張友鵬，趙剛，周洪慶，劉璇，李大航，朱義軒

（海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山114009）

10CrNi3MoV鋼采用Ni-Cr-Mo-V系合金成分設(shè)計(jì)，具有較高的強(qiáng)度，良好的低溫韌性以及較優(yōu)異的焊接性能。 而含 Ni、Cr鋼板表面形成的氧化鐵皮很難去除干凈，在軋制生產(chǎn)過程中鋼板表面容易產(chǎn)生大小不一的壓痕缺陷，降低了鋼板的力學(xué)性能。為滿足應(yīng)用條件，必須進(jìn)行焊接返修予以清除。因此，本文通過專用焊絲對(duì)缺陷位置進(jìn)行補(bǔ)焊，綜合評(píng)定了補(bǔ)焊工藝的可行性，解決了10CrNi3MoV船用鋼板的此類表面壓痕缺陷問題。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用工業(yè)生產(chǎn)的調(diào)質(zhì)態(tài)10CrNi3MoV船用鋼板作為母材，截取尺寸為25 mm×200 mm×600 mm，鉆取如圖1所示的25個(gè)Φ10 mm、深1 mm的平底小孔模擬表面壓痕，鉆孔后進(jìn)行手工補(bǔ)焊。在超聲波探傷和磁粉探傷后，在圖示位置截取試樣進(jìn)行試驗(yàn)。加工橫向Φ10 mm圓拉試樣，按照GBT 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；加工25 mm×30 mm×280 mm正反彎曲試樣，按照GBT 232-2010《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行冷彎試驗(yàn)；取熔敷金屬、HAZ及母材等不同位置的10 mm×10 mm×55 mm橫向沖擊試樣，按照GBT 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，沖擊溫度為-20℃、-84℃。金相試樣采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，在型號(hào)為DMI 5000M的光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行觀察。利用QUANTA 400型掃描電鏡觀察沖擊樣的斷口形貌。

圖1 鉆孔及力學(xué)性能取樣位置Fig.1 Boreholes and Sampling Locations for Mechanical Properties

1.1 焊接方式

采用鎢極氬弧焊的焊接方法，其焊接電弧穩(wěn)定性好，焊縫成形優(yōu)于其它弧焊方法，適用于10CrNi3MoV船用鋼板的表面壓痕類缺陷的補(bǔ)焊。

1.2 焊接材料

基于等強(qiáng)或低強(qiáng)匹配原則及化學(xué)成分相近原則，選擇與10CrNi3MoV船用鋼板等強(qiáng)或低強(qiáng)匹配的焊接材料，盡量降低碳、硫及磷的含量。對(duì)于焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的10CrNi3MoV船用鋼板，焊材的含鎳量應(yīng)低于2.5%。另外，加入微量的鈦元素，可以利用第二相粒子釘扎奧氏體晶界，起到細(xì)化晶粒的作用。設(shè)計(jì)的焊絲化學(xué)成分如表1所示。

表1 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Composition of Welding Wire（Mass Fraction） %

1.3 焊接工藝條件

試驗(yàn)選用Φ2.0 mm焊絲，采用機(jī)械方式去除焊絲及待補(bǔ)焊部位內(nèi)外30 mm范圍內(nèi)的油污、氧化膜及銹跡等。試驗(yàn)采用松下YC-500WX4型鎢極氬弧焊設(shè)備進(jìn)行手工焊接。補(bǔ)焊時(shí)，采用直流正接方式焊接，焊接一次成型，中間不斷弧，一次收弧完成。保護(hù)氣體采用99.99%的氬氣。具體補(bǔ)焊工藝參數(shù)如表2所示。

表2 補(bǔ)焊工藝參數(shù)Table 2 Process Parameters for Repair Welding

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超聲波探傷試驗(yàn)

補(bǔ)焊部位經(jīng)表面修磨后，對(duì)其進(jìn)行超聲波探傷。探傷時(shí)采用USN-60超聲波探傷儀，探頭頻率為4 MHz，超聲波探傷波形如圖2所示。探傷結(jié)果表明，補(bǔ)焊部位內(nèi)部無缺陷，但補(bǔ)焊位置底波存在衰減情況，這與超聲波在補(bǔ)焊材料和基體的界面?zhèn)鞑ミ^程中能量損失有關(guān)。

圖2 超聲波探傷波形Fig.2 Waveforms in Ultrasonic Detecting

2.2 磁粉探傷試驗(yàn)

采用MP-A-2L磁粉探傷儀對(duì)試驗(yàn)鋼板進(jìn)行磁粉探傷，磁粉種類為黑水磁懸液，試片型號(hào)為A1 30/100，磁化方式為磁軛，磁化時(shí)間為 1～3 s，提升力＞45 N，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013.4-2015。探傷未發(fā)現(xiàn)可見磁痕，表明補(bǔ)焊部位表面和近表面無缺陷。

2.3 拉伸性能檢驗(yàn)

表3為10CrNi3MoV拉伸性能對(duì)比數(shù)據(jù)。焊接部位的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率以及斷面收縮率與母材性能相當(dāng)，可見補(bǔ)焊對(duì)拉伸性能無影響，補(bǔ)焊后的拉伸試樣斷口位置都在母材上。表明補(bǔ)焊鋼板各部位具有良好的強(qiáng)韌性。

表3 10CrNi3MoV拉伸性能對(duì)比數(shù)據(jù)Table 3 Correlation Data of Tensile Properties of 10CrNi3MoV Steel

