一种基于冲击韧性筛选合理焊接工艺参数的方法与流程

本发明属于材料的力学性能评价与表征领域，特别涉及一种基于冲击韧性筛选合理焊接工艺参数的方法。

背景技术：

焊接是钢结构工程建造中必不可少的工序。随着工程结构的大型化、高参数化、以及服役环境的恶化，高性能中厚钢板的需求量越来越大。在工程结构建设过程中，同一高强度钢板不可避免地会经历不同参数的焊接工艺，导致其原始显微组织和性能发生不同程度的变化。如以西气东输管线工程的建造为例，高强管线钢一般需要经过气体保护打底焊接工艺、内外多丝埋弧焊接工艺、以及现场环形焊接工艺。这些焊接工艺所采用的不同工艺参数使焊接接头形成了不同的显微组织和力学性能。当焊接工艺参数选取不当时，焊接接头会出现局部脆化现象，严重危害了焊接结构件的安全服役性能。因此，针对不同焊接方法，筛选出合理工艺参数是确保焊接接头结构完整性的重要前提。

热影响区冲击韧性的恶化现象一直是焊接冶金领域至关重要的课题。从焊接冶金学理论分析，钢板局部受高温焊接热源的作用，显微组织发生明显变化而导致冲击韧性的降低。显微组织的变化主要体现在以下两方面：(1)晶粒尺寸粗化，在熔合区附近，焊接温度极高(甚至超过1300℃)，奥氏体晶粒发生异常长大；(2)硬脆性相变产物的形成，由于焊接热循环的不均匀冷却速度，有利于碳富集形成M-A组元，尤其在不完全相变区，快速冷却条件下逆相变生成的部分奥氏体立即转变成粗大M-A组元。这两方面是导致热影响区冲击韧性下降的重要因素。设计合理焊接工艺可以最大限度地抑制这两方面因素对冲击韧性的不良影响。此外，对于高强结构钢来说，合金元素含量相对较高，当热输入量较小时，热影响区容易形成高脆性马氏体组织；当热输入量过大时，则容易出现侧板条铁素体或魏氏体组织，这两种基体组织均对热影响区的冲击韧性造成不利影响。

为了优化热影响区韧性，冶金学者主要通过改变母材的化学成分来提高韧性，如“焊接热影响部的韧性优异的钢材及其制法”(CN101153372A)主要采用REM的氧化物和CaO来提高韧性，如“具有在焊接热影响区冲击韧性较好的焊接接头的大线能量焊接高强度钢板”(CN101918607A)添加Ti/B元素形成TiO和TiO-(Ti，B)N₇MnS复合氧化物促进针状铁素体形成来提高韧性，又如“具有高焊接热影响区韧性的高强钢及其制造方法”(CN101165202A)采用超低碳控制焊后渗碳体(或M-A组元)形成来提高韧性；也有涉及采用改变焊接过程中的冷却行为或焊后热处理方法来提高韧性，如“一种提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺”(CN102152012A)在焊接过程中采用喷吹高压气体方式来提高韧性。这些专利采用实际焊接接头来评价热影响区韧性，均没有涉及如何快速评价热影响区的韧性。尽管针对焊接热影响区韧性的恶化现象提出大量的改善方法，但是改善后的钢板并不可能在任何焊接工艺参数下均能获得良好的冲击韧性。因此，如何筛选出合理焊接工艺参数也是非常重要的。

钢板焊接热影响区冲击韧性的检测与评估，通常采用的方法有两种：一种采用实际焊接接头，此方法尽管是一种直接且被普遍采用的评价热影响区韧性的方法，但其前期处理工序较为复杂，如焊板需要开坡口、两端分别搭接引弧和熄弧焊板。由于工艺参数较多，此方法检测热影响区韧性还需要耗费大量原材料，劳动强度大，经济性较差。当采用多道次焊接工艺后，道次间热循环的相互作用导致热影响区结构复杂，其韧性评价的针对性不强，冲击试样取样位置也会引起韧性值较为离散，降低了实验结果筛选合理焊接工艺参数的有效性。另一种采用焊接热模拟方法，此方法只是模拟了亚区焊接热循环特征，重点分析单一亚区的冲击韧性变化，并没有体现热影响区连续变化的显微组织特征，因此，此方法不能表征热影响区整体冲击韧性的演变。

