%^=20.25〜103s
M-«的热扩散因子一般手工电弧焊时••则用回归方程法可求的M如下*
M=]0(7)山二(工处)腼
适用范B8^=49.5-6305
^=15.5->1.25s
LNPU
对于i般低合金钢.焊后延迟裂纹的出现往往在热形响区.这与焊缝及热影响区组织变化和氢的扩散过程有关.
由于一般低合金钢焊缝金展的含碳就低于热影响区.衽冷却时会在较高的温度就发生相变.即由奥氏体分解为铁素体、洙光体、贝氏体以及低破马氏体等.在分解同时.販先溶解在焊缝的很多氮会极力进行扩散和逸出.当然.原子氢将会从焊缝向热形响区扩散.当焊缝由翼氏体转变为铁索体.珠光体等组织时.氢的溶解度会突然下降.而氢在铁素体■珠光体中的扩散速度很快.因此氢会被很快地赶到未转变的奥氏体组织中去扩散(热老响区〉,而在热形响区(奥氏体中)扩散速度慢.不能很快地把氢扩散到距熔合线较远的母材中去.因此在熔合线附近形成了富氢地带.当澹后相变的热影响区由臭氏体向马氏体转变时(因焊缝相变超前于热形响区相变).氢便以过饱和状态残留在马氏体中.促使这个地区进一步脆化.如果这个部位有缺口效应(应力集中.应变集中),并n氢的浓度足够高时,就可能产生根部裂纹或澤趾裂纹.若氢的浓度更高.可使马氏体更加脆化•也可能产生焊道下裂纹.
当焊接某些超高强度钢时.会由于焊缝成分复杂,导致焊接热影响区相变先于焊缝.这样.氢会相反地从热形响区向焊縫扩散.那么延迟裂纹就可能在焊缝上产生•
LixlPU(3)焊接接头的应力状态
在焊接时.主要存在以下几种应力
1不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力:
2金属相变时产生的组织应力相变产生体积膨胀.会减轻残余拉伸应力.有利于降低冷裂倾向•
3结构自身拘束条件所造成的应力
拘束应力的大小决定于受拘束的程度.用拘束度R来农示.
R的定义:
单位长度焊缝.在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的力・E8
R—
L
平板对樓:
式中E-阳材金属的弹性模量
F束距寓b-ft厚
由上式知:
改变拘束距离L和板厚6可以调节拘束度R的大小•当R值达到一定值时就产生裂纹.这是的R值称为临界拘束度R“・
乜宁:
彷自化二尢学
LNPU
亠林用繡辎酬練&(RRC)
*%)
m
0.3$
—
11400-1(000
HT50
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O.2II
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HT60
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O.2U
"100
HTSO
讥8
7000-7600
LNPU
蠶翳碍皺聽飜辟磁軽
式中m—拘束应力转换系数,与钢的线膨胀系数,力学熔点,比热容以及接头的坡口角度等有关.
式中a—线胀系数(lOVD
丫曲一力学熔点(C)T°_环境温度(9〉
H-热焙(J/g)2卩一坡口角度
C-比热熔(J/(g・C))
低合金钢,手工电弧焊时m=(3〜5)X"J
概括以上,高强度钢焊接时产生冷裂纹的机理在于钢中产生淬硬之后受氢的侵袭和诱发,使之脆化,在拘束应力的作用下产生了裂纹.当然,产生冷裂纹的力
学行为并不是一般的平均拘束应力,而是在某一敏感部位(如有缺口.内部缺陷等应力集中点)达到比平均应力更大的应力场才导致开裂.而氢的作用也不是熔敷金属中的平均含量,而是冷至150〜100-C时的
残余扩散氢发生聚集而造成临界状态的氢量(有效氢)•钢的淬硬性也不是单纯化学成分所能表达Pf(碳当量),而是采用硬度或脆化度较合理.这反映了化学成分和组织形态的共同影响。
山';叫、冷裂纹的斜y形坡口试验法
此法主要评定碳钢和低合金钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性.具体实验方法地:
首先用被焊材料加工成如图所式的试样,坡口才用机械切削加工.然后把两端各60mm范围内先用焊缝固定.焊接时要注意防止角变形和未焊透•固定焊缝为双面焊接.要保证填满。
试验烬缝采用手弧焊或自动送进焊条电弧烬.但熨注意焊接时引弧.熄弧方式并应离开拘束焊缝2〜3mm.如图2所式•试验焊缝可在各种不同温度下施焊.焊后静止24h再检测和解刨.焊接工艺参数为:
