30CrMnSi鋼TIG焊冷裂紋形成機(jī)制
2021-07-14 16:51
admin
30CrMnSi屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼,焊接接頭極容易出現(xiàn)熱裂紋或冷裂紋，嚴(yán)重影響接頭強(qiáng)度、韌性等綜合力學(xué)性能.其中焊接冷裂紋問題尤為突出.
常常被稱為氫致裂紋的冷裂紋其產(chǎn)生依賴于以下四個(gè)要素的共同作用，即焊縫金屬中的氫、髙的應(yīng)力、淬硬組織（常常指馬氏體組織)和比較低的溫度 (一般在-100℃~200℃ ).所以可從影響冷裂四個(gè)要素中的淬硬組織、氫、應(yīng)力及溫度角度出發(fā)來控制焊接冷裂的產(chǎn)生.焊接冷裂紋一般出現(xiàn)于焊趾、焊根附近及焊道下熱影響區(qū)，然而在有些情況下,也會(huì)產(chǎn)生焊縫中心的縱向焊接冷裂紋,關(guān)于這類裂紋研究者一般也以影響氫致裂紋的要素來進(jìn)行分析解釋冷裂紋產(chǎn)生的原因.但也有學(xué)者認(rèn)為焊接熔池在凝固期間的成分偏析等冶金因素也可能成為冷裂紋出現(xiàn)的誘因.
由于30CrMnSi鋼易出現(xiàn)焊接熱裂紋及冷裂紋，對30CrMnSi鋼GTAW焊接裂紋行為進(jìn)行研究，探討其冷裂紋形成機(jī)理，及熱裂紋傾向?qū)淞鸭y的影響.
試驗(yàn)材料及焊接工藝
試驗(yàn)采用中碳調(diào)質(zhì)鋼30CrMnSi.試件尺寸為100 mm X50 mm x 3 mm.試板對接，焊前試件表面用砂紙打磨，要求打磨后不允許有明顯的劃痕，并用丙酮清洗.為了模擬工程實(shí)際焊件承受高拘束力狀態(tài),試驗(yàn)采用焊接夾具來增加試件的拘束，其中夾具對試件的拘束示意及外觀見,夾具主要由底座、上蓋板和銅襯墊組成，底座與蓋板之間采用溝槽紋路，試件在焊接加熱與冷卻過程中始終承受較高的拘束狀態(tài).采用兩邊點(diǎn)固再施焊,兩端點(diǎn)固10 mm左右，再焊中間位置形成平直焊縫，主要是進(jìn)一步增大薄板的約束度,易于冷裂紋的出現(xiàn).焊接工藝參數(shù)為：焊接速度《 = 185 mm/min,焊接電流/ = 195 A,保護(hù)氣體（氬氣）流量 =13 L/min.
為保證每組試件所受的拘束相同，使用扭矩扳手?jǐn)Q緊間定壓板和底板的螺栓，每個(gè)螺栓擰緊力矩為60N/m.焊接完成后將試件保持在夾具上并定期檢查，當(dāng)出現(xiàn)貫穿裂紋時(shí)即可將試件從焊接夾具上卸除,最民的保持時(shí)間為48 h.如果試件48 h之 內(nèi)產(chǎn)生了裂紋,將試件從夾具上取下,觀察裂紋的形態(tài)和分布特征；如在兩天后仍未產(chǎn)生裂紋,則視為該 組試件不產(chǎn)生冷裂紋.
試驗(yàn)結(jié)果
發(fā)現(xiàn)對于存在裂紋的試樣，裂紋發(fā)生于焊縫中，為沿焊縫方向貫穿裂紋，具體裂紋統(tǒng)計(jì)見.可看出5個(gè)試樣中的4個(gè)觀察到了明顯的裂紋.另外這些裂紋的出現(xiàn)帶有明顯的延遲性,所有出現(xiàn)的裂紋的試件其裂紋均在焊接完成2h之后出現(xiàn).由于這種的裂紋的延遲性，可以判斷這種裂紋為冷裂紋.4號(hào)試樣沒有出現(xiàn)了裂紋,后續(xù)的檢查發(fā)現(xiàn)是由于夾具有一側(cè)的上蓋板施加的螺栓 擰緊力矩未達(dá)到要求.
