連杰，李軍，薛永平

1.太原鋼鐵(集團)有限公司先進(jìn)不銹鋼材料國家重點試驗室 山西太原 030003

2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心 山西太原 030003

1 序言

近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，一些更新更好的材料大量進(jìn)入工程應(yīng)用中。為了充分利用金屬材料的一些特性，把它們的性能做到物盡其用，在鋼鐵結(jié)構(gòu)的焊接工藝評定工作中，會涉及一些異種金屬材料的焊接，在焊接接頭的檢測中，一般會涉及拉伸、彎曲、沖擊和疲勞等項目。焊接接頭的彎曲檢測，一般是必檢項目，檢測中經(jīng)常遇到一些個性化的問題。焊接接頭的彎曲試驗就是將一定形狀和尺寸的試樣，置于彎曲裝置上，以規(guī)定直徑的彎心，將試樣壓彎到所要求的角度后，檢測試樣承受彎曲變形能力，并顯示缺欠的一種工藝性試驗[1]。通過對焊接接頭彎曲試驗，可以評價焊接接頭中焊縫、熔合區(qū)及熱影響區(qū)的質(zhì)量，充分驗證焊接材料及焊接參數(shù)選擇是否正確。

同種材料等強度焊接接頭的彎曲試驗，由于其母材與焊接材料性能相當(dāng)，彎曲試驗合格率較高；異種材料焊接的焊接接頭進(jìn)行彎曲檢測時，遇到的問題較多。在焊接工藝評定中，焊接方法、焊接參數(shù)選擇不當(dāng)或焊縫中有焊接超標(biāo)缺欠，焊接接頭的彎曲檢測不合格是必然的。因此焊接接頭彎曲性能的保障，是建立在優(yōu)質(zhì)焊接接頭質(zhì)量基礎(chǔ)上的。

近年來，在焊接工藝評定工作中，遇到的一些異種材料焊接接頭彎曲不合格問題，通過采取一些措施，在符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求的前提下，取得了良好的效果。通過總結(jié)彎曲不合格的原因和應(yīng)對措施，旨在提高異種鋼焊接接頭的合格率，提升工作質(zhì)量及工作效益。

2 彎曲不合格原因及應(yīng)對措施

2.1 焊接接頭彎曲檢測評價標(biāo)準(zhǔn)差異

我公司焊接接頭的彎曲檢測，一般是委托鋼廠材料檢測部門代檢的。焊接接頭的彎曲檢測，有別于母材的檢測，其評價標(biāo)準(zhǔn)是有所區(qū)別的。最早廣泛使用的JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》中，引用的標(biāo)準(zhǔn)就是檢測母材所使用的GB/T 232—2010《金屬材料彎曲試驗方法》，而最新的NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》、GB/T 19869.1—2005《鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗》及GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》等，更新為GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》專用標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T 232—2010《金屬材料彎曲試驗方法》中規(guī)定，試樣彎曲外表面無可見裂紋應(yīng)評定為合格；GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》中規(guī)定，試樣表面上長度＜3mm的缺欠應(yīng)判為合格。母材彎曲檢測，不允許有開裂；而焊接接頭彎曲檢測，允許有一定限度的開裂，二者之間的判定合格標(biāo)準(zhǔn)有所不同。檢測人員很容易按照母材檢測的慣性思維，去判定焊接接頭的彎曲試樣，從而產(chǎn)生誤判。因此，在工藝評定工作中，一定要及時學(xué)習(xí)最新適用標(biāo)準(zhǔn)，與時俱進(jìn)，避免產(chǎn)生不必要的失誤。

2.2 高強鋼低匹配焊接接頭彎曲試樣加工

近年來，高強鋼已廣泛應(yīng)用于各類焊接結(jié)構(gòu)中。由于高強鋼的強度提高，因此材料的塑性、韌性相應(yīng)下降，如果仍采用等強原則，選用高組配的焊接接頭，則焊縫的韌性不容易保證，將可能導(dǎo)致焊縫金屬韌性不足，引起低應(yīng)力脆性破壞。因此，高強鋼焊接應(yīng)采用等韌性原則，選擇焊縫韌性不低于基體金屬的低組配焊接接頭比較合理[2]。由此可見，在高強鋼焊接結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用中，應(yīng)以低匹配方式為主，也就是焊接材料的強度比母材低，但這給高強鋼焊接工藝評定帶來了一些新的問題，如焊接接頭的彎曲檢測合格率低的現(xiàn)象。

