卜華全，陳學(xué)東，羅雪梅，任明皓（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031）

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2.25Cr－1Mo－0.25V鋼焊接材料的再熱裂紋敏感性試驗(yàn)方法探討

卜華全，陳學(xué)東，羅雪梅，任明皓
（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031）

摘 要：在再熱裂紋Gleeble試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出一種采用高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)2.25Cr－1Mo－0.25V鋼焊接材料進(jìn)行再熱裂紋敏感性測(cè)試的方法。采用該方法測(cè)得的斷面收縮率（ROA值）大于Gleeble的試驗(yàn)結(jié)果。用其他低合金鋼板作為試板時(shí)，若坡口面未堆焊2.25Cr－1Mo－0.25V過(guò)渡層，則依據(jù)該方法制作的試樣雜質(zhì)元素含量相對(duì)較高，試驗(yàn)得到的ROA值較低。

關(guān)鍵詞：Gleeble試驗(yàn)；再熱裂紋；釩改進(jìn)鋼

0　引言

2.25Cr－1Mo－0.25V鋼是超大型壓力容器輕量化的關(guān)鍵材料，也是煤加氫液化裝置的重要原材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著十分重要的作用。但由于在2007年左右發(fā)現(xiàn)的再熱裂紋問(wèn)題，引發(fā)人們對(duì)該鋼應(yīng)用的擔(dān)憂，各國(guó)研究人員試圖利用各種手段，找到其產(chǎn)生再熱裂紋的原因和避免再熱裂紋的措施，目前一致的看法是焊接材料中的雜質(zhì)元素是產(chǎn)生再熱裂紋的必要條件，所以主要的手段是控制焊接材料中Pb，Bi，Sn等的含量，通過(guò)Gleeble試驗(yàn)，篩選不產(chǎn)生再熱裂紋的焊接材料［1－3］。然而經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)現(xiàn)，采用Gleeble試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫緩慢拉伸試驗(yàn)時(shí)存在一些問(wèn)題，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在偏差；另外，由于熱模擬試驗(yàn)機(jī)數(shù)量較少，而且種類、規(guī)格不同，試驗(yàn)程序難以統(tǒng)一，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散，評(píng)價(jià)焊接材料的再熱裂紋敏感性的判據(jù)難以統(tǒng)一［4－6］。為此，本文在Gleeble試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，嘗試在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫緩慢拉伸試驗(yàn)，用其試驗(yàn)結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)2.25Cr－1Mo－0.25V鋼焊接材料再熱裂紋敏感性。

1　試驗(yàn)用焊接材料

本次試驗(yàn)所用的焊條為日本神鋼生產(chǎn)，牌號(hào)為CM－A106HD，直徑3.2 mm和4.0 mm；按JIS Z3211 E7816－N5M4 L標(biāo)準(zhǔn)供貨。試驗(yàn)用焊條熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1，2。

表1　試驗(yàn)用焊條熔敷金屬的化學(xué)成分　%

表2　試驗(yàn)用焊條熔敷金屬的力學(xué)性能

本次試驗(yàn)采用的焊絲牌號(hào)為US－521H，規(guī)格為φ4.0 mm，批號(hào)為G302003，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。配套使用的焊劑牌號(hào)為PF－500，批號(hào)為3HGN510，符合JIS Z3352 SACG1要求。

表3　試驗(yàn)用焊絲的化學(xué)成分　%

2　試驗(yàn)程序

目前發(fā)現(xiàn)的2.25Cr－1Mo－0.25V鋼再熱裂紋主要是在焊縫金屬上，所以研究的對(duì)象主要集中在2.25Cr－1Mo－0.25V鋼焊縫金屬上［7－8］。本次試驗(yàn)分別采用Gleeble試驗(yàn)機(jī)和高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)2.25Cr－1Mo－0.25V鋼焊縫金屬進(jìn)行高溫緩慢拉伸試驗(yàn)，考察2.25Cr－1Mo－0.25V鋼焊縫金屬在焊后熱處理溫度下的變形行為，通過(guò)不同溫度下的斷面收縮率來(lái)評(píng)價(jià)焊接材料的再熱裂紋敏感性。

2.1 試板制作

為測(cè)試焊接材料的再熱裂紋敏感性，本次試驗(yàn)共制作了2種試板，分別為帶過(guò)渡層的試板和不帶過(guò)渡層的試板。試板材料為Q345R，尺寸為30 mm×200 mm×500 mm，兩塊對(duì)接，坡口型式如圖1所示。