如上所述，同一钢板在一个工程项目中可能会经历不同焊接方法的多种工艺参数的焊接工艺。因此，如何快速、便捷地筛选出合理焊接工艺，对确保焊接热影响区冲击韧性不被恶化和提高工程结构的安全可靠性都是非常有必要的。然而，尽管热影响区冲击韧性的恶化程度是一个直接影响焊接接头结构完整性的重要参数，但目前它却也没有一种能够快速、便捷、且可筛选焊接工艺参数的评估方法。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，尤其对于钢板需要采用不同工艺参数的焊接时，不合理的工艺参数会明显恶化焊接热影响区冲击韧性等问题，本发明提供了一种基于冲击韧性快速筛选合理焊接工艺参数的方法；目的在于提供一种工艺简单，成本低、操作便捷的快速评估焊接热影响区冲击韧性并筛选出合理焊接工艺参数的方法，解决目前焊接热影响区冲击韧性评价方法单一且操作复杂等问题，

本发明的基于冲击韧性快速筛选合理焊接工艺参数的方法，主要用于快速评估焊接(主要指熔化焊)结构用高强中厚钢板的热影响区冲击韧性，尤其在不同热输入量条件下对焊接热影响区冲击韧性恶化程度进行评价，筛选出能够获得优良焊接热影响区韧性的合理工艺参数；具体包括如下步骤：

步骤1，钢板预处理：

对钢板进行预处理，清除表面氧化铁皮和油污，使钢板表面平整；

步骤2，单道次焊接：

在钢板上，进行单道次焊接，获得包含完整焊接热影响区的焊板，其中，单道次焊接的工艺参数为：焊接电流、焊接电压和焊接速度；

步骤3，制备冲击试样：

在焊板上，定义热影响区内最远离原钢板焊接表面的点，为热影响区的中心点，垂直于原钢板焊接平面且通过中心点的直线，为中心线；冲击试样为长方体，定义其最长的边为冲击试样的长；

在焊板上，截取冲击试样，使冲击试样的长垂直于焊道方向，冲击试样的长平行于原钢板焊接平面且以中心线为长的对称线，中心线上的焊接热影响区位于冲击试样厚度方向的中间位置，如果焊板不满足冲击试样的尺寸，则增大钢板厚度或长度，重新开始步骤1；

在冲击试样上开V型或U型缺口，使V型或U型缺口穿过冲击试样的热影响区；

步骤4，冲击试验：

采用摆锤式或落锤式冲击试验机检测冲击试样的冲击韧性，获得冲击试样的冲击吸收功，观察冲击试样的断口表面形貌特征，确定热影响区的冲击断裂行为；

步骤5，判断焊接工艺参数是否合理：

如果同时满足如下(a)和(b)条件，判断焊接工艺参数，即焊接电流、焊接电压和焊接速度合理；否则，则不合理；

(a)冲击试样的冲击吸收功：焊板的冲击吸收功≥1/2原钢板的冲击吸收功；

(b)热影响区的冲击断裂行为为韧性断裂。

上述的基于冲击韧性快速筛选合理焊接工艺参数的方法中：

定义，焊接热影响区内，垂直原钢板焊接平面的截面为焊接热影响区的横截面；

定义，焊接热影响区，是指受焊接热源的作用，焊缝周围的母材发生固态相变行为以及力学性能变化的区域，通常可细分为粗晶区、细晶区、不完全相变区、和回火区。所述的完整焊接热影响区，是指钢板横截面上包含了粗晶区、细晶区、不完全相变区和回火区的四个完整亚区的热影响区。

