程肇君，沈蕓，葛佳棋

中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所股份有限公司 江蘇常州 213011

1 序言

無損檢測(cè)是把關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)，是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，在各工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)制造過程中發(fā)揮著巨大的作用。無損檢測(cè)的實(shí)施，離不開具有資質(zhì)的檢測(cè)人員，人員技能水平和素質(zhì)水平的高低，往往也直接影響了無損檢測(cè)的結(jié)果。因此，有效的培訓(xùn)與資質(zhì)鑒定考核成為確保無損檢測(cè)人員水平的重要途徑[1]。無損檢測(cè)培訓(xùn)及考核試樣是無損檢測(cè)人員資格鑒定的關(guān)鍵器具，直接影響培訓(xùn)質(zhì)量和考核的可靠性。當(dāng)前，國(guó)際上通用的無損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)ISO 9712：2021《無損檢測(cè) 無損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證》與美國(guó)無損檢測(cè)學(xué)會(huì)ASNT頒布的相關(guān)規(guī)范已在全球得到廣泛推廣和應(yīng)用，我國(guó)無損檢測(cè)學(xué)會(huì)和眾多行業(yè)協(xié)會(huì)也相繼頒發(fā)了規(guī)范無損檢測(cè)人員培訓(xùn)和考核的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)無損檢測(cè)方法以及檢測(cè)用試塊均提出了相應(yīng)的要求[2，3]。

受設(shè)計(jì)和加工條件制約，多數(shù)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)使用的培訓(xùn)及考核試樣中缺陷往往為人工缺陷，而非自然缺陷，尤其是裂紋缺陷，工藝中形成的自然裂紋與激光刻蝕產(chǎn)生的人工裂紋差別較大，這對(duì)無損檢測(cè)人員的培訓(xùn)效果產(chǎn)生不良影響。人工缺陷無法真實(shí)反映實(shí)際檢測(cè)中的缺陷檢測(cè)情況，導(dǎo)致無損檢測(cè)人員通過試樣無法認(rèn)知自然缺陷，極大地降低了無損檢測(cè)可靠性。部分學(xué)者分析了各類裂紋的形成機(jī)理，意圖在焊縫中通過控制工藝參數(shù)制造自然裂紋，從目前已有的文獻(xiàn)[4，5]來看，結(jié)果往往可控性較差，很難獲得所需長(zhǎng)度、位置和走向的裂紋。

本文基于當(dāng)前無損檢測(cè)培訓(xùn)用焊縫缺陷試板存在的問題，針對(duì)自然裂紋加工技術(shù)，通過研究焊接裂紋產(chǎn)生的機(jī)理并開展工藝試驗(yàn)，采用異種材料預(yù)埋的方式，確定最佳裂紋制備輔助材料和工藝。采用無損檢測(cè)方法驗(yàn)證裂紋制備的效果，最終形成一整套裂紋加工技術(shù)方案和實(shí)物試樣，滿足無損檢測(cè)培訓(xùn)、考核的需要，為提高國(guó)內(nèi)無損檢測(cè)培訓(xùn)用焊縫試板的缺陷制備技術(shù)提供參考。

2 裂紋缺陷試板的制作

試板制作研究分為3個(gè)部分。

第一，填充材料研究：針對(duì)裂紋產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行初步研究，并分析產(chǎn)生裂紋的方式，確定產(chǎn)生裂紋的做法和目標(biāo)材料。

第二，填充及焊接過程研究：填充方法研究，焊接過程（打底、預(yù)埋、填充及蓋面）。

第三，檢測(cè)試驗(yàn)研究：采用多種無損檢測(cè)方法對(duì)制作的試樣進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證裂紋制作效果，確認(rèn)方法可靠性，具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

3 填充材料研究

3.1 裂紋制作方法

軌道交通裝備中大都使用低碳鋼，其塑性儲(chǔ)備較好、淬硬傾向低，因此出現(xiàn)延遲裂紋等冷裂紋的概率較小，不易制作焊接冷裂紋。而鋼板中S、P等不良雜質(zhì)元素的控制較好，降低了產(chǎn)生液化裂紋、結(jié)晶裂紋等焊接熱裂紋的傾向，僅從工藝的角度去考慮，很難將低碳鋼焊出裂紋。因此，本文考慮采用填充異種材料的方式制造自然焊接裂紋。

焊接裂紋是在焊接應(yīng)力及其他致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞，形成新界面所產(chǎn)生的縫隙，具有尖銳的缺口和大小的長(zhǎng)寬比特征。焊縫中常出現(xiàn)的裂紋主要有熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋等。熱裂紋形成因素主要是焊縫中的雜質(zhì)、應(yīng)力、裝配質(zhì)量等。冷裂紋形成因素主要是材料淬硬傾向、氫含量及分布、接頭拘束應(yīng)力狀態(tài)等。再熱裂紋形成因素主要是晶界弱化、晶內(nèi)強(qiáng)化、應(yīng)力等。通過在焊縫金屬中填入異種材料，使焊縫金屬中產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶或增加其淬硬性，可產(chǎn)生上述類型的裂紋缺陷。

