【導(dǎo)讀】本文介紹了金屬焊接性以及焊接裂紋的概念，主要介紹冷裂紋的形成與影響因素、金屬焊接性的試驗(yàn)研究方法，論述了低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性及焊接工藝特點(diǎn)。在總結(jié)大量資料和焊接實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb鋼斜Y型焊接裂紋試驗(yàn)，即小鐵研試驗(yàn)、18MnMoNb焊接熱影響區(qū)組織性能試驗(yàn)、18MnMoNb焊接裂紋斷口的掃描電鏡分析，分析低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性及產(chǎn)生冷裂紋的原因，并討論了預(yù)熱對(duì)焊接冷裂紋傾向的減小作用；并對(duì)18MnMoNb焊接熱影響區(qū)組織進(jìn)行了金相分析和性能研究，最后對(duì)18MnMoNb焊接熱影響區(qū)的顯微硬度進(jìn)行了測試。完成了低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb鋼的可焊性研究。焊接技術(shù)，又稱連接工程，是一種重要的材料加工工藝。熱焊接性是指焊接熱過程中，對(duì)焊接熱影響區(qū)組織性能及產(chǎn)生的缺陷的影響程度，它用于評(píng)定被焊金屬對(duì)熱作用的敏感性；冶金焊接性是指冶金反應(yīng)對(duì)焊縫性能和產(chǎn)生缺陷的影響程度。焊接性的提出為判斷材料能否適應(yīng)焊接加工，提供了可靠的依據(jù)。

　　

【正文】 0A，120㎜/min）焊縫長度/mm70表面裂紋長度/mm50（3）計(jì)算表面裂紋率 Cf==(50/70)100%=%（4）試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)于低碳調(diào)質(zhì)鋼來說，一般認(rèn)為表面裂紋率應(yīng)小于20%，從此次試驗(yàn)結(jié)果來看，表面裂紋率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)，這是由于該焊接條件下的焊接拘束度大所致，另一方面，常溫下不預(yù)熱焊接，18MnMoNb鋼的淬硬傾向較大，易于形成淬硬組織，而且焊接后冷卻速度速過快，生成的馬氏體還來不及進(jìn)行一次“自回火”處理，這些都促使冷裂傾向增大。利用式21及22得出低碳調(diào)質(zhì)鋼的碳當(dāng)量及焊接冷裂紋敏感指數(shù)分別為：= 由于當(dāng)板厚＜25mm，手弧焊線能量17kJ/cm時(shí)，%時(shí)，對(duì)于σb=700MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼來說，預(yù)熱溫度為100℃。本實(shí)驗(yàn)中，采用30mm、720MPa低碳調(diào)質(zhì)鋼鋼板，可以估計(jì)預(yù)熱溫度大于100℃。= 本試驗(yàn)取H=，℃，℃時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。（5）低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb的焊接工藝評(píng)定低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb的焊接工藝評(píng)定見表45。表45 低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb的焊接工藝評(píng)定單位名稱 大慶油田建設(shè)集團(tuán)油建公司冀東項(xiàng)目部焊接工藝指導(dǎo)書編號(hào) 20080302 日期 焊接工藝評(píng)定報(bào)告編號(hào) 20080302焊接方法： 焊條電弧焊 機(jī)械化程度（手工、半自動(dòng)、自動(dòng)） 手工焊接接頭： 簡圖：（接頭形式、坡口形式與尺寸、焊層、焊道布置及順序）坡口形式： X型2mm60186。177。5186。55186。177。5186。45mm13177。29177。墊（材料及規(guī)格）　 ―其他 坡口兩側(cè)無水、銹、油污等雜質(zhì)。