10CrNi3MoV船用钢板表面缺陷补焊工艺研究

张友鹏，赵刚，周洪庆，刘璇，李大航，朱义轩

（海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山114009）

10CrNi3MoV钢采用Ni-Cr-Mo-V系合金成分设计，具有较高的强度，良好的低温韧性以及较优异的焊接性能。 而含 Ni、Cr钢板表面形成的氧化铁皮很难去除干净，在轧制生产过程中钢板表面容易产生大小不一的压痕缺陷，降低了钢板的力学性能。为满足应用条件，必须进行焊接返修予以清除。因此，本文通过专用焊丝对缺陷位置进行补焊，综合评定了补焊工艺的可行性，解决了10CrNi3MoV船用钢板的此类表面压痕缺陷问题。

1 试验材料与方法

试验采用工业生产的调质态10CrNi3MoV船用钢板作为母材，截取尺寸为25 mm×200 mm×600 mm，钻取如图1所示的25个Φ10 mm、深1 mm的平底小孔模拟表面压痕，钻孔后进行手工补焊。在超声波探伤和磁粉探伤后，在图示位置截取试样进行试验。加工横向Φ10 mm圆拉试样，按照GBT 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》标准进行拉伸试验；加工25 mm×30 mm×280 mm正反弯曲试样，按照GBT 232-2010《金属材料弯曲试验方法》进行冷弯试验；取熔敷金属、HAZ及母材等不同位置的10 mm×10 mm×55 mm横向冲击试样，按照GBT 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，进行低温冲击试验，冲击温度为-20℃、-84℃。金相试样采用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，在型号为DMI 5000M的光学显微镜上进行观察。利用QUANTA 400型扫描电镜观察冲击样的断口形貌。

图1 钻孔及力学性能取样位置Fig.1 Boreholes and Sampling Locations for Mechanical Properties

1.1 焊接方式

采用钨极氩弧焊的焊接方法，其焊接电弧稳定性好，焊缝成形优于其它弧焊方法，适用于10CrNi3MoV船用钢板的表面压痕类缺陷的补焊。

1.2 焊接材料

基于等强或低强匹配原则及化学成分相近原则，选择与10CrNi3MoV船用钢板等强或低强匹配的焊接材料，尽量降低碳、硫及磷的含量。对于焊后不再进行调质处理的10CrNi3MoV船用钢板，焊材的含镍量应低于2.5%。另外，加入微量的钛元素，可以利用第二相粒子钉扎奥氏体晶界，起到细化晶粒的作用。设计的焊丝化学成分如表1所示。

表1 焊丝化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Composition of Welding Wire（Mass Fraction） %

1.3 焊接工艺条件

试验选用Φ2.0 mm焊丝，采用机械方式去除焊丝及待补焊部位内外30 mm范围内的油污、氧化膜及锈迹等。试验采用松下YC-500WX4型钨极氩弧焊设备进行手工焊接。补焊时，采用直流正接方式焊接，焊接一次成型，中间不断弧，一次收弧完成。保护气体采用99.99%的氩气。具体补焊工艺参数如表2所示。

表2 补焊工艺参数Table 2 Process Parameters for Repair Welding

2 试验结果与分析

2.1 超声波探伤试验

补焊部位经表面修磨后，对其进行超声波探伤。探伤时采用USN-60超声波探伤仪，探头频率为4 MHz，超声波探伤波形如图2所示。探伤结果表明，补焊部位内部无缺陷，但补焊位置底波存在衰减情况，这与超声波在补焊材料和基体的界面传播过程中能量损失有关。

图2 超声波探伤波形Fig.2 Waveforms in Ultrasonic Detecting

2.2 磁粉探伤试验

采用MP-A-2L磁粉探伤仪对试验钢板进行磁粉探伤，磁粉种类为黑水磁悬液，试片型号为A1 30/100，磁化方式为磁轭，磁化时间为 1～3 s，提升力＞45 N，执行标准为NB/T 47013.4-2015。探伤未发现可见磁痕，表明补焊部位表面和近表面无缺陷。

2.3 拉伸性能检验

表3为10CrNi3MoV拉伸性能对比数据。焊接部位的屈服强度、抗拉强度、延伸率以及断面收缩率与母材性能相当，可见补焊对拉伸性能无影响，补焊后的拉伸试样断口位置都在母材上。表明补焊钢板各部位具有良好的强韧性。

