大型鑄鋼件多次補(bǔ)焊試驗(yàn)研究

楊永強(qiáng) 歐陽(yáng)建國(guó) 鄭春雷

(1.巨力索具股份有限公司，河北072550；2.河北省吊索具工程技術(shù)研究中心，河北072550；3.燕山大學(xué)材料學(xué)院，河北066004；4.材料綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，河北066004)

鑄鋼結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)靈活，整體結(jié)構(gòu)剛度大、力學(xué)性能方向性差異小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、冶金設(shè)備、船舶和車(chē)輛等領(lǐng)域中。大型鑄鋼件的最大壁厚處可達(dá)幾百毫米以上，其在生產(chǎn)過(guò)程中，基體存在著一定的鑄造和熱處理應(yīng)力，在截面變化處和內(nèi)部鑄造缺陷處，極易誘發(fā)表面裂紋的產(chǎn)生。在焊接修復(fù)過(guò)程中，極易在補(bǔ)焊位置或附近發(fā)生二次或多次開(kāi)裂[1]。在ASME IX、API-1104、EN 1090-2、AWS D1.1和AWS D1.5中均沒(méi)有限制補(bǔ)焊次數(shù)，在IPS-CPI-270(2)中只允許補(bǔ)焊一次，在DNV-OS-F101、GB 50236、Q/CR 9211、NB/T 20002.6、TB/T 1983和GB/T 150.4中允許補(bǔ)焊兩次。很多專(zhuān)家和學(xué)者認(rèn)為，只要嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，補(bǔ)焊次數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量并沒(méi)有必然的關(guān)系，萬(wàn)里鵬等[2]對(duì)30CrMnSiA高強(qiáng)鋼進(jìn)行了3次補(bǔ)焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊接頭疲勞強(qiáng)度未發(fā)生明顯變化；王心紅等[3]對(duì)SMA490低合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行了3次補(bǔ)焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊區(qū)域的沖擊韌性有明顯提高的現(xiàn)象；李冬霞等[4]對(duì)EH36海洋平臺(tái)用鋼進(jìn)行了4次補(bǔ)焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊接頭的性能與原始組織性能相當(dāng)；Mohammad Shojaati[5]對(duì)X20Cr13進(jìn)行了9次補(bǔ)焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊區(qū)域組織晶粒細(xì)化和沖擊韌性明顯改善的現(xiàn)象。但是對(duì)于大型鑄鋼件的多次補(bǔ)焊試驗(yàn)，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道極少，為驗(yàn)證多次補(bǔ)焊后鑄鋼件本體和補(bǔ)焊區(qū)域的性能，本文針對(duì)某低合金調(diào)質(zhì)鑄鋼件進(jìn)行了三次補(bǔ)焊試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鑄鋼化學(xué)成分和調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能(調(diào)質(zhì)工藝：960℃保溫2～3 h，淬火，然后690℃回火4～5 h)分別見(jiàn)表1和表2，試板厚度為150 mm。焊絲使用ER50-6，保護(hù)氣體為富氬混合氣體(80%Ar+20%CO2)。

表1 試驗(yàn)用鑄鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of cast steelfor testing(mass fraction,%)

表2 試驗(yàn)用鑄鋼力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of cast steel for testing

1.2 試塊尺寸和補(bǔ)焊輪廓

本項(xiàng)目母材最大壁厚為150 mm，故本次試塊厚度采用同厚度。本次試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際補(bǔ)焊過(guò)程，對(duì)母材同一位置進(jìn)行三次補(bǔ)焊，下次補(bǔ)焊是為修補(bǔ)前次補(bǔ)焊缺陷，補(bǔ)焊區(qū)域逐步擴(kuò)大。如圖1所示，第一次補(bǔ)焊深度為30 mm，寬度為40 mm；第二次補(bǔ)焊深度為60 mm，寬度為60 mm；第三次補(bǔ)焊深度為80 mm，寬度為80 mm。每次坡口輪廓線的形成均模擬缺陷去除時(shí)的方法，采用碳弧氣刨去除母材金屬，碳弧氣刨前對(duì)試塊整體預(yù)熱150℃，氣刨成輪廓后采用砂輪打磨出金屬光澤。

圖1 補(bǔ)焊區(qū)域Figure 1 Repair welding area

1.3 補(bǔ)焊過(guò)程和工藝

每次補(bǔ)焊采用相同的焊接工藝，焊前預(yù)熱175℃，層間溫度控制在175～250℃。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 補(bǔ)焊工藝參數(shù)