圖1　焊材篩選試驗(yàn)用試板的坡口型式和尺寸

圖2　焊材篩選試板取樣位置

試板均采用交流埋弧自動(dòng)焊，焊接工藝如下：預(yù)熱溫度為200℃，層間溫度200～230℃，焊接電流540～560 A，電弧電壓32～34 V，焊接速度50 mm/min，焊后進(jìn)行350℃×4 h的消氫處理。帶過(guò)渡層的試板焊前用CM－A106HD焊條在坡口表面堆焊了3層過(guò)渡層。試板焊接完成后立即進(jìn)行350℃×4 h的消氫處理，然后自然冷卻到室溫。試樣按圖2進(jìn)行截取，全部為熔敷金屬試樣，每截面取2個(gè)試樣。

2.2 在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的再熱裂紋試驗(yàn)程序

Gleeble高溫緩慢拉伸試樣按圖3制作，試樣從焊接試板上截取，測(cè)試部位全部為焊縫金屬。Gleeble試驗(yàn)程序如下：

（1）3 min內(nèi)將試件加熱到試驗(yàn)溫度，在此過(guò)程中保持載荷為0；

（2）在試驗(yàn)溫度下保溫30 min，在此過(guò)程中保持載荷為0；

（3）在試驗(yàn)溫度下以非常低的應(yīng)變速度（5× 10－4/s）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；

（4）待試樣拉斷后冷卻到室溫，測(cè)量斷面收縮率（ROA）。

圖3　熱模擬試樣

試驗(yàn)過(guò)程曲線見(jiàn)圖4。

圖4　Gleeble試驗(yàn)程序

2.3 在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的焊接材料再熱裂紋試驗(yàn)程序

在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)的試樣見(jiàn)圖5。在焊接試板上沿焊縫方向上截取，全部為熔敷金屬。

制作好的試樣在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，在試樣標(biāo)距中心及兩端按圖6設(shè)置3個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?，試?yàn)程序如下：

（1）在40 min內(nèi)快速升溫至試驗(yàn)溫度，在此階段保持試樣上的載荷為500 N；

（2）保溫10 min，在保溫階段確保3個(gè)熱電偶的測(cè)量溫度均保持在試驗(yàn)溫度±2℃范圍內(nèi)，即保證標(biāo)距范圍內(nèi)的溫度均勻性，此階段保持試樣上的載荷為500 N；

（3）控制試驗(yàn)機(jī)以0.8 mm/min的拉伸速度均勻拉伸試樣，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速度約為5×10－4/s，同時(shí)記錄載荷和變形、位移等參數(shù)，直至試樣斷裂；

（4）待試樣冷卻到室溫后，測(cè)量斷裂后試樣的最小截面積，計(jì)算斷面收縮率。

圖5　焊材再熱裂紋篩選試驗(yàn)用高溫拉伸試樣

圖6　測(cè)溫?zé)犭娕嘉恢?/p>

實(shí)際加載過(guò)程曲線如圖7所示。

圖7　典型高溫緩慢拉伸試驗(yàn)過(guò)程（試樣A）

2.4 化學(xué)成分分析

對(duì)試板截面的中心位置進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析位置見(jiàn)圖8。

圖8　試板化學(xué)成分分析位置

3　試驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的Gleeble試驗(yàn)結(jié)果

早期的Gleeble試驗(yàn)是由Vickier試驗(yàn)發(fā)展而來(lái)，2008年歐洲發(fā)現(xiàn)2.25Cr－1Mo－0.25V鋼再熱裂紋后，Industeel公司用該試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)釩改進(jìn)鋼的再熱裂紋敏感性，API 934A—2010附錄A提出依據(jù)Gleeble試驗(yàn)結(jié)果，確定反應(yīng)器產(chǎn)品上的埋弧焊縫的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（高風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)焊縫）。本次試驗(yàn)采用Gleeble試驗(yàn)方法，得到2.25Cr－1Mo－0.25V鋼焊接材料再熱裂紋敏感性試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9　2.25Cr－1Mo－0.25V鋼焊縫金屬Gleeble試驗(yàn)結(jié)果

