CN103586593A - 一种异种钢焊接冷裂敏感性预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及焊接冷裂纹敏感性测定技术领域，特别是涉及一种异种钢焊接冷裂敏感性预测方法，第一部分是通过系列试验测得两种钢材焊接时热影响区（HAZ）的硬度值，得到HAZ产生冷裂纹的硬度临界值Hmax （ cr ），然后通过正交试验，结合预热温度、焊接热输入、板厚等影响因素，得到HAZ的最高硬度Hmax预测公式。第二部分是通过此预测公式，将预热温度、焊接热输入、板厚等参数代入预测公式，得到此焊接工艺条件下HAZ最高硬度Hmax的预测值，而后对冷裂敏感性进行判断。本发明与现有技术相比，具有可对异种钢焊接冷裂敏感性进行预测的优点，且预测结果较为准确。通过该方法，可对异种钢焊接时焊接工艺的优化提供可靠的依据。

Description

一种异种钢焊接冷裂敏感性预测方法
技术领域
本发明涉及焊接冷裂纹敏感性预测技术领域，特别是涉及一种异种钢焊接冷裂敏感性预测方法。
背景技术
现有技术中，评定钢种冷裂纹倾向常采用焊接热影响区最高硬度测定、斜Y型坡口焊接裂纹试验、插销试验方法。但目前所有的技术大都是针对同种钢材的冷裂敏感性试验方法，国内尚无对异种钢焊接冷裂敏感性进行预测的有效的试验方法。而实际焊接生产中，常常会遇到异种钢的焊接出现冷裂纹，由于冷裂纹的存在对焊接构件的安全服役具有严重的威胁，可能会造成构件在使用过程中出现断裂等灾难性事故的发生。为了预防异种钢焊接接头中冷裂纹的产生，往往采用优化焊接工艺参数的方法。而优化焊接工艺参数的前提是对现有焊接工艺参数的合理性进行评价，检验该焊接条件下接头是否具有裂纹倾向。但现有技术中尚无对异种钢焊接冷裂纹敏感性进行评价的判据，因此对异种钢焊接接头的冷裂倾向进行判定较为困难。热影响区硬度是评价钢材冷裂纹敏感性的一个重要依据，组织的硬度越高，脆性越大，冷裂敏感性越高。因此对异种钢焊接接头热影响区的硬度进行预测，有利于评价焊接冷裂纹敏感性和整个焊接接头的可靠性。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种异种钢焊接热影响区最高硬度测定冷裂纹敏感性试验方法，能够实现对异种钢焊接冷裂敏感性的预测，通过该方法可对异种钢焊接工艺的优化提供可靠的依据。
本发明所采用的技术方案是：
1、试验部分
步骤一，通过焊接试验测定异种钢焊接HAZ产生冷裂纹的最高硬度临界值Hmax（cr）：
如图1两种钢材焊接时，金属一和金属二规格为40mm×120mm对接，板厚20mm（板厚小于20mm无需加工）。焊条可选与金属一或者金属二相匹配的焊条（高匹配或者低匹配焊条），也可选等级在金属一和金属二之间的焊条（中匹配焊条）。采用不同的焊接工艺参数焊接多组试样，试件焊后在静止的空气中自然冷却，且不进行任何热处理。焊后待冷却12h以上后取测量硬度的试样，在室温下，采用机械加工方法垂直切割焊缝的中部，然后在此断面上取硬度的测量试样，并且切割时必须边冷却边加工，以免焊接热影响区的硬度因断面温度的升高而降低。硬度测量试样的检测面经研磨后，再加以腐蚀。然后如图2所示，划一条既与熔合线底部相切，又平行于试板表面的直线，在此直线上每隔0.5mm进行室温下载荷为10kg的维氏硬度的测定，切点及其两侧各7个以上的点作为硬度的测定点。结合显微观察试样表面，将出现裂纹时的最高硬度值统计出来，则此一系列数值中的最小的Hmax即为产生冷裂纹的硬度临界值。
步骤二，通过正交试验得到HAZ最高硬度Hmax预测公式：
将HAZ最高硬度Hmax作为指标，预热温度T0、热输入E、板厚h作为试验因子，通过选取合适的水平进行焊接和热响区硬度测试，最后利用Matlab软件进行回归分析，最终得到HAZ最高硬度预测公式。
Hmax(cr)＝a0+a1X1+a2X2+a3X3+a4X12+a5X13+a6X23+a7X123
其中，Hmax（cr）——临界断裂最高硬度；X1——预热温度T0；X2——热输入E；X3——板厚h；X12——T0与E交互作用；X13——T0与h交互作用；X23——E与h交互作用；X123——T0、E、h三者交互作用；a0至a7——各项系数。
2、预测部分
基于上述试验部分推出的预测公式，可进行不同焊接工艺参数下的HAZ最高硬度的预测进而判断异种钢焊接时的冷裂倾向。只需根据给定的焊接工艺参数（预热温度T0、热输入E、板厚h），即可根据公式算出此焊接工艺条件下HAZ的最高硬度值Hmax，并将其与HAZ产生冷裂纹的硬度临界值Hmax（cr）作比较。若Hmax小于Hmax（cr），则此时的焊接工艺参数条件下不会出现焊接冷裂纹。若Hmax大于Hmax（cr），则表明冷裂敏感性较大，此焊接工艺条件下会产生冷裂纹，可知此时的焊接工艺参数并不合适。
附图说明
图1为本发明的焊接试验试样组装示意图。
图2为本发明的HAZ硬度测定图。
具体实施方式