所述步骤1中，钢板是指低碳钢、中碳钢、低合金或中合金高强钢板中的一种。

所述步骤1中，钢板厚度大于等于5mm，宽度或长度大于等于55mm。

所述步骤1中，采用砂轮将钢板的表面进行打磨，清除表面氧化铁皮和油污。

所述步骤2中，在钢板上进行单道次焊接的首次位置为钢板中部。

所述步骤2中，焊接方式采用熔化焊，即为手工电弧焊、气体保护焊、埋弧焊或氩弧焊中的一种方法制备焊接接头。

所述步骤2中，获得包含完整焊接热影响区的焊板，也意味着在钢板的横截面上包含完整焊接热影响区。

所述步骤3中，冲击试样尺寸的选择符合国家标准GB/T 229。

所述步骤3中，定义中心点距离钢板焊接平面的距离减去焊缝熔池的深度为热影响区宽度，则冲击试样的尺寸根据热影响区的宽度来确定：当热影响区宽度≤1mm(宽度较窄)时，冲击试样尺寸选择5mm×10mm×55mm；当热影响区宽度＞1mm(宽度较宽)时，冲击试样尺寸选择7.5mm×10mm×55mm或10mm×10mm×55mm标准尺寸。

所述步骤3中，热影响区位于冲击试样沿原钢板厚度方向的中间位置。

所述步骤4中，冲击吸收功即为冲击韧性。

所述步骤4中，根据冲击试样断口的形貌特征，判断冲击断裂行为脆性断裂、韧性断裂或脆性断裂-韧性断裂同时发生。

所述步骤5中，通过评价冲击试样热影响区的冲击韧性，进一步判断焊接工艺参数是否合理。

所述步骤5中，若热影响区形成韧性断口形貌特征，表明此焊接条件可以获得具有较好冲击韧性的热影响区，所采用的焊接工艺较为合理；若试样相比于母材的冲击吸收功出现明显降低且试样的热影响区出现脆性断裂形式，表明此焊接条件下热影响区的冲击韧性恶化，所采用的焊接工艺参数不合理。

本发明基于冲击韧性快速筛选合理焊接工艺参数的方法，如果最后判定焊接工艺参数合理，则该单道次焊接工艺参数，可应用于该钢板的单道次焊接或多道次焊接。

本发明的基于冲击韧性快速筛选合理焊接工艺参数的方法，与现有技术相比，有益效果为：

(1)采用单道次平板焊接制备焊接热影响区，能够完整地呈现不同焊接工艺参数下热影响区的显微组织变化，热影响区的结构较为简单且在冲击试样断口表面的位置明确，可以针对性强地评价所采用焊接工艺下热影响区冲击韧性的变化。

(2)根据钢板厚度，可大范围地调节焊接工艺参数，便于检测不同工艺下焊接热影响区冲击韧性的恶化程度。

(3)钢板的前期处理简单，焊接工序少，操作便捷，节约成本，效率高，且焊接过程不受场地和环境的限制。

附图说明

图1本发明实施例中焊板截面示意图及其冲击式样取样位置；

图2本发明实施例中冲击试样不同焊接工艺下的载荷-时间曲线图；

图3本发明实施例中冲击试样不同焊接工艺下的断口宏观形貌的扫描电镜图片；其中，白色箭头所指为熔合线位置，(a)对应焊接工艺1，(b)对应焊接工艺2，(c)对应焊接工艺3。

具体实施实例

实施例

一种基于冲击韧性快速筛选合理焊接工艺参数的方法，具体包括如下步骤：

步骤1，Q690MPa高强钢板预处理：

分别准备3块尺寸为20mm×400mm×100mm的Q690MPa高强钢板，分别对Q690MPa高强钢板进行预处理，采用砂轮将钢板的一表面进行打磨，清除表面氧化铁皮和油污，使钢板表面平整；

步骤2，单道次焊接：

分别在Q690MPa高强钢板上的中部位置，采用埋弧焊进行单道次焊接，获得包含完整焊接热影响区的焊板，其中，3组单道次焊接的工艺参数为：焊接电流、焊接电压和焊接速度，热输入量＝焊接电压×焊接电流/焊接速度，具体参数见表1；

表1.单道次平板焊接的工艺参数

步骤3，制备冲击试样：

在焊板上，定义热影响区内最远离原钢板焊接表面的点，为热影响区的中心点，垂直于原钢板焊接平面且通过中心点的直线，为中心线；冲击试样为长方体，定义其最长的边为冲击试样的长；