2.4 冷彎性能檢驗(yàn)

表4為冷彎性能數(shù)據(jù)。補(bǔ)焊試樣正彎、反彎試驗(yàn)彎曲部分120°沒有裂紋，180°不斷，試樣結(jié)果全部合格，試樣受拉面熔敷金屬、熔合線及HAZ處均無裂紋和其他缺陷。冷彎檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，以熔敷金屬為中心的試樣完好，致密性優(yōu)良。

表4 冷彎性能數(shù)據(jù)Table 4 Data of Property by Cold Bending

2.5 低溫沖擊性能檢驗(yàn)

10CrNi3MoV鋼是低合金高強(qiáng)鋼，這類鋼隨著溫度的降低，韌性逐漸變差。因此有必要對(duì)其低溫韌性進(jìn)行研究。表5為低溫沖擊性能，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-20℃沖擊功為80 J，斷口纖維率為100%，而在熔敷金屬為中心的沖擊試樣上出現(xiàn)沖擊最低值165 J，對(duì)應(yīng)的斷口纖維率為100%，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-84℃沖擊功為47 J，斷口纖維率為50%，而在熔敷金屬為中心的沖擊試樣上出現(xiàn)沖擊功最低值136 J，對(duì)應(yīng)的斷口纖維率為80%，依然遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。從補(bǔ)焊試驗(yàn)的-20℃、-84℃沖擊功性能可以看出，補(bǔ)焊位置的低溫沖擊性能均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，且基本與母材相當(dāng)。表明補(bǔ)焊部位具有良好的低溫沖擊韌性。

表5 低溫沖擊性能Table 5 Low Temperature Impact Property

2.6 金相組織

對(duì)沖擊試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行修磨，金相組織如圖3所示。由于10CrNi3MoV基體中摻入的Cr、Ni、Mo、V等多種合金元素，提高了鋼的淬透性，保證了淬火后馬氏體的回火穩(wěn)定性，并推遲了高、中溫區(qū)的珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變。 從圖 3（a）可以看出試驗(yàn)鋼母材為典型的回火馬氏體組織；圖3（b）是用苦味酸酒精腐蝕出的原奧氏體晶粒，可以看到晶粒細(xì)小，約為8.0級(jí)。由于熔敷金屬中心處高溫停留時(shí)間較長，冷卻速度低，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和貝氏體組織，如圖3（c）所示，熔敷金屬金相組織為塊狀鐵素體+針狀鐵素體+粒狀貝氏體。由于補(bǔ)焊時(shí)采用了180 A的較大電流，HAZ冷卻速度較低，避免了魏氏組織的出現(xiàn)，如圖3（d）所示，HAZ金相組織為粒狀貝氏體。補(bǔ)焊部位的金相組織同母材相比，熔敷金屬、HAZ沒有出現(xiàn)晶粒明顯粗大的情況，也沒有出現(xiàn)惡化性能的魏氏組織，金相組織均勻、致密，說明采用的補(bǔ)焊工藝措施是適宜的。

圖3 金相組織Fig.3 Metallographic Structures

2.7 斷口形貌

進(jìn)一步對(duì)沖擊斷口試樣進(jìn)行SEM掃描，沖擊斷口形貌見圖4。從圖4（a）可以看出，試驗(yàn)鋼母材的斷口上布滿了大量的等軸韌窩，顯示典型的韌斷形貌；從圖 4（b～c）可以看出，熔敷金屬、HAZ 的斷口形貌均為準(zhǔn)解理+韌窩斷口。此外，熔敷金屬處于沖擊斷口的SEM形貌見圖4（d～e），可以看出在近表面位置，約0.5 mm深度內(nèi)分布一些柱狀晶組織，受其影響，纖維區(qū)產(chǎn)生了側(cè)移。

圖4 沖擊斷口形貌Fig.4 Appearance of Impact Fracture

由此可以推斷，熔敷金屬處的鑄態(tài)組織形貌是造成該部位低溫沖擊性能較低的原因。總體而言，從斷口形貌以及斷裂形式看，試驗(yàn)鋼母材、熔敷金屬以及HAZ部位均具備良好的低溫沖擊性能。

3 結(jié)論

（1）10CrNi3MoV鋼板補(bǔ)焊位置在焊接工藝條件下經(jīng)探傷無缺陷。實(shí)驗(yàn)室開展系列實(shí)驗(yàn)表明，補(bǔ)焊鋼板具有優(yōu)異的拉伸性能，且拉伸試樣斷口均位于母材；正、反彎后試樣受拉面熔敷金屬、熔合線及HAZ處均無裂紋和其他缺陷；補(bǔ)焊部位的-20℃低溫沖擊功≥165 J、-84℃低溫沖擊功≥136 J，具有較高的韌性，與母材基本相當(dāng)。補(bǔ)焊鋼板的焊接各部位具有良好的低溫韌性和高的強(qiáng)塑性匹配。

（2）通過鎢極氬弧焊的方式并設(shè)計(jì)采用專用焊絲對(duì)10CrNi3MoV船用鋼板進(jìn)行補(bǔ)焊的工藝，用于解決表面壓痕缺陷問題是完全可行的。同時(shí)該工藝易于實(shí)施的特點(diǎn)，對(duì)于Ni-Cr-Mo-V系等高附加值產(chǎn)品較為適用。