15CrMoR试件焊接冷裂纹延迟特性的声发射实验研究*

周俊鹏 张盛瑀 戴 光 张 颖 高 文

(1. 东北石油大学机械科学与工程学院；2. 大庆油田工程建设公司；3. 长春特种设备检测研究院)

焊接冷裂纹的产生和扩展具有延迟特性，导致对其的监测与防止较复杂，并给产品的安全使用带来很大的危害，因此需要对造成冷裂纹延迟特性的影响因素进行分析研究，从而提出有效的改进措施和预防方法。

对于冷裂纹的产生与扩展的延迟现象，Troiano A R提出了氢的应力诱导扩散理论，即氢扩散与位错运动相互交替的延迟裂纹机理理论[1]。焊接冷裂纹是由淬硬组织、扩散氢和拘束应力共同作用产生的，在冷裂纹演变过程中有位错运动、相变及裂纹萌生与扩展等活动，并伴随着声发射现象。笔者采用声发射监测技术对不同焊接工艺条件下的小铁研试件进行焊后自然冷却过程的声发射监测实验，获取冷裂纹演变过程的声发射信号特性规律，确定焊接冷裂纹起裂和扩展过程的信号特征[2]。

1 焊接冷裂纹声发射监测机理

声发射是材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性应力波的现象[3]。声发射技术是一种有效的无损检测方法，可以实现实时在线监测，并已广泛应用于压力容器和管道的监测、焊接质量监测和设备安全评价领域。由于在焊接冷却过程中电弧的干扰已不存在，易于进行声发射监测，且金属材料的受力变形、相变、结晶凝固、位错运动及裂纹的产生与扩展等事件都伴随着能量释放，均会在焊件中产生声发射信号，因此可以通过分析接收到的声发射信号来监测焊接质量[4]。

焊接冷裂纹形成过程中产生了淬硬组织马氏体，形成了晶格缺陷或其他形态的微观缺陷，提高了该区的局部应力水平，在缺陷或缺口的前沿有一个相当高的三向应力梯度，诱使氢聚集或扩散到这些潜在的开裂位置附近。氢达到一定浓度时会阻碍位错运动，使局部区域脆化，在应力作用下缺陷扩展而形成微裂。冷裂纹从孕育、萌生、扩展至开裂，是由许多微裂纹汇聚而成的，微裂纹扩展过程是断续、间歇进行的[5]。这些过程中都会产生声发射信号，于是通过对焊接冷裂纹声发射监测获得的声发射信号进行分析，可以得知焊接裂纹产生和扩展过程的声发射信号特性。

2 15CrMoR试件焊接声发射监测实验方案

选用15CrMoR材料制备小铁研焊接试件(图1)，根据GB 4675.1-1984[6]采用手工电弧焊方式在两种不同的焊接工艺条件下(表1)进行焊接实验。采用美国PAC公司制造的SAMOS-32通道声发射监测仪进行监测，声发射采集系统设置模拟滤波频率范围20～400kHz，门槛为50dB，增益为40dB。具体焊接试件结构尺寸如图1所示，焊接工艺的制定见表1。

图1 焊接试件结构尺寸

试件编号焊接工艺条件1#焊接电压24V,焊接电流130A,150℃预热+200℃后热2h,焊条烘干2h2#焊接电压24V,焊接电流130A,无预热和后热,焊条未烘干

15CrMoR试件焊接声发射监测系统如图2所示，监测结束后需对试件进行渗透检测，验证其是否产生冷裂纹。采用光学显微镜和扫描电镜进行观察，获取有冷裂纹产生的试件的热影响区组织图和焊缝裂纹断口样貌图。

图2 焊接冷裂纹声发射监测实验系统

3 结果与分析

3.1焊接实验检测结果

按照不同的焊接工艺对1#和2#试件进行焊接声发射监测实验，获得声发射信号特征参量(撞击计数、幅值)历程图(图3、4)。监测结束后对试件进行渗透检测，发现1#试件无冷裂纹产生，2#试件有冷裂纹产生，且裂纹贯穿整个实验焊缝(图5)。

图3 1#试件声发射信号特征参量历程图

图4 2#试件声发射信号特征参量历程图

图5 焊接试件渗透检测结果

在确定2#试件焊后产生冷裂纹后，为进一步了解冷裂纹产生与扩展机理，在2#试件渗透检测结束后，利用扫描电镜和光学显微镜获取了2#试件的断口样貌和热影响区金相组织(图6、7)。从图6可以看出，试件断口图像为典型的脆性断裂特征，并分布着微裂纹。从图7可以看出，在试件的热影响区金相组织中存在淬硬组织片状马氏体。