3.2 目標(biāo)填充材料特性及選擇

根據(jù)上述分析，有針對(duì)性地選取了鑄鐵、高強(qiáng)鋼、銅及鎢等幾種截然不同的材料作為備選目標(biāo)填充材料，如圖2所示。

圖2 目標(biāo)填充材料

鑄鐵的碳含量較高，硬度大，焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，以冷裂紋為主，熱裂紋傾向不敏感。高強(qiáng)鋼塑性儲(chǔ)備差、淬硬傾向大，易形成冷裂紋。銅夾雜易引起開裂：銅和鋼金屬力學(xué)性能差異較大，合金中含有釹、鉛等元素，易在較低溫度下與銅形成低熔點(diǎn)共晶體。焊接過程中，這些低熔點(diǎn)共晶體結(jié)晶晚，易使焊縫產(chǎn)生開裂。鎢夾雜會(huì)惡化焊接接頭力學(xué)性能。

4 填充工藝研究

4.1 填充方法

填充方法如圖3所示。將目標(biāo)填充材料放置在第二層焊道上：對(duì)于內(nèi)部裂紋，采用機(jī)械方式在第二層焊縫加工一定尺寸的凹槽；對(duì)于表面裂紋，則無需加工凹槽。采用蓋面焊將目標(biāo)填充材料固定在焊縫內(nèi)部，焊接過程中，目標(biāo)填充材料、熱源及鋼板之間可能產(chǎn)生某些相互作用（如銅和鋼的性能差異），導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。而對(duì)于某些目標(biāo)填充材料，由于其性能穩(wěn)定等原因（如鎢棒），不會(huì)引起焊縫成形的顯著改變。

圖3 填充方法示意

4.2 焊接工藝

焊接裂紋的制造先后采用打底、預(yù)埋材料、填充及蓋面4個(gè)過程制備。

焊前準(zhǔn)備材料及設(shè)備如下：母材為Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼板，尺寸為250mm×200mm×10mm，V形坡口，坡口角度50°，采用的焊絲為φ1.2mm的ER50-6，保護(hù)氣為80%Ar＋20%CO2混合氣。

施焊前，采用打磨等機(jī)械方式清理焊接裝配區(qū)域附近20mm范圍內(nèi)的雜物，直至露出母材金屬光澤，并采用丙酮清洗板材表面的油污，達(dá)到表面清潔的效果。

（1）定位焊 預(yù)留間隙3.0～3.5mm，查看上下前后是否對(duì)齊，兩頭定位焊長(zhǎng)度應(yīng)為10～20mm，磨成斜坡，便于焊接時(shí)兩點(diǎn)背面成形更好。預(yù)留反變形（根據(jù)焊接順序和焊接層數(shù)可留、可不留）。

（2）打底焊 采用鋸齒運(yùn)條法焊接，也可采用月牙運(yùn)條法焊接。焊槍角度與焊接方向呈70°～80°，與焊縫兩邊的母材呈90°。根據(jù)熔孔大小決定焊接速度。

（3）填充層 用鋼絲刷將打底焊的焊接雜質(zhì)刷掉，采用鋸齒運(yùn)條法焊接，也可采用月牙運(yùn)條法焊接，焊接到兩邊時(shí)稍作停留，注意兩邊的熔合情況。焊接角度和打底焊一樣。單面焊接完第一層填充后，用磨光機(jī)加工兩個(gè)30mm×8mm×3mm的凹槽，分別在兩塊試樣上放入4種目標(biāo)填充材料，如圖4所示。然后焊接第二層填充焊，把缺欠蓋住。填充到距離坡口邊緣線1mm左右。

圖4 目標(biāo)填充材料放置

（4）蓋面焊 采用鋸齒運(yùn)條法焊接，也可采用月牙運(yùn)條法焊接。焊接角度同打底焊。焊接時(shí)以坡口兩邊的邊緣線為基準(zhǔn)，焊槍擺到一邊的邊緣線時(shí)稍微停留，使鐵液與坡口邊緣線充分熔合，這樣也不易產(chǎn)生咬邊現(xiàn)象，以此類推來回?cái)[動(dòng)直至結(jié)尾。根據(jù)熔池高度控制焊接速度，收尾時(shí)由于熔池溫度過高，產(chǎn)生的弧坑會(huì)較大，因此要用反復(fù)收弧法來填滿結(jié)尾的弧坑。

焊接完成后先用鋼絲刷將焊接后的雜質(zhì)清理掉，然后用鏨子清理焊接飛濺。清理時(shí)注意焊縫附近的焊渣，以免破壞焊縫；然后再線切割焊縫起弧和收弧區(qū)域，避免有焊接產(chǎn)生的缺欠存在。實(shí)物試樣成形狀態(tài)如圖5所示。

圖5 實(shí)物試樣成形狀態(tài)

試驗(yàn)用焊接參數(shù)見表2，組裝間隙為2～3mm。

表2 試驗(yàn)用焊接參數(shù)