高強鋼焊接接頭彎曲不合格的原因，大都因為焊縫區(qū)域強度低于母材。彎曲試驗時，僅在焊縫處發(fā)生局部塑變，彎曲試樣呈現(xiàn)的不是連續(xù)的弧度，表現(xiàn)為在焊縫處產(chǎn)生一個銳角變形。當(dāng)焊縫塑性變形達(dá)到極限時，發(fā)生開裂，導(dǎo)致彎曲不合格。

針對上述問題，在加工焊接接頭的彎曲試樣時，焊縫不要完全加工到與母材平齊，保留適當(dāng)?shù)挠喔?，讓焊縫區(qū)域的厚度略大于母材，適當(dāng)增加焊縫區(qū)域的強度，使焊縫區(qū)域與母材區(qū)域?qū)崿F(xiàn)等強。在彎曲試驗時，實現(xiàn)焊縫區(qū)域與母材區(qū)域達(dá)到同時變形的目的，很好地解決焊縫局部變形的問題，可以保證彎曲試驗合格率的提升。

2.3 耐熱鋼匹配鎳基焊材焊接接頭彎曲檢測方法的選擇

在鍋爐制造中，經(jīng)常涉及TP347H耐熱不銹鋼管和T91耐熱高合金鋼管的焊接，該異種鋼的焊接，一般選擇ERNiCr-3鎳基焊絲為主，焊接接頭涉及3種不同的材質(zhì)。其焊接工藝評定的檢驗中，采用廣泛使用的圓形壓頭彎曲方法，經(jīng)常出現(xiàn)焊接接頭彎曲不合格。

分析開裂原因：焊接接頭各區(qū)域的力學(xué)性能差異大是主因；試驗方法選擇不當(dāng)是次因。3種材料的力學(xué)性能見表1。

表1 耐熱鋼的力學(xué)性能

GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》中，彎曲試驗方法有兩種形式：一種是圓形壓頭彎曲（3點彎曲）；另一種是輥筒彎曲，如圖1所示。3點彎曲方法較適用于同鋼種焊縫等強匹配的焊接接頭。因為同鋼種焊接接頭試樣的各區(qū)域，力學(xué)性能是比較均勻的，彎曲檢測時，不會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以試樣的彎曲變形是較均勻的。TP347H/T91鋼添加ERNiCr-3焊絲的焊接接頭各區(qū)域力學(xué)性能差異較大，不太適用3點彎曲方法。TP347H/T91鋼添加ERNiCr-3焊絲的焊接接頭，雖然按照NB/T 47014—2011規(guī)定，可以采用縱向彎曲取代橫向彎曲，但因為是小規(guī)格管的焊接，焊縫長度及形狀不能滿足縱向彎曲試驗條件。

圖1 彎曲方法

參照GB/T 2653—2008內(nèi)容，輥筒彎曲適用于異種材料接頭，對于異種材料接頭其焊縫金屬或一側(cè)母材的屈服強度或規(guī)定非比例抗拉強度低于(另一側(cè))母材的規(guī)定和要求，TP347H/T91鋼添加ERNiCr-3焊絲，屬于典型的三元異種材料焊接接頭。TP347H鋼的屈服強度僅有T91鋼和ERNiCrMo-3焊絲屈服強度的50%左右，T91鋼的伸長率僅有TP347H鋼的57%，TP347H鋼屬奧氏體鋼，T91鋼屬馬氏體鋼，二者之間硬度相差較大。TP347H/T91鋼添加ERNiCr-3焊絲焊接接頭的焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)及母材等區(qū)域，塑性、硬度及強度極不均勻。試樣彎曲時的變形主要發(fā)生在強度和硬度相對較低的TP347H鋼一側(cè)，產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使本應(yīng)連續(xù)均勻的弧度，局部形成一個銳角，當(dāng)銳角處的塑性達(dá)到極限時，即會發(fā)生開裂現(xiàn)象。

針對上述原因，將TP347H/T91鋼添加ERNiCr-3焊絲焊接接頭試樣的3點彎曲，改用輥筒彎曲方法。試驗時，T91鋼試樣的一端固定在試驗機上，彎曲變形從T91鋼母材→T91鋼熱影響區(qū)→T91鋼側(cè)熔合區(qū)→ERNiCr-3焊縫→TP347H鋼側(cè)熔合區(qū)→TP347H鋼熱影響區(qū)→TP347H母材，是逐步進(jìn)行的。而且屈服強度最低的TP347H鋼側(cè)是在屈服強度較高的T91鋼和ERNiCr-3焊縫完成變形后，最后才進(jìn)入變形階段，它不會受其他區(qū)域變形力的影響，焊接接頭各區(qū)域都會按照輥筒外圓形狀均勻承擔(dān)彎曲的變形量，避免了TP347H鋼區(qū)域因強度低而過多地承擔(dān)變形量的不良結(jié)果，解決了三元材料焊接接頭彎曲檢測合格率低的問題。