图6 试件焊缝断口样貌

图7 试件热影响区金相组织

3.21#试件监测结果分析

1#试件焊接结束后通过电加热自动控温仪将温度升至200℃后开始保温，并开始采集声发射数据。由图3可知，整个监测过程中声发射信号数量较少且活性不高，信号的幅值也较低，无突增的高幅值声发射信号产生。依据上述声发射信号特征规律可判定整个监测过程中无冷裂纹产生，这与1#试件焊后的渗透检测结果一致。

1#试件监测过程可分为保温过程和冷却过程。0～7 200s内是保温过程，其声发射信号撞击个数相对冷却过程较多，信号的幅值也相对较高。这是由于焊接时空气中的水分进入试件内部形成了丰富的扩散氢。氢是造成冷裂纹延迟特征的主要因素之一，因此需要采取保温措施使这部分扩散氢充分释放。保温措施会减缓冷却过程，使焊缝和热影响区组织相变不会因过急冷却产生淬硬组织马氏体。但保温过程中仍然会发生相变及位错运动等活动，且在拘束应力作用下会产生形变，这些活动都会产生少量低强度的声发射信号。

冷却过程是7 200s后试件开始向室温冷却的过程，这期间声发射信号撞击个数更少，信号的幅值更低。这是由于经过保温过程扩散氢已完全释放，实验焊缝在拘束应力作用下发生变形等活动，这些活动会产生少量低幅值的声发射信号。

3.32#试件监测结果分析

2#试件焊后立即开始声发射监测，由图4可知，在焊后监测过程中出现了数量较多的声发射信号突增现象，且这些信号具有高幅值特征。依据上述声发射信号特征规律可以判定2#试件焊后产生了冷裂纹，并可以认定当出现高幅值声发射信号突增现象时，冷裂纹开始起裂和扩展。2#试件的声发射监测结果与渗透检测结果一致。

通过分析图4、6、7可知，试件在焊后0～t0时间内产生了较多的声发射信号，且其幅值较高。这是因为焊后冷却过程中由于未采取后热处理，冷却速度过快，产生了淬硬组织片状马氏体。马氏体相变过程中发生了片状切变型体积转变，并会伴生大量幅值较高的声发射信号。

t0～t1时间内产生了较少的低幅值声发射信号，这是由于此时温度下降较快，在应力的诱导下氢向形成的马氏体处扩散，并以过饱和状态残留在马氏体中，促使这一区域进一步脆化。在t1时刻突发大于90dB的高幅值声发射信号，这是由于此时试件内部的氢累积到一定浓度，在应力作用下马氏体会产生脆性微裂，据此可以判定此时冷裂纹起裂。

t1～t2时间内产生了数量较多的高幅值声发射信号，这是由于焊缝冷却不均匀，在焊缝不同位置产生了微裂纹，并在应力作用下微裂纹逐渐汇聚成一条宏观裂纹。

自t2到监测结束的时间内，声发射信号阵发性产生，且阵发的时间间隔逐渐加长，信号幅值整体呈逐渐减弱趋势。这是由于冷裂纹扩展过程(开裂、扩展、再开裂、再扩展)中释放的能量逐渐减弱，能量积累到裂纹扩展所需能量的时间逐渐加长，并存在某一时刻能量完全释放，裂纹停止扩展。

4 结论

4.1声发射技术可用于监测焊接冷裂纹的产生与扩展过程，预报其起裂时间。

4.2通过对2#试件的声发射监测信号特性规律进行分析，结合试件渗透检测结果、焊缝断口样貌和热影响区金相组织，可以得知冷裂纹的产生是由淬硬组织马氏体、扩散氢和拘束应力共同作用的结果，并验证了冷裂纹产生和扩展的延迟特性。

[1] Troiano A R.The Role of Hydrogen and Other Interstitials in the Mechanical Behavior of Metals[J].Trans mission ASM, 1960,52:54～80.

[2] 谢旭梦，段权.16Mn手工电弧焊焊接过程声发射信号特性研究[J].石油化工设备，2012，41(6):10～15.

[3] 韩双连，隋青美，姜明顺.声发射信号分析及其软件实现[J].化工自动化及仪表，2014，41(8)：930～934.

[4] 柏青，周灿丰，高辉，等.摩擦叠焊工艺中声发射技术的应用前景[J].新技术新工艺，2014，(7)：73～76.

[5] 李亚江.焊接缺陷分析与对策[M].北京：化学工业出版社，2011：208～209.

[6] GB 4675.1-1984，焊接性试验：斜Y型坡口焊接裂纹试验方法[S]. 北京：中国标准出版社，1984.