母材：類別號(hào) Ⅱ 組別號(hào) Ⅱ2 與類別號(hào) Ⅱ 組別號(hào) Ⅱ2 相焊標(biāo)準(zhǔn)號(hào) GB6654 鋼號(hào) 18MnMoNb 與標(biāo)準(zhǔn)號(hào) GB6654 鋼號(hào) 18MnMoNb 相焊厚度范圍：母材：對(duì)接焊縫 δ=45mm 角焊縫 ―管子直徑、壁厚范圍： 對(duì)接焊縫 ― 角焊縫 ―焊縫金屬厚度范圍： 對(duì)接焊縫 4953 mm 角焊縫 ―其他 ―焊接材料：焊材類別焊絲焊條焊材標(biāo)準(zhǔn)―GB/T 51181995填充金屬尺寸― 焊材型號(hào)―E5515G焊材牌號(hào)（鋼號(hào)）―J557R其他：焊前焊條須經(jīng)380℃400℃烘焙1小時(shí),隨烘隨用。耐蝕堆焊金屬化學(xué)成分（%）CSiMnPSCrNiMoVTiNb―――――――――――其他： ―注：對(duì)每一種母材與焊接材料的組合均需分別填表。續(xù)表452焊接位置： 對(duì)接焊縫的位置 橫位 焊接方向：（向上、向下）　 ― 角焊縫位置 　　　― 焊接方向：（向上、向下）　―――焊后熱處理：溫度范圍（℃）　　　　565177。20保溫時(shí)間（h）　　　　 3預(yù)熱： 預(yù)熱溫度（℃）（允許最低值 125170 層間溫度（℃）（允許最高值） ― 保持預(yù)熱時(shí)間　　　　 ― 加熱方式　　　　　火焰加熱氣體： 氣體 混合比 流量（L/min）保護(hù)氣： ―　 　 ―　　 ―尾部保護(hù)氣： ―　 　 ―　 　 ―背面保護(hù)氣： ―　　　 ―　　 ―電特性電流種類： 直　流 極性：　　 反極性焊接電流范圍（A）： 100175 電弧電壓（V）： 2226（按所焊位置和厚度，分別列出電流和電壓范圍，記入下表）焊層焊道焊接方法填充材料焊接電流電弧電壓(V)焊接速度(cm/min)線能量(KJ/cm)牌號(hào)直徑極性電流(A)正1（1）電弧焊J557R反接100110222479正2（1）電弧焊J557R反接170175242679正3（2）電弧焊J557R反接170175242679正4（3）電弧焊J557R反接170175242679正5（4）電弧焊J557R反接170175242679正6（5）電弧焊J557R反接170175242679正7（6）電弧焊J557R反接165170222479正8（7）電弧焊J557R反接165170222479背1（2）電弧焊J557R反接125130222679背2（3）電弧焊J557R反接170175222679背3（4）電弧焊J557R反接170175222679背4（5）電弧焊J557R反接165170222479極類型及直徑： ―　　　　　 噴嘴直徑(mm)： ― 熔滴過渡形式： ― 焊絲送進(jìn)速度(cm/min)： ― 技術(shù)措施：擺動(dòng)焊或不擺動(dòng)焊： 擺 動(dòng) 擺動(dòng)參數(shù)： 焊工自行掌握 單道焊或多道焊（每面）： 多 道 背面清根方法： 砂輪機(jī)單絲焊或多絲焊： ― 錘擊： ― 焊前清理和層間清理： 坡口兩側(cè)除盡油水等雜物，每層焊后徹底清渣 。 其他：當(dāng)焊接環(huán)境條件不符合JB/T4709及設(shè)計(jì)文件規(guī)定時(shí)，必須采取有效防護(hù)措施后熱溫度200～250℃，后熱時(shí)間1h。 編制日期審核日期批準(zhǔn)日期 低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb焊接裂紋斷口掃描電子顯微鏡分析（1）試驗(yàn)?zāi)康蘑倭私鈷呙桦娮语@微鏡的結(jié)構(gòu)，圖像成像原理及分析方法。②了解低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb鋼焊接裂紋的斷裂形式。（2）試樣準(zhǔn)備 低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb鋼斜Y型焊接裂紋試驗(yàn)中，焊接裂紋解剖后得到的斷口（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù) 掃描斷口的圖片如圖42所示，成分分析的圖片如圖43所示。