將以上產(chǎn)生冷裂的試件,切去兩端點(diǎn)固的焊縫及多余的母材金屬,制成斷口試件，用掃描電子顯微 鏡觀察裂紋處的斷U形貌特征,從斷口形態(tài)入手，研 究焊接裂紋出現(xiàn)的原因.為引弧位置的裂紋斷口形貌，可以看出其斷口為混合型斷口，即其中既包含明顯的熱裂紋特征的具有枝晶形貌的斷口（其中還會(huì)發(fā)現(xiàn) 一些微裂紋），同時(shí)又具有一定的冷裂紋特征斷口， 即沿晶斷裂的特征.從而可以判斷出在焊接完成時(shí)刻,在焊接起弧端和收弧端出現(xiàn)的裂紋為熱裂紋，而后續(xù)的保持過程中出現(xiàn)的貫穿裂紋則為冷裂紋焊縫的中間段，在焊接冷卻到室溫時(shí)沒有明顯的焊接裂紋出現(xiàn),但是在后續(xù)的冷卻過程中出現(xiàn)了貫穿的裂紋,為這種焊接裂紋的斷口形貌，可以看出斷口此處為典型的穿晶斷裂，具有準(zhǔn)解理小平面，是應(yīng)力作用下開始的低塑性斷裂.同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些冰糖狀沿晶斷裂的形貌.總體而言屬于混合型斷裂形貌.
在高拘束度條件下，30CrMnSi鋼在焊接時(shí)極易出現(xiàn)熱裂紋及冷裂紋，焊縫裂紋斷口特征往往表現(xiàn)為熱裂紋與冷裂紋的混合斷口.在拘束度比較低的情況下，30CrMriSi鋼在焊接時(shí)一般不出現(xiàn)冷裂紋，但焊縫金屬中存在由于成分偏析等導(dǎo)致的微熱裂紋.
30CrMnSi鋼表面熱裂紋及微熱裂紋可以作為冷裂紋的裂紋源而增加焊接冷裂紋的傾向
常常被稱為氫致裂紋的冷裂紋其產(chǎn)生依賴于以下四個(gè)要素的共同作用，即焊縫金屬中的氫、髙的應(yīng)力、淬硬組織（常常指馬氏體組織)和比較低的溫度 (一般在-100℃~200℃ ).所以可從影響冷裂四個(gè)要素中的淬硬組織、氫、應(yīng)力及溫度角度出發(fā)來控制焊接冷裂的產(chǎn)生.焊接冷裂紋一般出現(xiàn)于焊趾、焊根附近及焊道下熱影響區(qū)，然而在有些情況下,也會(huì)產(chǎn)生焊縫中心的縱向焊接冷裂紋,關(guān)于這類裂紋研究者一般也以影響氫致裂紋的要素來進(jìn)行分析解釋冷裂紋產(chǎn)生的原因.但也有學(xué)者認(rèn)為焊接熔池在凝固期間的成分偏析等冶金因素也可能成為冷裂紋出現(xiàn)的誘因.
試驗(yàn)材料及焊接工藝
試驗(yàn)采用中碳調(diào)質(zhì)鋼30CrMnSi.試件尺寸為100 mm X50 mm x 3 mm.試板對接，焊前試件表面用砂紙打磨，要求打磨后不允許有明顯的劃痕，并用丙酮清洗.為了模擬工程實(shí)際焊件承受高拘束力狀態(tài),試驗(yàn)采用焊接夾具來增加試件的拘束，其中夾具對試件的拘束示意及外觀見,夾具主要由底座、上蓋板和銅襯墊組成，底座與蓋板之間采用溝槽紋路，試件在焊接加熱與冷卻過程中始終承受較高的拘束狀態(tài).采用兩邊點(diǎn)固再施焊,兩端點(diǎn)固10 mm左右，再焊中間位置形成平直焊縫，主要是進(jìn)一步增大薄板的約束度,易于冷裂紋的出現(xiàn).焊接工藝參數(shù)為：焊接速度《 = 185 mm/min,焊接電流/ = 195 A,保護(hù)氣體（氬氣）流量 =13 L/min.
