低合金高强钢焊后冷裂纹磁记忆检测技术研究

陆卫军 李军 黄泽 陈琦琦 陈涛

摘要：针对焊接冷裂纹，利用磁记忆检测技术对焊缝冷却过程中的应力水平进行分析，通过对比焊接试样在不同焊缝高度、约束焊缝长度、焊条湿度条件下的磁记忆监测数据，分析相关影响规律，并得出焊接冷裂纹产生的定性判据。利用研究成果可对冷裂纹的发生进行预测，对保障设备焊接质量和安全使用具有重要意义。

Abstract： This paper is engaged in research about welding cold crack. Magnetic memory testing technology is used to detect and analyze the stress state of the weld during the cooling process. Comparing different welding test plate base material thickness， welded joint length， welding material drying degree， we get the different magnetic memory （ME） data of welding samples. The analysis of the test data shows that it is possible to use the ME method to monitor the welding cold crack of high strength steel， which is of great significance to guarantee the welding quality of the equipment.

关键词：低合金高强钢;冷裂纹;磁记忆

Key words： high strength steel;welding cold crack;magnetic memory

中图分类号：TG401                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）11-0123-03

0  引言

低合金高强钢是一种可焊接的低碳工程结构用钢，由于其焊接性能和使用性能较好，被大量应用于石油化工、机械工程、舰船制造等重要工业领域。然而高强钢由于在焊接冷却过程中，焊接接头易产生冷裂纹，冷裂纹敏感性随着钢材强度的增加而增大[1，2]。目前普遍采用无损探伤的方法检测延迟裂纹，但往往由于检测时机不合适，造成缺陷漏检。因此对低合金高强钢焊接接头延迟裂纹的萌发、扩展、开裂过程进行研究，分析该材料延迟裂纹敏感性的影响因素，建立一种焊接延迟裂纹实时监测方法，对丰富低合金高强钢焊接缺陷的检测方法和提高缺陷的检出率具有重要意义。

1  研究进展

焊缝中存在应力集中是焊接结构破坏的主要原因，由于应力的存在，高应力区前端的金属母材容易产生微裂纹，围观裂纹在应力的作用下，逐渐扩大、延伸、合并形成宏观可见的裂纹。在这个过程中，应力集中区的应力分布及其各处应力值是在变化中的，而这个变化过程中伴随着能量的释放，最终可以表现为磁记忆信号参数的变化。目前，国内外已研制出磁记忆检测仪器，并用于压力容器焊缝的日常无损检测中，有关利用磁记忆信号的变化进行无损检测的机理研究以及在用承压设备的缺陷探伤應用研究已经较多[3-5]，但针对冷裂纹开裂及扩展过程中磁记忆信号的变化特征研究很少。本文将利用磁记忆检测技术对焊缝焊后冷却过程中的应力水平进行检测分析，研究低合金高强钢焊后延迟裂纹产生过程中的磁记忆信号的变化规律。

2  判别理论

磁记忆检测方法中，通常通过对漏磁场强度梯度的大小进行测量，从而评估试件中待检测部位的应力集中程度。实际检测中，漏磁场强度梯度被定义为所测量的两个测点间漏磁场强度的法向分量HP（y）之差与这两个检测点间距的比值，如公式（1）所示。

公式（1）中漏磁场强度梯度K的大小代表了漏磁场强度的变化的快慢程度，也体现了该处应力集中的严重程度。为了便于计算分析，本文将焊缝表面漏磁场强度梯度的平均值Kmed作为研究对象，研究Kmed在焊接延迟裂纹萌生和扩展过程中的变化趋势。

式中Kmed为焊缝表面平均漏磁场强度梯度值;n为检测区采样点数[4]。

3  实验研究

选用SPV490Q钢进行焊接冷裂纹实验，采用磁记忆检测技术对冷裂纹形成过程进行监测，获取冷裂纹形成过程的磁记忆数据。

3.1 检测设备及试件制备

使用TSC-1M-4型磁记忆检测仪对低合金高强钢焊接试件的焊接接头进行磁记忆检测，如图1所示。采用位移编码器对长度进行记录。

3.2 材料化学成分及力学性能

选取SPV490Q钢制作斜Y型坡口焊接试件，表1给出了该材料的主要化学元素组成以及力学性能参数。

3.3 焊接试件结构参数

斜Y型坡口试件结构如图2所示，试件分组情况如表2所示。

4  数据分析

采用小波降噪的方法对磁记忆信号进行分析，图3给出了各焊接试件焊后漏磁场强度梯度值随时间的变化趋势。由图3可见，焊后不同时间K值分布不同，K值始终在变化，也即焊缝表面应力集中状态在不断变化。

4.1 焊后磁特性变化规律分析

为了分析焊接试件焊后磁特性的演化規律，以1#试件为例对照图4进行具体分析，在焊工对焊接试件施焊后19～20分钟左右时Kmed值出现最大值，随后逐渐降低。这表明，在冷却过程中，试件的应力状况在不断降低。尽管在焊后850min试件的Kmed值有小幅增大，但从整个焊后冷却过程来看，是不断减小的。该现象是由于焊后冷却初期，拘束应力较大，整体应力水平较高，随着不断冷却，焊接接头的熔合区内部开始萌生微裂纹，裂纹的形成释放能量，降低了焊接接头内部的应力集中。随着裂纹的扩展和延伸，试件中的应力集中得到了有效缓解，应力水平出现了进一步的降低。

4.2 不同焊接条件对斜Y型坡口焊接试件磁特性的影响

影响焊接试件焊后应力分布的主要因素有焊接试件母材厚度、焊接接头的长度、施焊焊条含氢量。由图3数据得出的不同试件在焊后20小时以内冷却过程中的Kmed值，如表3所示。

4.2.1 板厚与斜Y型坡口焊接试件磁特性的关系

1号、2号、3号焊接试件的母材厚度不同，由这三个试件的检测结果可以看出，随板厚增大Kmed值不断增大。

4.2.2 拘束焊缝长度对斜Y型坡口焊接试件磁特性的影响

1号、4号、5号焊接试件的焊接接头长度不同，由这三个试件的检测结果可以分析出，试件整体Kmed值随着试件两端拘束焊缝长度的减小而不断降低。

4.2.3 焊条湿度对斜Y型坡口焊接试件磁特性的影响

1号、6号焊接试件在施焊前，对焊条进行烘干处理的条件不同。由表3可知， Kmed1

5  结论

针对高强钢冷裂纹形成特性，本文在考虑多参数影响的基础上，设计了SPV490Q斜Y型坡口焊接试件的磁记忆测试试验，获取了不同焊缝厚度、约束长度、湿度下的焊后磁记忆数据。通过对磁记忆信号降噪处理和分析认为：①斜Y型坡口焊接试件磁记忆监测数据能有效反映冷裂纹演化过程的应力集中变化规律;平均漏磁场强度梯度值Kmed可表征试件整体应力水平的变化，如有突增的Kmed值，则说明试件焊后具有冷裂纹倾向;②随着焊缝厚度、拘束焊缝长度、焊条湿度的增加，试件平均漏磁场强度梯度值Kmed逐渐增大，冷裂纹敏感倾向逐渐增加。

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