陳劍平

（中煤平朔集團有限公司 露天設(shè)備維修中心，山西 朔州 036006）

A514高強度可焊鋼焊后延遲裂紋產(chǎn)生機理及修復(fù)工藝

陳劍平

（中煤平朔集團有限公司 露天設(shè)備維修中心，山西 朔州 036006）

通過對延遲裂紋的產(chǎn)生機理進行全面深入的分析，明確了裂紋產(chǎn)生的原因，制定了合理的修復(fù)工藝及防止裂紋產(chǎn)生的控制措施，總結(jié)了對于延遲裂紋的修復(fù)經(jīng)驗，為避免出現(xiàn)此類裂紋提供了良好的解決方案。

A514高強度可焊鋼；延遲裂紋；產(chǎn)生機理；修復(fù)工藝

0 引 言

A514鋼是ASTM標準下經(jīng)淬火與回火的高強度可焊接鋼，主要用途是用在需要高抗拉，高屈服的場所，如工程汽車升降齒輪、海洋平臺用的齒條、特種機械重要受力焊接結(jié)構(gòu)及進口卡車鋼結(jié)構(gòu)梁等。該鋼材在平朔公司露天采剝設(shè)備的大梁中應(yīng)用廣泛。在使用過程中如出現(xiàn)母體損壞則需要進行焊接修復(fù)，焊后以及最終熱處理后對焊縫進行100%MT探傷檢驗時均合格。經(jīng)過較長時間的放置，再次對各條焊縫進行檢驗，在個別焊道的熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)了斷斷續(xù)續(xù)的表面微裂紋，最長達到100 mm。說明裂紋不是在焊后立即出現(xiàn)的，而是在焊后一段時間出現(xiàn)，具有一定的延遲性，屬于典型的延遲裂紋。

1 裂紋產(chǎn)生的原因

大量的生產(chǎn)實踐和理論研究證明，延遲裂紋的形成是鋼材淬硬傾向造成的金屬塑性儲備下降、焊接接頭金屬中所承受的拉應(yīng)力及焊縫中殘留的擴散氫3個因素交互作用的結(jié)果[1]。

1.1 鋼材的淬硬傾向

當前的理論主要以鋼材的碳當量CE來衡量鋼種淬硬傾向及由此引起的冷裂傾向[2]。鋼材的碳當量越高，淬硬傾向越大，裂紋的敏感性越高。以卡車大梁母板和挖補焊鋼板為例，其材質(zhì)大都為A514高強度可焊鋼板，對母材化學成分進行分析，其化學成分見表1。

表1 A514鋼的化學成分 wB%

根據(jù)美國焊接學會（AWS）提出的碳當量計算公式：

式中：w（）為鋼中該元素含量。

由上式可知，母材的碳當量為0.5%，當CE=0.4%～0.6%時焊接性稍差，焊前需適當預(yù)熱。母材的淬硬傾向還與板材厚度、焊接工藝和冷卻條件等因素有關(guān)。焊接時的高溫使得近縫區(qū)母材內(nèi)部的奧氏體晶粒發(fā)生嚴重長大，成為粗大的奧氏體晶粒，一旦冷卻速度較快，將轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體。馬氏體是一種脆硬的組織，在消耗較低的能量時就可發(fā)生斷裂，因此，當焊接接頭有馬氏體存在時，裂紋易于形成和擴展[3]。

1.2 焊縫的受力情況分析

焊接時的拘束情況決定了焊接接頭所處的應(yīng)力狀態(tài)，從而影響產(chǎn)生延遲裂紋的敏感性[4]。主要存在由于不均勻加熱及快速冷卻產(chǎn)生的熱應(yīng)力，金屬發(fā)生相變前后不同組織的熱物理性質(zhì)（質(zhì)量體積、線脹系數(shù)、體脹系數(shù)）變化引起的相變應(yīng)力，以及結(jié)構(gòu)自身拘束條件所造成的應(yīng)力等。他們相互作用與影響，其中必有一種或幾種因素起主導(dǎo)作用。從圖1中可以看出延遲裂紋出現(xiàn)的焊接熱影響區(qū)范圍內(nèi)。

圖1 延遲裂紋

由于施焊各部件的厚度并不均勻，熱傳導(dǎo)速度也不相同，如果不能采取合理有效的工藝措施，就會造成各板冷卻速度差異過大。如圖1所示，該大梁鋼材母板是在冬季施焊的，室內(nèi)溫度比較低（3℃左右），經(jīng)驗證明相同材質(zhì)的薄板塑韌性要好于厚板，而且導(dǎo)熱速度比厚板導(dǎo)熱速度慢。同時加熱厚板與薄板時，當薄板內(nèi)部溫度達到預(yù)熱溫度時，厚板的內(nèi)部并未達到要求的預(yù)熱值，造成厚板的外部與內(nèi)部冷熱不均，由此產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力。