5 檢測(cè)試驗(yàn)研究

分別采用超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)對(duì)填充銅片、鎢棒、鑄鐵和高強(qiáng)鋼的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，確定填充后的效果。超聲波和射線檢測(cè)結(jié)果分別如圖6～圖9所示。圖6～圖9結(jié)果顯示，采用銅片作目標(biāo)填充材料的試樣區(qū)域，產(chǎn)生了明顯的裂紋：超聲波檢測(cè)的缺陷反射信號(hào)明顯，射線底片的影像中裂紋形態(tài)清晰可辨，呈現(xiàn)明顯的尖端和曲折特征。并且，裂紋的形貌與填充的銅片形狀不同，說明裂紋是焊接產(chǎn)生的。

圖6 銅片填充區(qū)域檢測(cè)結(jié)果

圖7 鎢棒填充區(qū)域檢測(cè)結(jié)果

圖8 鑄鐵填充區(qū)域檢測(cè)結(jié)果

圖9 高強(qiáng)鋼填充區(qū)域檢測(cè)結(jié)果

而鎢棒、鑄鐵和高強(qiáng)鋼作目標(biāo)填充材料的試樣區(qū)域，呈現(xiàn)了截然不同的特征：①預(yù)埋鎢棒、鑄鐵和高強(qiáng)鋼的區(qū)域，超聲波檢測(cè)的缺陷反射信號(hào)較高，尤其是鑄鐵和高強(qiáng)鋼。②預(yù)埋鎢棒的焊縫區(qū)域，鎢棒的顯示發(fā)亮，呈現(xiàn)典型的夾鎢影像特征（鎢的原子序數(shù)與密度均高于鐵及鐵碳合金，因此經(jīng)射線透照后得到的影像發(fā)亮），而預(yù)埋鑄鐵和高強(qiáng)鋼的焊縫區(qū)域，較為暗淡。結(jié)合影像學(xué)原理，評(píng)定出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因?yàn)殍T鐵的密度通常低于Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼（前者為7.2×103～7.35×103kg/m3，后者為7.85×103kg/m3），且填充區(qū)域在焊接后存在一定間隙；高強(qiáng)鋼的密度與Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼相當(dāng)，由于凹槽的存在，填充區(qū)域后有一定間隙。

由此初步確定了銅片作為填充材料產(chǎn)生焊接裂紋的有效性。進(jìn)一步開展不加工凹槽的填充試驗(yàn)，目的是制作表面或近表面裂紋。如圖10所示，直接將銅片放置在焊道上并進(jìn)行蓋面焊。

圖10 銅片填充（不加工凹槽）

分別采用熒光濕法磁粉檢測(cè)和著色滲透檢測(cè)對(duì)填充區(qū)域進(jìn)行表面檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果分別如圖11、圖12所示。由圖11、圖12可知，裂紋磁痕顯示和滲透顯示清晰可辨、特征明顯。銅片填充的效果再次得到驗(yàn)證，其作用直接導(dǎo)致近表面和表面區(qū)域產(chǎn)生裂紋。

圖11 熒光濕法磁粉檢測(cè)結(jié)果（裂紋顯示）

圖12 著色滲透檢測(cè)結(jié)果

為了進(jìn)一步確定銅制材料的致裂效果，選用銅絲作為目標(biāo)填充材料，按照前述的填充方法填充并焊接。經(jīng)非熒光濕法磁粉檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，裂紋十分明顯（見圖13）。由此證明，銅片、銅絲等銅制材料均可有效制作焊接裂紋。

圖13 銅絲填充后表面磁粉檢測(cè)顯示

研究分析顯示，銅的熱導(dǎo)率比碳素鋼大7～11倍，當(dāng)采用的工藝參數(shù)與焊接同厚度碳素鋼相近時(shí)，則銅材很難熔化，填充金屬和母材也不能很好地熔合。銅和鋼焊接時(shí)，熔池內(nèi)銅與其中的雜質(zhì)形成低熔點(diǎn)共晶物，使銅及銅合金具有明顯的熱脆性，產(chǎn)生熱裂紋。同時(shí)，銅焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔的缺陷較多，銅在高溫時(shí)吸收氫的能力比鐵大得多，而銅的熱導(dǎo)率大，熔池凝固速度快，因此氫氣不容易析出，在焊縫中形成氫氣孔。另外，Cu2O在熔池中與H2或CO反應(yīng)，生成的水蒸氣或CO2不易析出，在焊縫中形成反應(yīng)型氣孔。焊接接頭晶粒易粗化，導(dǎo)致塑性下降。因此，銅的填充及后續(xù)的焊接過程，共同導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）通過對(duì)目標(biāo)填充材料及填充過程進(jìn)行研究，結(jié)合不同材料特性及焊接性能，獲得了自然裂紋焊縫試板的制備方法。

2）通過多種無損檢測(cè)方法試驗(yàn)的開展，驗(yàn)證了目標(biāo)填充材料及填充過程的效果，確定了銅片、銅絲填充材料導(dǎo)致焊接裂紋的有效性，為綜合開展其他焊接和無損檢測(cè)研究提供了經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。