表3 10CrNi3MoV拉伸性能对比数据Table 3 Correlation Data of Tensile Properties of 10CrNi3MoV Steel

2.4 冷弯性能检验

表4为冷弯性能数据。补焊试样正弯、反弯试验弯曲部分120°没有裂纹，180°不断，试样结果全部合格，试样受拉面熔敷金属、熔合线及HAZ处均无裂纹和其他缺陷。冷弯检验结果可以看出，以熔敷金属为中心的试样完好，致密性优良。

表4 冷弯性能数据Table 4 Data of Property by Cold Bending

2.5 低温冲击性能检验

10CrNi3MoV钢是低合金高强钢，这类钢随着温度的降低，韧性逐渐变差。因此有必要对其低温韧性进行研究。表5为低温冲击性能，标准规定的-20℃冲击功为80 J，断口纤维率为100%，而在熔敷金属为中心的冲击试样上出现冲击最低值165 J，对应的断口纤维率为100%，远高于标准规定值。标准规定的-84℃冲击功为47 J，断口纤维率为50%，而在熔敷金属为中心的冲击试样上出现冲击功最低值136 J，对应的断口纤维率为80%，依然远高于标准规定值。从补焊试验的-20℃、-84℃冲击功性能可以看出，补焊位置的低温冲击性能均远高于标准要求，且基本与母材相当。表明补焊部位具有良好的低温冲击韧性。

表5 低温冲击性能Table 5 Low Temperature Impact Property

2.6 金相组织

对冲击试验后的试样进行修磨，金相组织如图3所示。由于10CrNi3MoV基体中掺入的Cr、Ni、Mo、V等多种合金元素，提高了钢的淬透性，保证了淬火后马氏体的回火稳定性，并推迟了高、中温区的珠光体和贝氏体转变。 从图 3（a）可以看出试验钢母材为典型的回火马氏体组织；图3（b）是用苦味酸酒精腐蚀出的原奥氏体晶粒，可以看到晶粒细小，约为8.0级。由于熔敷金属中心处高温停留时间较长，冷却速度低，过冷奥氏体转变为铁素体和贝氏体组织，如图3（c）所示，熔敷金属金相组织为块状铁素体+针状铁素体+粒状贝氏体。由于补焊时采用了180 A的较大电流，HAZ冷却速度较低，避免了魏氏组织的出现，如图3（d）所示，HAZ金相组织为粒状贝氏体。补焊部位的金相组织同母材相比，熔敷金属、HAZ没有出现晶粒明显粗大的情况，也没有出现恶化性能的魏氏组织，金相组织均匀、致密，说明采用的补焊工艺措施是适宜的。

图3 金相组织Fig.3 Metallographic Structures

2.7 断口形貌

进一步对冲击断口试样进行SEM扫描，冲击断口形貌见图4。从图4（a）可以看出，试验钢母材的断口上布满了大量的等轴韧窝，显示典型的韧断形貌；从图 4（b～c）可以看出，熔敷金属、HAZ 的断口形貌均为准解理+韧窝断口。此外，熔敷金属处于冲击断口的SEM形貌见图4（d～e），可以看出在近表面位置，约0.5 mm深度内分布一些柱状晶组织，受其影响，纤维区产生了侧移。

图4 冲击断口形貌Fig.4 Appearance of Impact Fracture

由此可以推断，熔敷金属处的铸态组织形貌是造成该部位低温冲击性能较低的原因。总体而言，从断口形貌以及断裂形式看，试验钢母材、熔敷金属以及HAZ部位均具备良好的低温冲击性能。

3 结论

（1）10CrNi3MoV钢板补焊位置在焊接工艺条件下经探伤无缺陷。实验室开展系列实验表明，补焊钢板具有优异的拉伸性能，且拉伸试样断口均位于母材；正、反弯后试样受拉面熔敷金属、熔合线及HAZ处均无裂纹和其他缺陷；补焊部位的-20℃低温冲击功≥165 J、-84℃低温冲击功≥136 J，具有较高的韧性，与母材基本相当。补焊钢板的焊接各部位具有良好的低温韧性和高的强塑性匹配。

（2）通过钨极氩弧焊的方式并设计采用专用焊丝对10CrNi3MoV船用钢板进行补焊的工艺，用于解决表面压痕缺陷问题是完全可行的。同时该工艺易于实施的特点，对于Ni-Cr-Mo-V系等高附加值产品较为适用。