焊接時熔池在冷卻過程中靠近薄板一側(cè)的結(jié)晶速度相對要慢于厚板一側(cè)，由此造成厚板一側(cè)熔池先結(jié)晶，對薄板一側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于薄板側(cè)的熔池未完全凝固結(jié)晶，焊縫金屬尚處于固液共存的狀態(tài)，具有良好的延性，此拉應(yīng)力不會對薄板產(chǎn)生影響。而當薄板側(cè)結(jié)晶結(jié)束后將對厚板一側(cè)產(chǎn)生相同的拉應(yīng)力，薄板側(cè)受到相應(yīng)的壓應(yīng)力，由于厚板一側(cè)結(jié)晶早于薄板結(jié)束，于是產(chǎn)生了很大的焊接殘余應(yīng)力。

1.3 焊縫中殘留的氫

由于A514高強度可焊鋼含碳及合金元素量相對較高，對裂紋和氫脆有較大的敏感性，為了降低焊縫的冷裂傾向，焊縫金屬的含碳量一般控制在低于母材的水平，因此焊縫在很高的溫度就發(fā)生相變，根據(jù)焊縫的化學成分和冷卻速度不同，奧氏體可能分解為鐵素體，珠光體，貝氏體以及低碳馬氏體等。在該材料焊接過程中，由于熱源的高溫作用，焊縫金屬中溶解了很多的氫，當焊縫由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，珠光體等組織時，而氫在鐵素體、珠光體中的擴散速度很快，因此氫就很快的從焊縫越過熔合線向尚未發(fā)生分解的奧氏體熱影響區(qū)擴散。由于氫在奧氏體中的擴散速度較小，不能很快把氫擴散到距熔合線較遠的母材中去，因而在熔合線附近就形成了富氫地帶，延遲性裂紋的起源多發(fā)生于此[5]。

所以延遲裂紋的出現(xiàn)為氫致裂紋，而氫致延遲裂紋的產(chǎn)生與接頭的含氫量有直接關(guān)系，溫度是影響接頭氫擴散、逸出的重要因素，是裂紋產(chǎn)生的主要原因[6]。

1）預(yù)熱溫度不均勻，層間溫度偏低。預(yù)熱可以降低冷卻速度，有效的防止冷裂紋的產(chǎn)生?？ㄜ嚧罅菏┖笗r，由于不具備整體預(yù)熱的條件，通常采用火焰加熱。一方面這種局部加熱會產(chǎn)生附加應(yīng)力，促進裂紋生成。另一方面火焰加熱會造成加熱區(qū)與非加熱區(qū)，溫度梯度大。加之焊接過程中室溫偏低（3℃左右），導(dǎo)致預(yù)熱及層間溫度不均勻，溫度下降速度快。一般情況卡車大梁的焊接部位暴露于大平面尺寸部位，層間熱流失量較大，使得層間溫度一層比一層低，在臨近焊縫外表面時，已達不到焊接預(yù)熱的要求。

2）焊后熱處理不及時。延遲裂紋一般在焊后數(shù)小時甚至更長時間才能產(chǎn)生。若能在產(chǎn)生裂紋以前及時進行后熱消氫處理，可使擴散氫充分逸出，并在一定程度上降低殘余應(yīng)力的作用，有效的防止冷裂紋。而該產(chǎn)品焊接結(jié)束后，不具備整體后熱的條件，采用火焰加熱方式進行后熱，室溫過低，短時間內(nèi)達不到后熱所需的溫度，使擴散氫來不及逸出金屬，達不到消氫的目的，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋[7]。

2 修復(fù)工藝方案的制定

通過對裂紋成因的分析可知，該裂紋主要是因為溫度原因造成焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)了氫致延遲裂紋，結(jié)合母材的焊接性制定了合理的工藝修復(fù)方案。

2.1 焊接設(shè)備及焊接參數(shù)

由于大梁處裂紋形成的形狀大小極不規(guī)則，分布比較散，為了獲得較好的焊接質(zhì)量減少母材的變形量，提高其使用價值，所以選擇了手工電弧焊作為焊接的方法。

焊材選用7018－1焊條或國產(chǎn)507焊條進行補焊。焊接時采用邊焊邊錘擊焊縫的方式消除應(yīng)力。礦用卡車大梁箱面的一般尺寸為20 mm，對應(yīng)其焊條電弧焊參數(shù)見表2。