焊条宜径4mm・焊接电»[170±10A>电弧电压24±2V・焊接速度150±10mm/min.检测裂纹可用肉眼和放大镜来观察焊接接头的表面和斷面上是否存在裂纹,并用下述方法分别计算出表面裂纹率.试样上裂纹长度计算的禾意图见图2°
疤宁:
⑺自兀工乂孕
LNPU
40
图表I
疤宁:
罗插(匕工尢孕
LNPU
LNPU
LNPU
表面裂纹率:
中q_表面裂纹率(%)
£Il表面裂纹长度之和(mm)
L—试验焊缝长度…丛‘唤
根部裂纹率:
试样先经着色检轻,然后拉
断或弯断。
式中G—根部裂纹率(%)cr=^xioo%根部裂纹长度之和(mm)
断面裂纹率:
在试验焊缝上切下4〜6块试片,检査5个断面上的裂纹深度。
yH
C,=2HxlOO%
ZH
LNPU
式中Cs—断面裂纹率(%)
EHs-5个断面上裂纹深度之和
EH-5个断面焊缝最小厚度之合(mm)o
如果保持焊接规范不变而采用不同的预
热温度进行试验时,可以测的防止冷裂
Li>y坡口对接裂纹试验的特点:
接头拘束度大,根部尖角乂有应力集中,因此认为试验中衣而裂纹率小丁20%,则用于生产就是安全的。
斜y坡口对接裂纹试验一般用丁•评价打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向。
而对「焊缝金属则用直角坡口对接裂纹试验。
其实验方法及程序同斜y坡口。
g1、冷裂纹端口分析
冷裂纹端口形态比较复杂。
它随金属材料的性能、强度、含氯量的多少,拘束条件和焊接工艺变化。
开裂的途径既有穿晶,也有沿晶,以及两种的混合。
一般低合金高强钢焊接热影响区的冷裂纹,断口形态忙要「1|准解理(Quasi-cleavagefracture)沿品(Intergranularfracture)和少量韧窝(DimpleRupture)。
LNPU
冷裂纹一般具有延迟的特征.因此冷裂纹的断裂过程也是分阶段进行的.大致可分为三个阶段,即启裂(起裂)扩展(放射区)和最后断裂(剪切唇)•
当然.材料的成分(P5〉和含氢董将对冷裂斷口形杏有很大形响.
0)Pon对启裂区斷口形态的序响
用插销试验法对三种不同的钢即
18MnMoNb(Pcm=0.3359<>A»)/15MnV(A)钢
^^=0.3240%)r14MnMoNb&^(Ptfn=0.2635%)研究比较后当随着钢种Pg增大,启裂区IG堆多,QC减少.
二对扩展区形态的序响
随着Pon增大・扩展区中比例增加・在Pan较小时•还可能以韧窝(DR)为主.
⑶Pern对终划区的形态影响
对低合金钢.冷裂的终端区j般都以DR为主.随着Ps的减少.DR更为细化.
血)皆幺量对断口形态的影响
随着含氢量的增加,断口形貌将由韧窝向准解理和沿晶发展。
因此,随着钢种化学成分和熔敷金属中的含氢量不同,断口形貌也发生了变化,其变化情况如下图所示
一.试件制备
1.将一定厚度的试样钢板按图i尺寸下料,并按图要求加工坡口©
2.组对试件焊接拘束焊缝,组对好试件*按图上尺寸留好间隙,并用石笔划好分界线「
3.焊满固定焊缝,均用J422含条,从中间向两边焊,几层不限,焊满为止。
但要注意要焊透,不能存在夹渣.未焊透以及角变形。
LNPU—,试验步骤Pcm试验步骤1,调整焊接规范:
①4焊条,电流,调整焊接规范:
焊条,焊条电流17O±IOA,电压±24V±焊速150±0mm/min,并先在废钢板上试土,焊速±焊以便掌握焊速•焊以便掌握焊速•2,焊接试验焊道,分别用烘干好的,焊接试验焊道,分别用烘干好的J502或J507焊或焊以规定焊速施焊一道.条,以规定焊速施焊一道•试件焊后,在室温放置24H后,检查裂缝情况.3,试件焊后,在室温放置后检查裂缝情况•具体计算情况见前面•辽宁石油化工大学
LNPU一,试验结果即分析1,记录下试验日期,时间,环境温度和湿度;试件,记录下试验日期,时间,环境温度和湿度;钢号及化学成分,试件状态,试件厚度及其轧制方向;钢号及化学成分,试件状态,试件厚度及其轧制方向;焊前试件温度,焊接电源种类,焊接极性,焊条牌号,焊前试件温度,焊接电源种类,焊接极性,焊条牌号,焊条直径,焊条的烘干温度和时间,焊接电流,焊条直径,焊条的烘干温度和时间,焊接电流焊接电压和焊接速度;试件开始解刨时间和方法;电压和焊接速度;试件开始解刨时间和方法;裂纹长度及其裂纹率•度及其裂纹率•2,计算试验焊缝的裂纹率,3,如果
在试验过程中裂纹率指标超过了标准,应采,如果在试验过程中裂纹率指标超过了标
准,取什么措施加以防治,为什么?
取什么措施加以防治,为什么?
辽宁石油化工大学
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