按Industeel公司提出的判據(jù)［7］，Gleeble試驗(yàn)不產(chǎn)生再熱裂紋的臨界ROA值為20%。從圖9可以看出，各試驗(yàn)溫度下測(cè)出的斷面收縮率的數(shù)值均大于20%，可見(jiàn)所用的焊接材料具有較小再熱裂紋敏感性。根據(jù)圖9，其再熱裂紋敏感溫度約為675℃。與BWI在早期的試驗(yàn)結(jié)果［6］對(duì)比可以看出，目前所用的焊接材料在各種試驗(yàn)溫度下的ROA值均比早期的試驗(yàn)結(jié)果高，說(shuō)明目前所用的焊接材料成分控制更加嚴(yán)格，雜質(zhì)元素含量更低，再熱裂紋敏感性更低。

雖然Gleeble試驗(yàn)具有用料較少、試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)參數(shù)可精確控制等優(yōu)點(diǎn)，但由于存在如下缺點(diǎn)，導(dǎo)致其試驗(yàn)受到限制。

（1）對(duì)于采用電阻加熱的熱模擬機(jī)，試樣上的均溫區(qū)一般只有6 mm左右，所以在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中很難保證在標(biāo)距范圍內(nèi)維持穩(wěn)定的應(yīng)變速率；且隨試樣的拉伸，標(biāo)距段直徑減小，長(zhǎng)度增加，其溫度均勻性更差；

（2）試樣最終斷裂瞬間容易產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致斷口局部熔化，影響對(duì)斷面收縮率的測(cè)量。

另外，由于熱模擬試驗(yàn)機(jī)主要用于研究，只有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)擁有該設(shè)備，故采用Gleeble試驗(yàn)確定焊材的再熱裂紋敏感性的應(yīng)用范圍受限，同時(shí)由于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，利用此方法來(lái)判定材料的再熱裂紋敏感性的門檻值難以統(tǒng)一，為此需要探索一種采用普通高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的再熱裂紋敏感性試驗(yàn)方法［5］。

3.2 在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的再熱裂紋篩選試驗(yàn)結(jié)果

2012年API發(fā)布了934A附錄B［5］，指出Gleeble試驗(yàn)存在的諸多問(wèn)題，提出了針對(duì)V改進(jìn)Cr－Mo鋼焊接材料的再熱裂紋篩選試驗(yàn)的新方法，要求試驗(yàn)在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，確保試樣的測(cè)試部分在高溫拉伸過(guò)程中保持溫度均勻，至少需要設(shè)置3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，3個(gè)點(diǎn)的溫度偏差不大于±3℃。這種試驗(yàn)方法避免了熱模擬試驗(yàn)機(jī)的諸多缺點(diǎn)，該試驗(yàn)是在合肥通用機(jī)械研究院、由RDL50型蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)改裝的插銷再熱裂紋試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，也可以采用普通高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行該試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。

由圖10可以看出，試驗(yàn)焊材在各試驗(yàn)溫度下的斷面收縮率均大于32%，按API 934A附錄B［5］的判據(jù)，可以認(rèn)為其具有較低的再熱裂紋敏感性。另外需要指出，API 934A附錄B只要求進(jìn)行650℃的試驗(yàn)，從圖10可以看出，本次試驗(yàn)的焊材的ROA值在665℃下最低，為此，焊接材料再熱裂紋篩選試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度應(yīng)提高到665℃較為合理。

圖10　日本神鋼焊材試板再熱裂紋篩選試驗(yàn)結(jié)果

從圖10可以看出，采用再熱裂紋試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的緩慢拉伸試驗(yàn)測(cè)得的斷面收縮率比Gleeble試驗(yàn)的結(jié)果略高，可能是如下原因：首先，Gleeble試驗(yàn)時(shí)加熱均溫范圍較小，Gleeble試驗(yàn)機(jī)是在試樣上施加電流、利用其產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行加熱的，溫度穩(wěn)定性較差，這種溫度的波動(dòng)會(huì)在拉伸過(guò)程中形成疲勞應(yīng)力，加快試樣的斷裂；其次，隨試驗(yàn)的進(jìn)行，均溫區(qū)逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致應(yīng)變速度相對(duì)減小，而根據(jù)前期的試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)變速度的減小會(huì)導(dǎo)致斷面收縮率的下降［7］。而在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)則不存在上述兩個(gè)問(wèn)題，故所得到的斷面收縮率相對(duì)較高。

3.3 試板坡口面堆焊過(guò)渡層的作用

API 934A附錄B所提出的試驗(yàn)方法中，其試板可以采用碳鋼、2.25Cr－1Mo或2.25Cr－1Mo －0.25V鋼或碳鋼試板在坡口面堆焊2.25Cr－1Mo或2.25Cr－1Mo－0.25V焊縫金屬。采用碳鋼試板而不堆焊過(guò)渡層無(wú)疑更加方便，但對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。為檢測(cè)堆焊過(guò)渡層對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，制作了兩種試板進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分別為在坡口表面堆焊過(guò)渡層和未進(jìn)行堆焊的，其他試驗(yàn)程序和參數(shù)不變。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。可以看出，試板未堆焊過(guò)渡層時(shí)ROA值明顯降低。

