周俊鵬 張盛瑀 戴 光 張 穎 高 文

(1. 東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2. 大慶油田工程建設(shè)公司；3. 長春特種設(shè)備檢測研究院)

焊接冷裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展具有延遲特性，導(dǎo)致對其的監(jiān)測與防止較復(fù)雜，并給產(chǎn)品的安全使用帶來很大的危害，因此需要對造成冷裂紋延遲特性的影響因素進(jìn)行分析研究，從而提出有效的改進(jìn)措施和預(yù)防方法。

對于冷裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展的延遲現(xiàn)象，Troiano A R提出了氫的應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散理論，即氫擴(kuò)散與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相互交替的延遲裂紋機(jī)理理論[1]。焊接冷裂紋是由淬硬組織、擴(kuò)散氫和拘束應(yīng)力共同作用產(chǎn)生的，在冷裂紋演變過程中有位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、相變及裂紋萌生與擴(kuò)展等活動(dòng)，并伴隨著聲發(fā)射現(xiàn)象。筆者采用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)對不同焊接工藝條件下的小鐵研試件進(jìn)行焊后自然冷卻過程的聲發(fā)射監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，獲取冷裂紋演變過程的聲發(fā)射信號(hào)特性規(guī)律，確定焊接冷裂紋起裂和擴(kuò)展過程的信號(hào)特征[2]。

1 焊接冷裂紋聲發(fā)射監(jiān)測機(jī)理

聲發(fā)射是材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性應(yīng)力波的現(xiàn)象[3]。聲發(fā)射技術(shù)是一種有效的無損檢測方法，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并已廣泛應(yīng)用于壓力容器和管道的監(jiān)測、焊接質(zhì)量監(jiān)測和設(shè)備安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域。由于在焊接冷卻過程中電弧的干擾已不存在，易于進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測，且金屬材料的受力變形、相變、結(jié)晶凝固、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展等事件都伴隨著能量釋放，均會(huì)在焊件中產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，因此可以通過分析接收到的聲發(fā)射信號(hào)來監(jiān)測焊接質(zhì)量[4]。

焊接冷裂紋形成過程中產(chǎn)生了淬硬組織馬氏體，形成了晶格缺陷或其他形態(tài)的微觀缺陷，提高了該區(qū)的局部應(yīng)力水平，在缺陷或缺口的前沿有一個(gè)相當(dāng)高的三向應(yīng)力梯度，誘使氫聚集或擴(kuò)散到這些潛在的開裂位置附近。氫達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使局部區(qū)域脆化，在應(yīng)力作用下缺陷擴(kuò)展而形成微裂。冷裂紋從孕育、萌生、擴(kuò)展至開裂，是由許多微裂紋匯聚而成的，微裂紋擴(kuò)展過程是斷續(xù)、間歇進(jìn)行的[5]。這些過程中都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，于是通過對焊接冷裂紋聲發(fā)射監(jiān)測獲得的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，可以得知焊接裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展過程的聲發(fā)射信號(hào)特性。

2 15CrMoR試件焊接聲發(fā)射監(jiān)測實(shí)驗(yàn)方案

選用15CrMoR材料制備小鐵研焊接試件(圖1)，根據(jù)GB 4675.1-1984[6]采用手工電弧焊方式在兩種不同的焊接工藝條件下(表1)進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。采用美國PAC公司制造的SAMOS-32通道聲發(fā)射監(jiān)測儀進(jìn)行監(jiān)測，聲發(fā)射采集系統(tǒng)設(shè)置模擬濾波頻率范圍20～400kHz，門檻為50dB，增益為40dB。具體焊接試件結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，焊接工藝的制定見表1。

圖1 焊接試件結(jié)構(gòu)尺寸

試件編號(hào)焊接工藝條件1#焊接電壓24V,焊接電流130A,150℃預(yù)熱+200℃后熱2h,焊條烘干2h2#焊接電壓24V,焊接電流130A,無預(yù)熱和后熱,焊條未烘干

15CrMoR試件焊接聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示，監(jiān)測結(jié)束后需對試件進(jìn)行滲透檢測，驗(yàn)證其是否產(chǎn)生冷裂紋。采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行觀察，獲取有冷裂紋產(chǎn)生的試件的熱影響區(qū)組織圖和焊縫裂紋斷口樣貌圖。

圖2 焊接冷裂紋聲發(fā)射監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3 結(jié)果與分析

3.1焊接實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果

按照不同的焊接工藝對1#和2#試件進(jìn)行焊接聲發(fā)射監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，獲得聲發(fā)射信號(hào)特征參量(撞擊計(jì)數(shù)、幅值)歷程圖(圖3、4)。監(jiān)測結(jié)束后對試件進(jìn)行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)1#試件無冷裂紋產(chǎn)生，2#試件有冷裂紋產(chǎn)生，且裂紋貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)焊縫(圖5)。

圖3 1#試件聲發(fā)射信號(hào)特征參量歷程圖

圖4 2#試件聲發(fā)射信號(hào)特征參量歷程圖

圖5 焊接試件滲透檢測結(jié)果

在確定2#試件焊后產(chǎn)生冷裂紋后，為進(jìn)一步了解冷裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展機(jī)理，在2#試件滲透檢測結(jié)束后，利用掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡獲取了2#試件的斷口樣貌和熱影響區(qū)金相組織(圖6、7)。從圖6可以看出，試件斷口圖像為典型的脆性斷裂特征，并分布著微裂紋。從圖7可以看出，在試件的熱影響區(qū)金相組織中存在淬硬組織片狀馬氏體。

