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(guó)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(guò)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(guò)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(lèi)表面壓痕缺陷問(wèn)題。
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
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(lèi)缺陷的補(bǔ)焊。
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) %
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
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(wú)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^(guò)程中能量損失有關(guān)。
圖2 超聲波探傷波形Fig.2 Waveforms in Ultrasonic Detecting
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(lèi)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(jiàn)磁痕,表明補(bǔ)焊部位表面和近表面無(wú)缺陷。
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(jiàn)補(bǔ)焊對(duì)拉伸性能無(wú)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
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(méi)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(wú)裂紋和其他缺陷。冷彎?rùn)z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
10CrNi3MoV鋼是低合金高強(qiáng)鋼,這類(lèi)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
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(zhǎng),冷卻速度低,過(guò)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(méi)有出現(xiàn)晶粒明顯粗大的情況,也沒(méi)有出現(xiàn)惡化性能的魏氏組織,金相組織均勻、致密,說(shuō)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
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(jiàn)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(jiàn)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??傮w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。
(1)10CrNi3MoV鋼板補(bǔ)焊位置在焊接工藝條件下經(jīng)探傷無(wú)缺陷。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(wú)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(guò)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(wèn)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。