防护钢的焊接冷裂纹敏感性研究

（三一重工股份有限公司，湖南长沙410100）

防护钢的焊接冷裂纹敏感性研究

邓才智，陈 欣

（三一重工股份有限公司，湖南长沙410100）

通过冷裂纹敏感指数计算、焊缝接头硬度试验和斜Y型坡口试验，分析防护钢板的焊接冷裂纹敏感性。结果表明，防护钢板冷裂纹敏感指数Pcm=0.329%，不产生冷裂纹的预热温度为172℃。在常温和预热172℃条件下，热影响区的最高硬度分别为475 HV和310 HV；斜Y型坡口试验在室温条件下焊接时，焊缝表面裂纹率为0，平均断面裂纹率为10.5%，在172℃预热条件下焊接时，焊缝表面和断面裂纹率均为0。

防护钢板；预热；焊接冷裂纹敏感性

0 前言

防护钢板具有高强高硬的特点，主要应用于防护车辆结构件。防护钢一般属于低合金钢，母材容易淬硬，在未采用预热保温以及缓冷等措施下焊接，冷却速度较快，热影响区容易产生马氏体组织。马氏体硬而脆，当焊缝接头氢含量较高以及焊接应力较大时，容易产生冷裂纹。根据产品的结构特点和实际工况，焊缝正面不承受较大的冲击力，其主要功能是保证母材受到冲击后仍然能保持可靠的连接，因此要求焊缝接头具有较高的焊接强度和冲击韧性[1]。张元杰等人[2]以及张录鹤[3]分别通过焊接热模拟试验、斜Y型坡口试验等方法研究了Q890、700 MPa低合金高强钢的抗冷裂纹敏感性，但是国内针对1 000 MPa以上的低合金高强钢研究甚少。为了有效评价这种超高强度防护钢板的焊接可行性，通过冷裂纹敏感指数计算、热影响区最高硬度和斜Y型坡口试验，分析防护钢板焊接热影响区的冷裂纹敏感性。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验采用厚度为8 mm的防护钢，母材化学成分和力学性能如表1、表2所示。

1.2 试验方法

1.2.1 斜Y型坡口试验

试验按照GB4975.1规定进行[4]。采用MAG焊，保护气体为 φ（Ar）98%+φ（O2）2%，采用直流反接，焊接电流为200±10 A，电弧电压为26±2 V，焊接速度为300 mm/min，热输入量小于等于1.2 kJ/mm。采用瑞典ESAB公司研制的实心焊丝OK16.95，其化学成分及熔敷金属的力学性能如表3、表4所示。试验分两部分进行，即室温下施焊和预热条件下施焊。预热温度根据理论结果计算。

表1 防护钢板的化学成分%

表2 防护钢板的力学性能

表3 实心焊丝OK 16.95的化学成分%

表4 熔敷金属的力学性能

1.2.2 焊缝接头硬度试验

按照GB/T 27552规定取样，对横截面经粗磨、抛光后，使用4%的硝酸酒精腐蚀，并用Olympus金相显微镜观察热影响区附近的金相组织，然后用Wilson显微硬度计测试焊缝区、热影响区和母材附近的硬度，每隔0.5 mm进行取样。

1.2.3 冷裂纹敏感指数

一般认为，单纯以合金元素含量来评定钢的冷裂纹敏感性是片面的，必须加入板厚、扩散氢、拘束度等因素。贾坤宁等人[5]指出，当钢板化学成分冷裂纹敏感系数Pcm≤0.2%时，防止冷裂纹的预热温度可以不超过50℃。若考虑焊缝金属中扩散氢含量和不同板厚的影响，在Pcm指数的基础上进一步得到Pc指数。根据Pc可计算不产生冷裂纹的预热温度To

式中 Pcm为钢的化学成分冷裂纹敏感指数；Pc为焊接冷裂纹敏感指数（单位：%）；[H]为焊丝焊缝扩散氢含量（单位：ml/100g）；t为钢板厚度（单位：mm）；To为防止产生焊接冷裂纹的预热温度（单位：℃）。

2 试验结果及分析

2.1 冷裂纹敏感指数

根据防护钢的化学成分，计算结果如表5所示。

表5 Pcm、Pc和焊前预热温度To

结果表明，防护钢板的Pcm为0.329%，大于0.2%，具有一定的冷裂纹敏感性，在焊接过程中需要进行预热处理，并尽量采用能够形成低氢焊缝的焊接材料和工艺方法，以降低钢板的焊接冷裂纹倾向。表5中To计算出的温度是以斜Y坡口对接裂纹试验结果为依据，其他接头形式只作参考，不能直接套用。

