藥芯焊絲熔覆焊縫伸長(zhǎng)率下降原因分析

吳敏敏，陸傳航，程晉宜，王林昌，王曼曼

1.海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

2.青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 山東青島 266520

1 序言

藥芯焊絲對(duì)于鋼種的焊接適應(yīng)性強(qiáng)，可以提供所需要的焊縫化學(xué)成分。工藝性能較好，焊縫成形良好，施工效率高，目前在海洋工程行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用較為廣泛。

在某外方項(xiàng)目的焊接工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中，按照設(shè)計(jì)規(guī)格書要求需對(duì)熔覆的對(duì)接接頭進(jìn)行全焊縫拉伸試驗(yàn)。某常用藥芯焊絲在單面焊焊接試驗(yàn)中連續(xù)出現(xiàn)了試樣伸長(zhǎng)率不滿足設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象。

本文通過(guò)對(duì)拉伸試驗(yàn)中失敗的斷裂試棒進(jìn)行化學(xué)成分、硬度等測(cè)試，分析了導(dǎo)致伸長(zhǎng)率失敗的原因，并提出了切實(shí)可行的改善措施。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料來(lái)自正常焊接試驗(yàn)件，母材制造標(biāo)準(zhǔn)為B S E N 10225 S355G7+N，試塊尺寸為1000m m×600m m×40m m，強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。試件坡口為單邊45°，焊接材料選用等級(jí)為E7018-G進(jìn)行打底焊，填充及蓋面焊材等級(jí)為E81T1-K2M的某氣體保護(hù)焊藥芯焊絲，保護(hù)氣為符合AWS A5.32 SG-AC-20的Ar與CO2混合氣。母材及焊材具體化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

焊接過(guò)程采取的預(yù)熱溫度為50℃，控制層間溫度為70～80℃，具體焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 母材及焊材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 母材及焊材力學(xué)性能

表3 焊接參數(shù)

焊接完成后對(duì)焊接試件進(jìn)行了外觀、內(nèi)外壁的磁粉檢測(cè)以及RT檢測(cè)。

無(wú)損檢測(cè)并未在焊縫中發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，因此試件合格。同時(shí)，按照規(guī)格書要求，針對(duì)試件制作了宏觀檢測(cè)試樣（見(jiàn)圖1），宏觀檢測(cè)也未發(fā)現(xiàn)任何肉眼可見(jiàn)的缺陷。

圖1 宏觀檢測(cè)試樣

按照表1的參數(shù)焊接完成后，加工出符合ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)的圓棒試樣（見(jiàn)圖2）。拉伸試件取自靠近上表面的區(qū)域，同時(shí)對(duì)焊縫中心加工夏比沖擊試樣，兩組試件中心位置基本一致，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，焊縫強(qiáng)度及低溫沖擊吸收能量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但焊縫的伸長(zhǎng)率較低，完全不滿足技術(shù)要求。以往拉伸測(cè)試失敗更多的表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度不符合要求，而出現(xiàn)強(qiáng)度符合要求但伸長(zhǎng)率不符合技術(shù)要求的情況較為少見(jiàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

為分析伸長(zhǎng)率不合格的原因，針對(duì)拉伸試樣開(kāi)展了掃描電子顯微鏡觀察，同時(shí)對(duì)斷口區(qū)域進(jìn)行了成分分析，判斷是否有成分偏析等原因。同時(shí)對(duì)斷口進(jìn)行了維氏硬度檢測(cè)，對(duì)斷口取樣后進(jìn)行微觀組織觀察，確認(rèn)有無(wú)異常組織。

3 檢測(cè)結(jié)果

3.1 掃描電子顯微鏡觀察

通過(guò)掃查可以發(fā)現(xiàn)斷口區(qū)域出現(xiàn)兩處較為明顯的、發(fā)亮的瓷白色橢圓或近似圓形的凹坑，周圍呈灰暗色纖維狀，白色區(qū)域心部有個(gè)明顯的小黑點(diǎn)，此區(qū)域是典型的魚眼白點(diǎn)。

從魚眼白點(diǎn)的全貌可以看出，魚眼周圍區(qū)域呈現(xiàn)準(zhǔn)解理段斷裂形貌。

圖3 掃描電子顯微鏡掃查結(jié)果

為分析魚眼內(nèi)部白點(diǎn)核顆粒狀的組織成分是否為夾雜物，對(duì)圖中標(biāo)記區(qū)域進(jìn)行了EDX半定量分析，根據(jù)測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表5）可以推斷，夾雜物為粗大的非金屬Ti-Mn系氧化物。

根據(jù)以往研究，魚眼白點(diǎn)是在拉伸試樣頸縮至斷裂之間出現(xiàn)的，對(duì)于測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度并沒(méi)有多大的影響，但降低了材料的伸長(zhǎng)率。這可以解釋表4中出現(xiàn)的僅伸長(zhǎng)率不合格而其他抗拉性能并未受到影響的現(xiàn)象。