分别在焊板上，截取符合国家标准GB/T 229的冲击试样，截面示意图及其冲击试样取样位置如图1所示，冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm，使冲击试样的长垂直于焊道方向，冲击试样的长平行于原Q690MPa高强钢板焊接平面且以中心线为长的对称线，中心线上的焊接热影响区位于冲击试样厚度方向的中间位置，热影响区位于冲击试样沿原钢板厚度方向的中间位置；在冲击试样上开V型或U型缺口，使V型或U型缺口穿过冲击试样的热影响区；

本实施例热影响区宽度为0.8～2.0mm，小于冲击试样厚度，冲击试样的取样位置应尽可能保证热影响区在Charpy V型缺口的中间位置(对冲击试样坯料进行简单粗磨，采用4％硝酸酒精腐蚀，即可清晰地观察到热影响区的尺寸和位置)；

为检测冲击韧性结果的离散性，每块焊板上制备五个冲击试样，这样对应3组单道次焊接的工艺参数共制备出15个试样；

步骤4，冲击试验：

采用落锤式冲击试验机检测冲击试样的冲击韧性，配备的载荷示波器可记录冲击过程中载荷-时间曲线，如图2所示，获得冲击试样的冲击吸收功，观察冲击试样的断口表面形貌特征，确定热影响区的冲击断裂行为；

步骤5，判断焊接工艺参数是否合理：

(a)冲击试样的冲击吸收功：

表2为冲击试样的冲击韧性值，Q690MPa高强钢板的冲击吸收功为196J；可见，对应焊接工艺1～3的焊板的冲击吸收功均大于Q690MPa高强钢板的冲击吸收功的一半；

表2.所有试样的冲击韧性结果

(b)热影响区的冲击断裂行为，根据断口宏观形貌来判断，如图3所示，可见，对应焊接工艺1的图3(a)为脆性断裂和韧性断裂同时发生，脆性断裂出现在回火区，对应焊接工艺2的图3(b)为韧性断裂，对应焊接工艺3的图3(c)为脆性断裂和韧性断裂同时发生，但以脆性断裂为主，脆性断裂出现在粗晶和细晶区；

由此可以判断，焊接工艺2，同时满足如下(a)和(b)条件，判断焊接工艺参数，即焊接电流、焊接电压和焊接速度合理，而焊接工艺1和焊接工艺3均不合理。

下面结合表和图，对筛选合理焊接工艺参数的过程加以说明和进一步证明：

由图2和表2并对比母材的冲击韧性值可知，热输入量为1.38kJ/mm时，可以获得近似于母材的冲击韧性，另外两组焊接工艺参数均不同程度地降低了焊接接头的冲击韧性。此外，可以发现本发明所获得的焊接接头冲击韧性值的离散度非常小。因此，对比后当焊接工艺参数的热输入量在1.38kJ/mm附近时，试验钢焊接热影响具有较高的冲击韧性；采用扫描电镜观察断口形貌特征，如图3所示，给出了三组不同焊接工艺下的断口宏观形貌。可以发现，当焊接工艺的热输入量为2.05kJ/mm时，热影响区出现明显的解理断裂区域，即脆性断裂形貌特征；当焊接工艺的热输入量为0.92kJ/mm时，尽管靠近熔合线的热影响区没有出现脆性断裂形貌特征，但在回火区出现明显解理断裂形貌；而当热输入量为1.38kJ/mm时，整个断口均呈现韧性断口形貌特征，验证此组工艺参数可以保证焊接热影响区具有较好冲击韧性。

为了进一步验证本发明的有效性，采用实际多道次埋弧焊接工艺制备实际焊接接头，采用如表1所示的焊接工艺参数，道次间温度均控制在120～150℃，检测实际焊接接头热影响区的冲击韧性，发现当热输入量在1.38kJ/mm附近，获得的冲击韧性较好，平均值为127J，而当焊接工艺的热输入量为2.05kJ/mm或更高时，冲击韧性明显下降(当热输入量为2.05kJ/mm时，平均值为43J；当热输入量为4.5kJ/mm时，热影响平均冲击韧性仅为27J)。因此，验证了本发明对筛选焊接工艺参数的有效性，进而保证了焊接热影响的冲击韧性。