2.4 低溫鋼匹配鎳基焊接材料焊接接頭的彎曲取樣方向的調(diào)整

隨著國家對節(jié)能減排工作要求的逐步提高，國內(nèi)對LNG(液化天然氣)的需求急增，LNG儲罐的制造也快速增長，LNG的儲存溫度為－162℃，儲罐制造用材料以9Ni鋼居多。為了保證9Ni鋼焊接接頭的低溫性能，使用ENiCrMo鎳基異種鋼焊條最為廣泛。即在9Ni鋼焊接工藝評定中，焊接接頭的橫向彎曲較容易出現(xiàn)裂紋，且裂紋大都出現(xiàn)在熱影響區(qū)。

9Ni鋼焊接接頭的橫向裂紋產(chǎn)生原因是在焊接過程中，焊接熱循環(huán)最高溫度Ac3線以上的母材，組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，過熱區(qū)奧氏體晶粒劇烈長大，焊后冷卻速度較快時，奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。馬氏體具有高強度與高硬度的特征，但塑性極差，同時由于原始奧氏體晶粒粗大，導(dǎo)致馬氏體晶粒粗大，進(jìn)一步降低了塑性。9Ni鋼與焊條的化學(xué)成分差異較大，在熔合線附近焊縫中Cr、Mo、Nb會向母材中進(jìn)行遷移擴散，形成復(fù)雜的合金碳化物，這些碳化物屬于脆硬相，容易成為失塑裂紋源，即成為彎曲變形過程中裂紋萌生和長大的起點，一定程度上降低了熱影響區(qū)的塑性[3]。9Ni鋼使用ENiCrMo焊條焊接的焊接接頭，熱影響區(qū)晶粒粗大和馬氏體轉(zhuǎn)變，致使焊接接頭塑性、韌性下降，是導(dǎo)致橫向彎曲試樣開裂的主要原因。

鑒于上述原因，按照GB/T 47014—2011中表11所列的規(guī)定，焊縫金屬和母材之間的性能有顯著差別時，可改用縱向彎曲代替橫向彎曲。參照國際慣例，如CCS《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》和日本船級社規(guī)范，若母材和焊縫金屬具有不同的強度，則可要求以縱向彎曲試驗代替橫向彎曲試驗[3]。這樣，就可以在符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求的前提下，把橫向彎曲改為縱向彎曲，讓焊接接頭的熱影響區(qū)與焊接接頭其他區(qū)域，共同承受方向一致、變形大小一致的彎曲力，避免了局部區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，合理避開9Ni鋼焊接接頭橫向彎曲較容易出現(xiàn)裂紋的問題，提高了9Ni鋼焊接接頭彎曲檢測的合格率。

2.5 耐磨鋼匹配結(jié)構(gòu)鋼焊接材料焊接接頭的彎曲試樣的預(yù)彎

工程機械用高強度耐磨鋼，由于其具有高強度、高硬度、高韌性和良好的耐磨性能，大量用于渣土車、礦山車輛中。GB/T 24186—2005《工程機械用高強度耐磨鋼板》中，常用NM系列鋼種的布氏硬度達(dá)480HBW，抗拉強度達(dá)1000～1250MPa，現(xiàn)在還沒有與其等強度匹配的焊接材料。在上述行業(yè)中，大量使用500MPa級別結(jié)構(gòu)鋼焊絲用于耐磨鋼的焊接，雖然強度匹配懸殊，但該類型車輛的焊縫是類聯(lián)系焊縫，經(jīng)過實踐應(yīng)用，完全可以滿足該類車輛的工況。但初期在該材料的焊接工藝評定中，焊接接頭的3點彎曲檢測失敗率極高。

分析其原因：在彎曲試驗時，因為強度匹配懸殊，彎曲應(yīng)變區(qū)主要集中在焊縫區(qū)域，所以焊縫很容易達(dá)到其塑性極限而開裂，導(dǎo)致彎曲不合格。3點彎曲改變?yōu)檩佂矎澢?，也因焊縫強度太低，很難實現(xiàn)與母材達(dá)到均勻彎曲變形而失敗。