圖42 焊接裂紋斷口掃描電子顯微鏡圖片 圖43 成分分析圖片（4）試驗(yàn)結(jié)果分析由圖42可以看出，在斷口的表面上出現(xiàn)多個(gè)凹凸不平的小坑，即韌窩，可以判斷此試驗(yàn)焊縫金屬的斷裂形式為韌窩斷裂。主要是因?yàn)樵诰惺缚p冷卻之后，試驗(yàn)焊縫由于受到拘束焊縫的拘束應(yīng)力作用，是焊縫金屬不能自由收縮，而產(chǎn)生的裂紋。由圖43所示，焊縫中存在的Ca、Mn、Si等元素是焊接時(shí)由于合金過度而進(jìn)入焊縫的。J507屬低氫型焊條，采用Si、Mn、Ti聯(lián)合脫氧。進(jìn)行脫氧、脫氫、脫磷、脫硫等反應(yīng)。但由于這類焊條的熔渣不具有氧化性，一旦有氫侵入熔池將很難脫出，氫的進(jìn)入也是產(chǎn)生冷裂紋的主要因素之一。另外低氫型焊條的焊縫含碳量極低，焊縫金屬的塑性、韌性較高。所以焊縫金屬的斷裂為塑性斷裂，在外力（拘束焊縫的拘束應(yīng)力）作用下，隨著塑性變形的產(chǎn)生表形成顯微空穴，或在析出物、夾雜物的顆粒上形成微孔，隨應(yīng)力的增大，微孔逐漸長大，直至斷裂。 18MnMoNb鋼焊接熱影響區(qū)組織及性能試驗(yàn)（1）試驗(yàn)步驟①將18MnMoNb鋼用手工電弧焊焊接后，用鋸條切取試樣成小塊。②用預(yù)磨機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)磨，然后用砂紙打磨試片。研磨試片的砂紙由粗到細(xì)，試片研磨完后，用清水清洗，進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光后再用清水清洗試片。③將拋光后的試片，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，大約經(jīng)過5～10s左右，立即用清水沖洗，然后用無水乙醇輕輕擦去水分，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。④把制備好的試片在金相顯微鏡下對(duì)焊接熱影響區(qū)組織進(jìn)行觀察，并拍下金相照片。（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)18MnMoNb焊接熱影響區(qū)根據(jù)組織上的特征，可分為：完全淬火區(qū)、不完全淬火區(qū)、回火區(qū)，分別如圖44中a、b、c、d所示；18MnMoNb的母材與焊縫金屬組織分別如圖44中e、f所示。（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析①完全淬火區(qū)圖44a為焊后得到淬火組織（馬氏體）。靠近焊縫附近（相當(dāng)于低碳鋼的過熱區(qū)），由于晶粒嚴(yán)重長大，得到粗大的馬氏體。圖44b為相當(dāng)于正火區(qū)的部位得到細(xì)小的馬氏體。根據(jù)冷卻速度和線能量的不同，還可能出現(xiàn)貝氏體，形成與馬氏體共存的混合組織。a) b)c） d）e） f）圖44 18MnMoNb焊接熱影響區(qū)組織a）完全淬火區(qū)（粗大馬氏體） b）完全淬火區(qū)（細(xì)小馬氏體) c）不完全淬火區(qū) d）回火區(qū) e）母材 f）焊縫金屬②不完全淬火區(qū)圖44c為馬氏體與鐵素體的混合組織。母材被加熱到Ac1～Ac3溫度之間的熱影響區(qū)，在快速加熱條件下，鐵素體很少溶入奧氏體，而珠光體、貝氏體、索氏體等轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體?？炖鋾r(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。原鐵素體不變，并有不同程度的長大，最后形成馬氏體鐵素體的組織，故稱不完全淬火區(qū)，如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時(shí)，也可能出現(xiàn)索氏體和珠光體。③回火區(qū)如圖44d所示，如果母材在焊前是調(diào)質(zhì)狀態(tài)，焊接熱影響區(qū)的組織，除完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)之外，還可能發(fā)生不同程度的回火處理，稱為回火區(qū)（低于Ac1以下的區(qū)域）?；鼗饏^(qū)內(nèi)組織和性能變化程度決定于焊前調(diào)質(zhì)狀態(tài)的回火溫度。