每次補(bǔ)焊后，均進(jìn)行消應(yīng)力退火處理，共進(jìn)行三次焊后退火，加熱和冷卻速率均小于150℃/h，保溫溫度為610℃，350℃出爐空冷至室溫。消應(yīng)力退火曲線見(jiàn)圖2。

圖2 焊后消應(yīng)力退火曲線Figure 2 Stress relieving annealing curve after welding

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 取樣位置和數(shù)量

為驗(yàn)證三次補(bǔ)焊及三次消應(yīng)力退火后補(bǔ)焊區(qū)域的綜合性能，對(duì)最后補(bǔ)焊后的母材區(qū)域和焊接接頭區(qū)域分別進(jìn)行了取樣驗(yàn)證，取樣位置如圖3所示。

圖3 取樣位置Figure 3 Sampling position

所有試樣的軸線均位于母材厚度的1/4處，其中焊縫金屬?zèng)_擊缺口開(kāi)在焊縫中心，焊接熱影響區(qū)(HAZ)缺口開(kāi)在熔合線外2 mm處，焊接接頭拉棒的平行段長(zhǎng)度要比焊縫兩端各長(zhǎng)30 mm(符合ISO 4136的相關(guān)要求)，焊接接頭拉棒示意見(jiàn)圖4。

圖4 焊接接頭拉棒示意圖Figure 4 Schematic drawing of tensile test rodof welding joint

2.2 無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

每次消應(yīng)力退火之后，對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)，均合格。

2.3 硬度檢測(cè)結(jié)果

每次消應(yīng)力退火之后，對(duì)補(bǔ)焊位置、熱影響區(qū)和母材本體進(jìn)行硬度檢測(cè)。檢測(cè)設(shè)備為便攜式硬度檢測(cè)儀。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 硬度檢測(cè)結(jié)果Table 4 Hardness test results

焊縫區(qū)域每次都將前次焊縫去除干凈，不具備對(duì)比性，因此不就焊縫的硬度進(jìn)行討論。母材和熱影響區(qū)經(jīng)歷過(guò)多次消應(yīng)力退火后，硬度均有所提升，由于強(qiáng)度和硬度成正比例關(guān)系，從而佐證了鑄鋼本體不會(huì)由于消應(yīng)力退火次數(shù)增多而強(qiáng)度下降。

2.4 母材試驗(yàn)結(jié)果

試塊的母材位置經(jīng)歷了三次焊后退火處理后，經(jīng)取樣測(cè)得的力學(xué)性能見(jiàn)表5。

表5 三次補(bǔ)焊后母材力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of base metalafter three times of repair welding

可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)三次補(bǔ)焊和退火后，母材位置的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化都在2%以?xún)?nèi)，而延伸率和沖擊吸收能量分別提高了16.7%和28%，這和相關(guān)文獻(xiàn)[3-5]里的報(bào)道是一致的。消應(yīng)力退火溫度小于母材調(diào)質(zhì)中的回火溫度，其目的是消除焊后的殘余應(yīng)力和氫，本次試驗(yàn)也驗(yàn)證了多次消應(yīng)力退火對(duì)母材的性能沒(méi)有惡化影響，反而會(huì)提高鑄件的韌性和延展性。

2.5 焊接接頭試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)三次補(bǔ)焊試驗(yàn)后，焊接接頭的力學(xué)性能見(jiàn)表6。

表6 三次補(bǔ)焊后焊接接頭力學(xué)性能Table 6 Mechanical properties of welded jointafter three times of repair welding

可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)三次補(bǔ)焊后，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高于母材抗拉強(qiáng)度的最低值，焊縫及熱影響區(qū)的沖擊吸收能量也大于母材標(biāo)準(zhǔn)值，焊接接頭的綜合力學(xué)性能與母材復(fù)驗(yàn)數(shù)值相當(dāng)。

本次補(bǔ)焊過(guò)程中，每一次補(bǔ)焊前，均會(huì)對(duì)碳弧氣刨層進(jìn)行徹底打磨，去除增碳層和上次補(bǔ)焊的熔合線附近區(qū)域，這也是試驗(yàn)合格的重要步驟。

3 結(jié)論

本鑄鋼經(jīng)過(guò)三次補(bǔ)焊和三次消應(yīng)力退火處理以后，母材的拉伸性能沒(méi)有惡化，母材的沖擊韌性和塑性有了明顯提高，焊接接頭的綜合性能與母材相當(dāng)。證明所采用的焊接工藝在本鑄鋼多次返修過(guò)程中是合理有效的。