ASTM4130钢焊接冷裂纹敏感性分析*

张三艳,李立英

（1.海洋石油工程股份有限公司，山东 青岛 266520；2.中国石油大学（华东）机电工程学院,山东 青岛 266580）

0 前 言

ASTM4130钢属于Cr-Mo系中碳调质钢，具有较高的强度、硬度以及良好的塑性及韧性。早在第二次世界大战期间就用来制造飞机某些构件，后来广泛应用于油气生产装备，如油管、钻井防喷器、半潜式钻井平台高压管线等。但其碳当量CEIIW高达0.73%，故焊接性较差。一般情况下中碳调质钢都是在正火或退火状态下焊接，焊后再进行整体调质，这是焊接调质钢的一种比较合理的工艺方案。但是有时必须在调质态下焊接，焊后又无法进行调质处理，存在焊缝脆化以及热影响区脆化和软化问题。焊条电弧焊具有操作简单，灵活方便等优点，因此，本研究以插销试验为研究手段，通过组织及断口分析，探索ASTM4130钢焊条电弧焊焊接接头冷裂纹敏感性，为其焊接工艺的制定提供理论和实验依据。

1 试验材料及方法

试验材料为进口准141.3 mm×30 mm调质态ASTM4130钢管，其化学成分见表1。

表1 ASTM4130钢的化学成分 %

插销试棒从钢管上截取，其长度方向与管材轴向平行，采用螺形缺口，直径为6.0 mm。采用的焊条为AWS A5.5 E11018-M，准3.2 mm，其化学成分见表2。

表2 焊条AWS A5.5 E11018-M的化学成分 %

试验底板为30CrMo钢，厚度为30 mm。参照GB 9446—1988《焊接用插销冷裂纹试验方法》规定进行焊接，焊接热输入≤1.5 kJ/mm。插销试验参数包括不预热、预热100℃、预热200℃三种。采用扫描电镜分析插销断口形貌，用维氏硬度计测试粗晶区硬度，光学显微镜观察粗晶区组织特征。

2 试验结果与分析

2.1 临界断裂应力

插销试验结果见表3。试验条件相同情况下，拘束力越大，插销试棒保持不断裂的时间越短；反之，断裂时间明显延长。以持续20 h不断裂的应力作为临界断裂应力，不预热、预热100℃和200℃的临界断裂应力分别为344.46 MPa，642.55 MPa和806.11 MPa。根据断裂准则，σcr≥σs能避免冷裂。ASTM4130钢的σs为785 MPa。因此，实际焊接时，预热温度200℃可以避免ASTM4130钢管焊接冷裂纹的产生。

表3 插销试验结果

2.2 HAZ组织和硬度

图1 插销试棒粗晶区的显微组织

由表3可知，断裂位置大部分位于粗晶区，故本研究对粗晶区的组织和硬度进行了分析。粗晶区的显微组织如图1所示，由图可知，粗晶区组织主要为马氏体和贝氏体，但两者的相对含量以及贝氏体形态存在差异。不预热时马氏体含量多，贝氏体含量少且大部分呈针状平行排列；随预热温度升高，马氏体含量减少，贝氏体含量增加，且羽毛状上贝氏体增加明显，板条的长度变长，宽度增加。这是因为随着预热温度的升高，高温停留时间延长，冷却速度减慢，且ASTM4130钢的贝氏体转变温度范围较宽。不预热、预热100℃和预热200℃时，粗晶区硬度分别为547.3 HV10，529.0 HV10和 370.5 HV10。

2.3 断口分析

临界断裂应力时的断口形貌如图2所示。根据断口宏观特征，分为启裂区、裂纹扩展区和终断区三部分，分别见图2(a)、图2(b)和图2(c)中的标注1，2和3。根据断口显微特征，启裂区和扩展区为脆断区，终断区为延性断裂区。各区断口特征见表4。

图2 插销试棒临界断裂应力时的断口形貌

表4 插销试棒临界断口特征

不预热和预热100℃时断口相似。从宏观上看(见图2(a)和图2(b))，断口平齐，启裂区有多个裂纹源，裂纹起源于螺形缺口的底部，断裂位置为粗晶区；裂纹扩展区存在呈金属光泽的结晶状小平面，为典型的脆性断口。从微观上看，不预热时(见图2(d))裂纹扩展区有沿晶开裂特征，且具有二次裂纹，为典型的冰糖状沿晶脆性断裂(IG)。预热100℃时(见图2(e))裂纹扩展区为兼有河流花样的准解理 (QC)和IG断裂，与不预热相比，裂纹扩展区的晶粒表面有少量的微观塑性变形。由图2(c)可知，预热200℃时启裂区位于螺形缺口的底部，断裂位置为母材，断口表面为暗灰色，呈杯锥状。从微观上看(见图2(f))，扩展区较窄，韧窝较深且严重变形，为典型的韧窝断裂。

2.4 冷裂分析

冷裂纹的产生与淬硬组织、拘束应力与氢的扩散聚集行为密切相关。试验过程中采用了低氢焊材，扩散氢含量均在超低氢范围内。但对于淬硬倾向较大的ASTM4130中碳调质钢焊接，冷裂倾向仍然较大。不预热时，裂纹扩展区为典型的冰糖状脆性IG断口；预热温度100℃时，为棱角分明的IG和QC混合断口。由此可知，不预热和预热100℃时为氢致延迟脆性断裂，而预热200℃时，为延性断裂。

冷裂纹开裂过程如图3所示，焊接冷却过程中，焊缝含碳量低，奥氏体首先发生转变，焊缝中的氢扩散至熔合区和粗晶区；裂纹启裂时，粗晶区中氢浓度较高，导致裂纹尖端的应力场强度因子降低，同时滑移变形向晶界集中，氢在晶界富集，造成晶界脆化，微裂纹优先在晶界处形核，沿晶界扩展；在裂纹扩展过程中，扩散氢的平均浓度和裂纹尖端的应力场强度因子有所降低，但由于ASTM4130钢生成了对氢脆敏感性较大的马氏体和贝氏体，扩展区仍为IG断裂；当裂纹扩展到一定阶段后出现失稳扩展，氢来不及聚集到裂纹尖端，且该区组织氢脆敏感性小，故终断区出现较多韧窝。

图3 冷裂纹开裂过程示意图

组织硬度影响断口形貌。不预热时，组织中含有较多的马氏体，启裂区和扩展区为典型的IG断裂；预热100℃时，贝氏体含量增加，启裂区和扩展区均为IG和QC混合断裂。

3 结 论

（1）ASTM4130钢冷裂纹敏感性大。不预热、预热100℃和预热200℃的临界断裂应力分别为 344.46 MPa，642.55 MPa和 806.11 MPa。预热200℃能避免冷裂纹产生。

（2）ASTM4130钢冷裂纹敏感性与粗晶区的组织密切相关。不预热时马氏体含量多，贝氏体含量少，且呈针状形态平行排列；随预热温度升高，马氏体含量减少，贝氏体含量增加，且羽毛状上贝氏体增加明显，板条的长度变长，宽度增加。

（3）不预热时，裂纹扩展区为沿晶脆性断裂；预热100℃时，裂纹扩展区为沿晶+准解理混合断裂；预热温度为200℃时，裂纹扩展区为韧窝断裂。

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