以下具体实施例对本发明作具体的介绍。
本实施例中使用的焊接材料为：母材为X80与X70。
焊条：Pipeliner19P AWS A5.5-96
实心焊丝：ZH-100AWS A5.28ER100S
保护气体：80％Ar+20％CO2，热效率约为0.75。
使用的焊接设备为：
GMAW焊机：PANA-AUTO KRⅡ200NBC-2000TSMl
SMAW焊机：ZX7-400B(PE2-400)。
根据表1所述焊接工艺参数按照上述试验法对X80和X70钢焊接接头热影响区的最高硬度进行测量，结果见表1。
通过试验法得到X80管线钢HAZ产生冷裂纹的硬度临界值Hmax（cr）为HV=275，X70管线钢HAZ产生冷裂纹的硬度临界值Hmax（cr）为HV=245。
表1
Figure BDA0000405223330000041
根据表1的数据，进行多元回归，得出热输入E、预热温度T0与焊接HAZ最高硬度Hmax编码的因子方程，见式1、式2、式3、式4。
Hmax＝261.8-19.5X1-10X2+5.5X12X80系(SMAW)  式1
置信度：90%方差：9.83
Hmax＝259-30X1-8.5X2-1.5X12X80系(GMAW)  式2
置信度：99%方差：4.47
Hmax＝234.4-13X1-6X2-1.5X12X70系(SMAW)  式3
置信度：95%方差：4.02
Hmax＝257.2-28.5X1-10X2X70系(GMAW)  式4
置信度：90%方差：14.75
式中X1、X2、X12分别为热输入、预热温度和两者交互作用的编码因子。因此实施例中板厚一定，因此试验只考察预热温度T0和热输入E两个因子。
试验因子X1（热输入）、X2（预热温度）的增大，Hmax均减小，但X1（热输入）对Hmax的影响明显大于X2（预热温度）；这也就是说X1（热输入）是影响Hmax的主要因子。
由上述结果即可进行不同焊接工艺参数下的HAZ最高硬度的预测进而判断异种钢焊接时的冷裂倾向。只需根据给定的焊接工艺参数（预热温度T0、热输入E），即可根据公式算出此焊接工艺条件下HAZ的最高硬度值Hmax，并将其与HAZ产生冷裂纹的硬度临界值Hmax（cr）作比较。若Hmax小于Hmax（cr），则此时的焊接工艺参数条件下不会出现焊接冷裂纹。若Hmax大于Hmax（cr），则表明冷裂敏感性较大，此焊接工艺条件下会产生冷裂纹，可知此时的焊接工艺参数并不合适。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种异种钢焊接冷裂敏感性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，通过焊接试验测定异种钢焊接产生冷裂纹的HAZ最高硬度临界值Hmax （cr）：
金属一和金属二对接，焊条选用与金属一或者金属二相匹配的焊条，即高匹配或者低匹配焊条，或选用金属一和金属二之间的焊条，即中匹配焊条；采用不同的焊接工艺参数焊接多组试样，焊后在静止的空气中自然冷却；冷却至少12h后取测量硬度的试样，在室温下，采用机械加工方法垂直切割焊缝的中部，切割时边冷却边加工，然后在此断面上取硬度的测量试样；硬度测量试样的检测面经研磨后，再加以腐蚀，然后在既与熔合线底部相切，又平行于试板表面处画一条直线，在此直线上每隔0.5mm进行室温下载荷为10kg的维氏硬度的测定，切点及其两侧各7个以上的点作为硬度的测定点；结合显微观察试样表面，将出现裂纹时的最高硬度值统计出来，则此一系列数值中的最小的Hmax即为产生冷裂纹的硬度临界值；
步骤二，通过正交试验得到HAZ最高硬度Hmax预测公式：
将HAZ最高硬度Hmax作为指标，预热温度T0、热输入E、板厚h作为试验因子，通过选取合适的水平进行焊接和热响区硬度测试，最后利用Matlab软件进行回归分析，最终得到HAZ最高硬度预测公式：
Hmax(cr)＝a0+a1X1+a2X2+a3X3+a4X12+a5X13+a6X23+a7X123
其中，Hmax（cr）——临界断裂最高硬度；X1——预热温度T0；X2——热输入E；X3——板厚h；X12——T0与E交互作用；X13——T0与h交互作用；X23——E与h交互作用；X123——T0、E、h三者交互作用；a0至a7——各项系数；
步骤三，根据预测公式进行不同焊接工艺参数下的HAZ最高硬度的预测进而判断异种钢焊接时的冷裂倾向：
根据给定的焊接工艺参数预热温度T0、热输入E、板厚h，采用步骤二推出的预测公式算出此焊接工艺条件下HAZ的最高硬度值Hmax，并将其与HAZ产生冷裂纹的硬度临界值Hmax（cr）作比较，若Hmax小于Hmax（cr），则此时的焊接工艺参数条件下不会出现焊接冷裂纹，若Hmax大于Hmax（cr），则表明冷裂敏感性较大，此焊接工艺条件下会产生冷裂纹。
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