表5 半定量分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

魚眼白點(diǎn)并非是材料的固有缺陷[1]，而是拉伸試樣中局部的脆斷區(qū)域，通常認(rèn)為白點(diǎn)是氫脆的表現(xiàn)形式之一。白點(diǎn)內(nèi)存在的夾雜物對(duì)于氫的富集有顯著作用，因此解決白點(diǎn)的問(wèn)題可以從降低氫的產(chǎn)生和聚集方面考慮改善措施。

3.2 微觀組織觀察

焊接過(guò)程形成的不平衡組織對(duì)于氫脆較為敏感，因此需對(duì)斷口區(qū)域采集試樣進(jìn)行微觀組織觀察。圖4中微觀組織顯示，焊縫斷口組織無(wú)論是再熱區(qū)域的細(xì)晶或者粗晶區(qū)域均以針尖狀的鐵素體為主，并未出現(xiàn)魏氏體組織。

由于白點(diǎn)范圍極小，在貼近此區(qū)域進(jìn)行金相磨面難度較高，因此圖4中區(qū)域僅反應(yīng)的是焊縫內(nèi)非白點(diǎn)區(qū)域的組織。而根據(jù)以往研究，貼近白點(diǎn)的區(qū)域極容易出現(xiàn)魏氏體組織[1]。

圖4 斷口微觀組織

3.3 維氏硬度分析

針對(duì)斷口取樣進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，斷口的硬度分布較為均勻，并未出現(xiàn)任何硬度超標(biāo)數(shù)值。

表6 硬度檢測(cè)結(jié)果 （HV10）

3.4 熔覆化學(xué)成分分析

化學(xué)成分的改變將影響接頭的各項(xiàng)性能，特別是當(dāng)保護(hù)效果不良時(shí)，將造成有益元素的燒損，不利于保證接頭的力學(xué)性能。表7為對(duì)斷口取樣進(jìn)行的化學(xué)成分分析結(jié)果，從中可以看出斷裂接頭并不存在異常，并且N含量極低，因此可以推斷焊接過(guò)程中藥芯焊絲的保護(hù)氣對(duì)于熔池的保護(hù)效果較好。

表7 斷口處化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.5 小結(jié)

通過(guò)上述的所有測(cè)試可以推斷，拉伸試樣斷口存在魚眼白點(diǎn)現(xiàn)象，且熔敷金屬組織及化學(xué)成分未見(jiàn)異常。由此判斷，以粗大的非金屬夾雜物為中心，聚集了擴(kuò)散氫，并且由此引發(fā)局部氫脆從而導(dǎo)致伸長(zhǎng)率降低。

4 解決措施

焊縫熔敷金屬中的氫主要來(lái)源于焊接原材料中的水和其他含氫物質(zhì)。原材料中的水在高溫以及電弧作用下很容易分解生成氫原子或氫離子等進(jìn)入熔敷金屬。

同時(shí)，焊接施工過(guò)程中周圍環(huán)境的水分、油脂、油漆等含氫化合物、基體表面的銹層等構(gòu)成焊縫中擴(kuò)散氫的另一類來(lái)源。這部分物質(zhì)生成的氫會(huì)被液相金屬表面吸附后溶入金屬，或經(jīng)過(guò)熔渣層以擴(kuò)散形式溶入液態(tài)金屬中[2]。

在施工中，可以通過(guò)以下措施減少氫的來(lái)源和脫氫：①在試件兩側(cè)25mm內(nèi)進(jìn)行打磨處理，吹掃飛濺。②提高預(yù)熱溫度至65℃以上，層間溫度維持在110～200℃，并持續(xù)進(jìn)行監(jiān)控。③焊絲開(kāi)封后應(yīng)在8h內(nèi)使用完畢。④采取后熱消氫處理。

按照上述措施處理后，重新采用相同的焊接參數(shù)完成相應(yīng)的焊評(píng)試件焊接，并再次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，圓棒試樣伸長(zhǎng)率提升至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的21%以上，未再出現(xiàn)任何低于標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，改善效果顯著。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)拉伸試驗(yàn)失敗試樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡掃查，對(duì)化學(xué)成分、微觀組織等進(jìn)行觀察分析，得出了拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率大幅降低的原因。同時(shí)，針對(duì)產(chǎn)生原因，提出了改進(jìn)措施，結(jié)論如下。

1）藥芯焊絲熔覆金屬拉伸試驗(yàn)中出現(xiàn)的強(qiáng)度符合要求，但伸長(zhǎng)率大幅下降的原因在于拉伸過(guò)程中出現(xiàn)的魚眼白點(diǎn)。

2）魚眼白點(diǎn)本質(zhì)上是局部的氫脆，白點(diǎn)區(qū)域存在Ti-Mn系氧化物。

3）通過(guò)減少氫的來(lái)源和脫氫措施，可以有效避免此類問(wèn)題的產(chǎn)生。