2.2 斜Y型坡口试验结果

试板焊接完毕48 h后，检测焊缝表面裂纹。首先用肉眼观察焊缝表面，第一组和第二组焊缝根部均没有发现裂纹。然后采用着色渗透法分别检测焊缝表面，没有发现裂纹。结果表明：在室温条件下焊接时，焊缝表面裂纹率为0，平均断面裂纹率为10.5%；在172℃预热条件下焊接时，焊缝表面及断面裂纹率均为0，具体如表6所示。断面的金相组织如图1所示。

表6 斜Y型坡口焊接裂纹试验结果

2.3 焊缝接头硬度试验结果

焊接接头的硬度分布曲线如图2所示。由图2可知，在室温条件下，焊缝热影响区接头的硬度梯度曲线大致呈现以焊缝中心线对称分布。接头硬度值约为200～475 HV，焊缝中心的硬度最低，随着与焊缝中心距离的增加，硬度明显上升。但在热影响区距焊缝中心约6 mm处出现硬度最低值。而经过预热处理后，热影响区的峰值硬度下降为310 HV，并出现软化，HAZ宽度增加。证明在适当的预热温度下可以进一步降低焊接冷裂纹敏感性。

图1 不同预热温度下斜Y型坡口焊接裂纹试样断面形貌

图2 焊接接头的硬度分布曲线

冷裂纹的产生主要取决于三个因素：热影响区组织、扩散氢含量和接头的拘束应力。氢是焊接冷裂纹产生的主要因素之一，而氢的扩散和聚集需要一定时间，因此冷裂纹的产生具有一定的延迟性。在预热条件下焊接时，焊接接头冷却速度减慢，可以有效避免淬硬组织的出现。预热温度越高，接头冷却速度越缓慢，可供扩散氢逸出的时间越长，导致热影响区的扩散氢含量就越低。同时，预热还能进一步降低接头的残余应力，从而避免焊缝冷裂纹出现[6]。

过热区的金相组织如图3所示，在未预热的条件下，过热区的金相组织为板条状马氏体。而经过172℃预热，过热区的金相组织为上贝氏体和少量的针状、块状铁素体。这表明预热处理后，过热区组织中发生了过冷奥氏体向贝氏体的转化过程。

3 结论

（1）防护钢板的冷裂纹敏感指数为Pcm=0.329%，具有一定的冷裂纹倾向，不产生冷裂纹的理论预热温度为172℃。

（2）在室温条件下焊接时，焊缝表面裂纹率为0，平均断面裂纹率为10.5%，在172℃预热条件下焊接时，焊缝表面和断面裂纹率均为0。

（3）经过172℃焊前预热后，焊缝热影响区的最高硬度明显下降，冷裂倾向减小。

预热极大降低了防护钢板的冷裂纹倾向性。焊后不需要热处理，具有较低的焊接冷裂纹敏感性。

图3 过热区的金相组织

[1]谭俊，张勇.装甲钢焊接技术研究进展[J].兵工学报，2013，34（1）：115-117.

[2]张元杰，彭云，马成勇，等.Q890高强钢焊接淬硬倾向和冷裂纹敏感性[J].焊接学报，2013，34（6）：53-56.

[3]张录鹤.屈服强度700 MPa级低合金高强钢的焊接冷裂纹敏感性[J].新乡学院学报，2013，30（4）：299-301.

[4]GB4975.1-1984.焊接性试验斜Y型坡口焊接裂纹试验方法[S].

[5]贾坤宁，王海东，姜秋月.高强度桥梁钢焊接冷裂纹敏感性研究[J].电焊机，2012，42（2）：23-25.

[6]蒋庆梅，陈礼清，许云波，等.一种微合金高强钢焊接冷裂纹敏感性[J].中国科技论文在线，2011，6（2）：103-108.

Study on weld cold cracking sensitivity of protective steel

DENG Caizhi，CHEN Xin
（Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha 410100，China）

Theweldcoldcrackingsensitivityofprotectivesteelwasstudiedthroughthecoldcrackingsensitivityindexcalculations，hardness test of heat affected zone（HAZ）and oblique Y-groove cracking test.The results indicate that cold cracking sensitivity index Pcmof steel is 0.329%，preheat temperature that avoid cold crack is 172 ℃；the maximum hardness of heat affected zone at ambient and preheating temperature are respectively 475HV and 310HV；oblique Y-groove test shows that the weld surface crack is 0，the average rate in the crack section is 10.5%at ambient temperature，the surface of welding and section of the crack rates are 0 at 172 ℃.

protective steel；preheating；weld cold cracking sensitivity

TG457.11

A

1001-2303（2017）09-0075-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.15

本文参考文献引用格式：邓才智，陈欣.防护钢的焊接冷裂纹敏感性研究[J].电焊机，2017，47（09）：75-77+84.

2016-12-12；

2017-01-04

邓才智（1982—），男，湖南邵阳人，工程师，硕士，主要从事结构件焊接工艺的研究工作。E-mail：cai12.zhi15@163.com。