針對上述原因，先在焊接接頭的試樣上對彎曲區(qū)域進(jìn)行定位，劃線做標(biāo)記；然后在3點彎曲檢測時，減小支輥間距，對試樣焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)和母材區(qū)先進(jìn)行預(yù)彎，形成中間直、焊縫兩端彎U字形狀；最后再把焊接接頭試樣的中間部位進(jìn)行壓彎，直至壓到要求的彎曲半徑和角度，預(yù)彎如圖2所示。這樣就可以讓母材與焊縫實現(xiàn)共同承擔(dān)彎曲變形，避開焊縫強度低、應(yīng)變區(qū)域小的問題，達(dá)到按照技術(shù)要求的彎曲半徑和角度不開裂，解決了耐磨鋼超低匹配結(jié)構(gòu)鋼焊接材料焊接接頭彎曲開裂的問題。

圖2 彎曲試樣的預(yù)彎

2.6 鐵素體不銹鋼/碳素鋼匹配奧氏體焊接材料焊接接頭的彎曲加墊板

T4003屬于鉻含量12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的經(jīng)濟型鐵素體不銹鋼，該材料具有良好的耐蝕性和焊接性，廣泛用于鐵路行業(yè)和煤炭皮帶運輸機行業(yè)。在皮帶運輸機的應(yīng)用中，要使用厚度為3.5mm的T4003碳素鋼，與20鋼進(jìn)行異種材料間的焊接，焊接一般使用ER309奧氏體焊接材料。材料的力學(xué)性能見表2。筆者在協(xié)助客戶進(jìn)行焊接工藝評定時，遇到焊接接頭3點彎曲檢測不合格問題。

表2 材料的力學(xué)性能

彎曲檢測不合格問題的表現(xiàn)形式為，3點彎曲檢測時，異種鋼焊接接頭兩側(cè)母材力學(xué)性能差異較大，彎曲壓頭施加壓力時，試樣20鋼側(cè)的彎曲變形量明顯大于T4003不銹鋼側(cè)，壓頭繼續(xù)壓下時，試樣產(chǎn)生橫向滑移，壓頭中心與試樣焊縫的中心產(chǎn)生偏移(焊縫躲避壓頭)，導(dǎo)致T4003不銹鋼側(cè)的熱影響區(qū)不能完全進(jìn)入彎曲部分內(nèi)，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的焊縫金屬和熱影響區(qū)應(yīng)完全位于試樣的彎曲部分內(nèi)的要求，導(dǎo)致上述問題，但客戶沒有輥筒彎曲檢測設(shè)備，試驗一度陷于停頓。

后經(jīng)過分析，嘗試采用一些非常規(guī)措施進(jìn)行試驗。具體方法是：試驗時，在試樣下墊一塊比彎曲試樣尺寸略寬的T4003碳素鋼板材，把輥筒間距離加大至2倍試樣板厚(7mm)，不改變彎曲試驗的參數(shù)，試驗時讓試樣和墊塊共同受壓，目的是墊塊給試樣一定的拘束力，約束試樣產(chǎn)生均勻彎曲變形，不產(chǎn)生側(cè)向滑移，順利地壓出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的試樣，取得了良好的效果，也得到客戶技術(shù)部門的認(rèn)可，成功解決了彎曲試樣不符合標(biāo)準(zhǔn)的問題，加墊板的彎曲試驗如圖3所示。

圖3 加墊板彎曲試驗示意

3 結(jié)束語

在異種鋼焊接工藝評定中，焊接工藝和焊接材料選擇得當(dāng)，獲得優(yōu)質(zhì)焊縫，是焊接接頭彎曲檢測合格的首要條件。

在異種鋼焊接工藝評定中遇到的一些焊接接頭彎曲檢測不合格，屬個性化問題，可以通過采取一些必要措施，在不違反相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求的前提下，確保試樣在標(biāo)準(zhǔn)要求彎曲角度和彎曲半徑技術(shù)指標(biāo)內(nèi)，不產(chǎn)生超標(biāo)缺欠，達(dá)到提高彎曲合格率的目的。

雖然一些措施有待進(jìn)一步商榷，但在客觀上也沒有違背相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。本文涉及的異種鋼焊接接頭，經(jīng)過若干工程的應(yīng)用，均未發(fā)生問題，生產(chǎn)實踐證明了相關(guān)工作的正確性。