為保證每組試件所受的拘束相同，使用扭矩扳手?jǐn)Q緊間定壓板和底板的螺栓，每個(gè)螺栓擰緊力矩為60N/m.焊接完成后將試件保持在夾具上并定期檢查，當(dāng)出現(xiàn)貫穿裂紋時(shí)即可將試件從焊接夾具上卸除,最民的保持時(shí)間為48 h.如果試件48 h之 內(nèi)產(chǎn)生了裂紋,將試件從夾具上取下,觀察裂紋的形態(tài)和分布特征；如在兩天后仍未產(chǎn)生裂紋,則視為該 組試件不產(chǎn)生冷裂紋.
試驗(yàn)結(jié)果
發(fā)現(xiàn)對于存在裂紋的試樣，裂紋發(fā)生于焊縫中，為沿焊縫方向貫穿裂紋，具體裂紋統(tǒng)計(jì)見.可看出5個(gè)試樣中的4個(gè)觀察到了明顯的裂紋.另外這些裂紋的出現(xiàn)帶有明顯的延遲性,所有出現(xiàn)的裂紋的試件其裂紋均在焊接完成2h之后出現(xiàn).由于這種的裂紋的延遲性，可以判斷這種裂紋為冷裂紋.4號(hào)試樣沒有出現(xiàn)了裂紋,后續(xù)的檢查發(fā)現(xiàn)是由于夾具有一側(cè)的上蓋板施加的螺栓 擰緊力矩未達(dá)到要求.
將以上產(chǎn)生冷裂的試件,切去兩端點(diǎn)固的焊縫及多余的母材金屬,制成斷口試件，用掃描電子顯微 鏡觀察裂紋處的斷U形貌特征,從斷口形態(tài)入手，研 究焊接裂紋出現(xiàn)的原因.為引弧位置的裂紋斷口形貌，可以看出其斷口為混合型斷口，即其中既包含明顯的熱裂紋特征的具有枝晶形貌的斷口（其中還會(huì)發(fā)現(xiàn) 一些微裂紋），同時(shí)又具有一定的冷裂紋特征斷口， 即沿晶斷裂的特征.從而可以判斷出在焊接完成時(shí)刻,在焊接起弧端和收弧端出現(xiàn)的裂紋為熱裂紋，而后續(xù)的保持過程中出現(xiàn)的貫穿裂紋則為冷裂紋焊縫的中間段，在焊接冷卻到室溫時(shí)沒有明顯的焊接裂紋出現(xiàn),但是在后續(xù)的冷卻過程中出現(xiàn)了貫穿的裂紋,為這種焊接裂紋的斷口形貌，可以看出斷口此處為典型的穿晶斷裂，具有準(zhǔn)解理小平面，是應(yīng)力作用下開始的低塑性斷裂.同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些冰糖狀沿晶斷裂的形貌.總體而言屬于混合型斷裂形貌.
在高拘束度條件下，30CrMnSi鋼在焊接時(shí)極易出現(xiàn)熱裂紋及冷裂紋，焊縫裂紋斷口特征往往表現(xiàn)為熱裂紋與冷裂紋的混合斷口.在拘束度比較低的情況下，30CrMriSi鋼在焊接時(shí)一般不出現(xiàn)冷裂紋，但焊縫金屬中存在由于成分偏析等導(dǎo)致的微熱裂紋.
30CrMnSi鋼表面熱裂紋及微熱裂紋可以作為冷裂紋的裂紋源而增加焊接冷裂紋的傾向