表2 焊條電弧焊參數(shù)

2.2 典型裂紋的修復(fù)方案

卡車大梁結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，根據(jù)裂紋分布形態(tài)可制定相應(yīng)焊接工藝，對箱梁平面出的單個裂紋則采取修磨補焊，對于馬脖、扭力管及舉升缸底座內(nèi)側(cè)等出現(xiàn)的多處裂紋交叉部位，用局部挖補焊接修復(fù)。

2.3 焊前裂紋處理

焊接表面的污垢、漆皮、水銹等都必須清除干凈，用砂輪打磨，直至露出金屬光澤，以防焊接過程中產(chǎn)生缺陷。為起到清潔及實現(xiàn)全焊透效果，采用碳弧氣刨在裂紋處制作“V”型破口，利用角磨機、砂輪機等工具對坡口表面進行修磨處理，要注意修整坡口平面度、磨光坡口兩側(cè)邊緣范圍內(nèi)的深層銹跡雜物等。修磨后進行100%MT探傷，確認裂紋完全清除。

2.4 焊前預(yù)熱與焊后熱處理

合理選擇焊前預(yù)熱和焊后保溫的溫度是進行大型結(jié)構(gòu)件焊接時的重要工藝步驟。

1）焊前預(yù)熱。嚴格控制預(yù)熱溫度及時間，根據(jù)裂紋的外部形狀，采用電阻加熱器加熱并配合割炬火焰對焊縫位置兩側(cè)進行預(yù)熱處理，加熱溫度T0為100℃～150℃，層間溫度Ti控制在400℃左右，當裂紋處達到預(yù)熱溫度后，應(yīng)繼續(xù)在厚板側(cè)繼續(xù)加熱。

2）焊后熱處理。補焊結(jié)束后應(yīng)立即對修補處進行后熱處理，結(jié)合板厚加熱到300℃～350℃后停留1～2 h，用石棉布進行包裹（當板厚超過板厚40 mm時加熱溫度600℃～640℃后停留2 h），待其自然冷卻至室溫后，將焊縫外觀修磨平整。

3 檢 驗

對焊縫再次進行表面無損探傷檢驗，執(zhí)行標準為EN25817B級100%MT探傷，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。經(jīng)過較長的放置再次對焊縫進行100%MT探傷檢驗，也未發(fā)現(xiàn)裂紋，達到了預(yù)期修復(fù)效果。

4 結(jié)論

通過對A514高強度可焊鋼板焊后表面延遲性裂紋產(chǎn)生機理的分析，明確了裂紋主要是由于焊縫中的擴散氫引起的延遲裂紋，并制定了合理的修復(fù)工藝方案，采用預(yù)熱及后熱等措施嚴格控制焊縫中的氫含量，取得了良好的修復(fù)效果，說明返修工藝切實可行，為今后此類裂紋的修復(fù)積累了經(jīng)驗。

［1］張文鉞.焊接冶金學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999.

［2］Boothby P.Predicting hardness in steel HAZs.Metal Construction，1985，17（6）：363.

［3］師昌緒.金屬的脆斷與斷裂［M］.北京：科學出版社，1964.

［4］陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［5］劉會杰.焊接冶金與焊接性［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［6］李志杰，李家魯，王仲煥，等.20MnMoNi55鋼焊接氫致延遲裂紋的產(chǎn)生及返修實例［J］.焊接，2002（5）：42－43.

［7］孫洪忠.鍋筒管接頭焊縫焊接氫致延遲裂紋的返修［J］.金屬加工：熱加工，2004（9）：57－57.

【責任編輯：陳 毓】

Mechanism and repair technology of A514 high-strength steel after welding weld delayed crack

CHEN Jianping
(China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

Through the analysis of the mechanism of delayed cracks,the article clarified the reasons for cracks,and formulated the reasonable repair process and control measures to prevent cracks,and summarized the repair experience of delay crack,which provided good solution in order to avoid such cracks.

A514high strength weldable steel;delayed crack;mechanism;repair process

U472.4

B

1671－9816（2017）03－0045－03

2016-09-23

陳劍平（1973—），男，山西忻州人，高級工程師，學士，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學礦山機械工程專業(yè)，現(xiàn)任中煤平朔集團有限公司露天設(shè)備維修中心副主任，從事露天采剝設(shè)備的維修管理工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.013

陳劍平.A514高強度可焊鋼焊后延遲裂紋產(chǎn)生機理及修復(fù)工藝［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（3）：45-47.