④焊縫金屬如圖44f所示，該區(qū)的組織為碳化物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成的柱狀晶，期間分布有鐵素體的珠光體的混合組織?？傊饘僭诤附訜嵫h(huán)的作用下，熱影響區(qū)的組織分布是不均勻的。熔合區(qū)和過熱區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的晶粒粗化，是整個(gè)焊接接頭的薄弱地帶。對(duì)于含碳高、合金元素較多、淬硬傾向較大的鋼種，還出現(xiàn)淬火組織馬氏體，降低塑性和韌性，因而易于產(chǎn)生裂紋。 18MnMoNb鋼焊接接頭的硬度試驗(yàn)（1）試驗(yàn)原理熱影響區(qū)最高硬度是評(píng)定鋼材淬硬傾向的一個(gè)簡單的辦法。把焊接接頭從焊縫中心直到母材，給出全部熱影響區(qū)寬度的維氏硬度分布曲線。對(duì)于任意焊接熱影響區(qū)，找出HAZ中的最大硬度值，作為鋼材可焊性的衡量標(biāo)準(zhǔn)值[13]。（2）試驗(yàn)步驟①用鋸條切取18MnMoNb鋼焊接接頭試樣成小塊，取焊縫所在的平面和側(cè)面，用預(yù)磨機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)磨，然后用砂紙打磨試片后，進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光后再用清水清洗試片。②將拋光后的試片，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，大約經(jīng)過5～10s左右，立即用清水沖洗，然后用無水乙醇輕輕擦去水分，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。③焊接熱影響區(qū)的硬度測定利用401MVA顯微維氏硬度計(jì)對(duì)18MnMoNb鋼焊接接頭試片（焊縫所在的平面），每點(diǎn)附近測3個(gè)值,最后取平均值。（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用401MVA顯微維氏硬度計(jì)對(duì)18MnMoNb鋼焊接接頭試片進(jìn)行硬度試驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表46所示。表46 HV數(shù)值表（100gf,從焊縫中心到母材） 距離(mm)123456123平均值（4）硬度曲線 用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯出硬度分布曲線如圖45所示。圖45 18MnMoNb鋼焊接接頭顯微硬度（100gf）曲線（5）試驗(yàn)結(jié)果曲線分析從圖45中可以看出， HV，且一般都發(fā)生在完全淬火區(qū)，此區(qū)域組織為粗大的馬氏體。達(dá)到峰值后，硬度值呈下降趨勢，并趨于平直。這是因?yàn)樵诓煌耆慊饏^(qū)在快速加熱條件下，鐵素體很少溶入奧氏體，而珠光體、貝氏體、索氏體等轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體?？炖鋾r(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。原鐵素體不變，并有不同程度的長大，最后形成馬氏體鐵素體的組織，硬度下降。由圖44d和圖44e，在焊接過程中回火區(qū)受到的溫度高于焊前調(diào)質(zhì)的溫度，組織發(fā)生了轉(zhuǎn)變，發(fā)生了軟化，故硬度逐漸下降。到母材處，組織為珠光體和鐵素體，硬度達(dá)到最低。焊縫金屬是網(wǎng)狀的碳化物，中間分布著鐵素體與珠光體的混合組織，所以硬度也低于熱影響區(qū)。結(jié)論（1）通過用J507焊條進(jìn)行了低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb斜Y型焊接裂紋實(shí)驗(yàn)、著色探傷試驗(yàn)、并對(duì)裂紋斷口進(jìn)行掃描電鏡分析及能譜成分分析。從實(shí)驗(yàn)中得出，%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)20%，焊縫金屬的斷裂形式為韌窩斷裂，這是由于該焊接條件下的焊接拘束度