圖6 試件焊縫斷口樣貌

圖7 試件熱影響區(qū)金相組織

3.21#試件監(jiān)測結(jié)果分析

1#試件焊接結(jié)束后通過電加熱自動(dòng)控溫儀將溫度升至200℃后開始保溫，并開始采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)。由圖3可知，整個(gè)監(jiān)測過程中聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量較少且活性不高，信號(hào)的幅值也較低，無突增的高幅值聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生。依據(jù)上述聲發(fā)射信號(hào)特征規(guī)律可判定整個(gè)監(jiān)測過程中無冷裂紋產(chǎn)生，這與1#試件焊后的滲透檢測結(jié)果一致。

1#試件監(jiān)測過程可分為保溫過程和冷卻過程。0～7 200s內(nèi)是保溫過程，其聲發(fā)射信號(hào)撞擊個(gè)數(shù)相對冷卻過程較多，信號(hào)的幅值也相對較高。這是由于焊接時(shí)空氣中的水分進(jìn)入試件內(nèi)部形成了豐富的擴(kuò)散氫。氫是造成冷裂紋延遲特征的主要因素之一，因此需要采取保溫措施使這部分?jǐn)U散氫充分釋放。保溫措施會(huì)減緩冷卻過程，使焊縫和熱影響區(qū)組織相變不會(huì)因過急冷卻產(chǎn)生淬硬組織馬氏體。但保溫過程中仍然會(huì)發(fā)生相變及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等活動(dòng)，且在拘束應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生形變，這些活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生少量低強(qiáng)度的聲發(fā)射信號(hào)。

冷卻過程是7 200s后試件開始向室溫冷卻的過程，這期間聲發(fā)射信號(hào)撞擊個(gè)數(shù)更少，信號(hào)的幅值更低。這是由于經(jīng)過保溫過程擴(kuò)散氫已完全釋放，實(shí)驗(yàn)焊縫在拘束應(yīng)力作用下發(fā)生變形等活動(dòng)，這些活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生少量低幅值的聲發(fā)射信號(hào)。

3.32#試件監(jiān)測結(jié)果分析

2#試件焊后立即開始聲發(fā)射監(jiān)測，由圖4可知，在焊后監(jiān)測過程中出現(xiàn)了數(shù)量較多的聲發(fā)射信號(hào)突增現(xiàn)象，且這些信號(hào)具有高幅值特征。依據(jù)上述聲發(fā)射信號(hào)特征規(guī)律可以判定2#試件焊后產(chǎn)生了冷裂紋，并可以認(rèn)定當(dāng)出現(xiàn)高幅值聲發(fā)射信號(hào)突增現(xiàn)象時(shí)，冷裂紋開始起裂和擴(kuò)展。2#試件的聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果與滲透檢測結(jié)果一致。

通過分析圖4、6、7可知，試件在焊后0～t0時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了較多的聲發(fā)射信號(hào)，且其幅值較高。這是因?yàn)楹负罄鋮s過程中由于未采取后熱處理，冷卻速度過快，產(chǎn)生了淬硬組織片狀馬氏體。馬氏體相變過程中發(fā)生了片狀切變型體積轉(zhuǎn)變，并會(huì)伴生大量幅值較高的聲發(fā)射信號(hào)。

t0～t1時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了較少的低幅值聲發(fā)射信號(hào)，這是由于此時(shí)溫度下降較快，在應(yīng)力的誘導(dǎo)下氫向形成的馬氏體處擴(kuò)散，并以過飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中，促使這一區(qū)域進(jìn)一步脆化。在t1時(shí)刻突發(fā)大于90dB的高幅值聲發(fā)射信號(hào)，這是由于此時(shí)試件內(nèi)部的氫累積到一定濃度，在應(yīng)力作用下馬氏體會(huì)產(chǎn)生脆性微裂，據(jù)此可以判定此時(shí)冷裂紋起裂。

t1～t2時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了數(shù)量較多的高幅值聲發(fā)射信號(hào)，這是由于焊縫冷卻不均勻，在焊縫不同位置產(chǎn)生了微裂紋，并在應(yīng)力作用下微裂紋逐漸匯聚成一條宏觀裂紋。

自t2到監(jiān)測結(jié)束的時(shí)間內(nèi)，聲發(fā)射信號(hào)陣發(fā)性產(chǎn)生，且陣發(fā)的時(shí)間間隔逐漸加長，信號(hào)幅值整體呈逐漸減弱趨勢。這是由于冷裂紋擴(kuò)展過程(開裂、擴(kuò)展、再開裂、再擴(kuò)展)中釋放的能量逐漸減弱，能量積累到裂紋擴(kuò)展所需能量的時(shí)間逐漸加長，并存在某一時(shí)刻能量完全釋放，裂紋停止擴(kuò)展。

4 結(jié)論

4.1聲發(fā)射技術(shù)可用于監(jiān)測焊接冷裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展過程，預(yù)報(bào)其起裂時(shí)間。

4.2通過對2#試件的聲發(fā)射監(jiān)測信號(hào)特性規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)合試件滲透檢測結(jié)果、焊縫斷口樣貌和熱影響區(qū)金相組織，可以得知冷裂紋的產(chǎn)生是由淬硬組織馬氏體、擴(kuò)散氫和拘束應(yīng)力共同作用的結(jié)果，并驗(yàn)證了冷裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的延遲特性。

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