圖11　日本神鋼焊材有無(wú)過(guò)渡層試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)未堆焊過(guò)渡層的試板的中心部位進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表4，可見(jiàn)試板中心部位雜質(zhì)元素含量與堆焊過(guò)渡層的試板相當(dāng)，在取樣部位外側(cè)雜質(zhì)元素含量有所增加，X系數(shù)從7.6增加到8.5，這與高溫緩慢拉伸的試驗(yàn)結(jié)果ROA值變化相吻合。與早期BWI的試驗(yàn)結(jié)果［8］對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本次試驗(yàn)所用的焊絲/焊劑組合具有較低的雜質(zhì)元素含量，X系數(shù)明顯低于早期的焊接材料，ROA值也有顯著的提高（見(jiàn)圖9）。

我國(guó)焊接材料標(biāo)準(zhǔn)［11］中要求試驗(yàn)用母材應(yīng)與測(cè)試焊材的熔敷金屬力學(xué)性能一致，否則應(yīng)在坡口面至少堆焊兩層隔離層。盡管本次試驗(yàn)所用的坡口間隙達(dá)30 mm，也是在焊縫中心部位取的試樣，但如不采用隔離層，雖然計(jì)算的X系數(shù)增加并不十分明顯，但試驗(yàn)得到的ROA值下降較多，試驗(yàn)結(jié)果不能真實(shí)反映焊材的再熱裂紋敏感性，與工程檢測(cè)結(jié)果比較［12］，數(shù)據(jù)偏保守。

表4　各試板熔敷金屬化學(xué)成分分析　%

4　結(jié)論

（1）對(duì)試驗(yàn)用埋弧焊絲和焊劑組合進(jìn)行Gleeble再熱裂紋試驗(yàn)，各試驗(yàn)溫度下測(cè)出的斷面收縮率（ROA）的數(shù)值均大于20%，可見(jiàn)試驗(yàn)用的焊接材料具有較小再熱裂紋敏感性，其再熱裂紋敏感溫度約為675℃。

（2）按2012年API發(fā)布的934A附錄B提出的針對(duì)V改進(jìn)Cr－Mo鋼焊接材料的再熱裂紋篩選試驗(yàn)，在再熱裂紋試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的再熱裂紋篩選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：焊材在各試驗(yàn)溫度下的斷面收縮率均大于32%，可以認(rèn)為其具有較低的再熱裂紋敏感性。

（3）采用再熱裂紋試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的緩慢拉伸試驗(yàn)得到的ROA值比Gleeble試驗(yàn)的略高。

（4）試板坡口表面未堆焊過(guò)渡層時(shí)，試樣的雜質(zhì)元素含量較高，試驗(yàn)測(cè)得的斷面收縮率相對(duì)較低。

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修稿日期：2015－10－10

試 驗(yàn) 研 究

Test Procedure for Reheat Cracking Susceptibility of Welding Material Used to 2.25Cr－1Mo－0.25V Steels

BU Hua－quan，CHEN Xue－dong，LUO Xue－mei，REN Ming－h(huán)ao
（Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China）

Abstract：Based on Gleeble test procedure，an acceptable screening test for reheat cracking susceptibility of 2.25Cr－1Mo－0.25V weld metal and flux was developed.The test machine is a simplified tensile ma-chine.The ROA value measured by this procedure is higher then by Gleeble test.If the welded couple is made by other low alloy steels，the bevel area have buttered with 2.25Cr－1Mo－0.25V weld metal shall got higher ROA value then the one not buttered，and the content of impurities is higher then one not buttered.

Key words：Gleeble test；reheat cracking；V-modified steel

作者簡(jiǎn)介：卜華全（1963－），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事壓力容器焊接工藝的試驗(yàn)研究工作，

通信地址：230031安徽省合肥市長(zhǎng)江西路888號(hào)合肥通用機(jī)械研究院，E－mail：phqgmri＠163.com。

收稿日期：2015－07－01

基金項(xiàng)目：國(guó)家973計(jì)劃課題（2015CB057603）

doi：10.3969/j.issn.1001－4837.2015.10.001

文章編號(hào)：1001－4837（2015）10－0001－07

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TH142；TG406