CN104713760A - 焊接横向裂纹敏感性评价用带横向通槽试件及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带横向通槽试件及利用这种带横向通槽试件对不同焊材进行焊接横向裂纹敏感性评价的方法，该试件为纵向开有焊接坡口，沿焊接坡口中部垂直开有横向通槽的一对试板。该评价方法为使用待评价焊材将一对试板的焊接坡口首先进行定位焊，然后分别进行两道焊接，冷却后观察并记录试板表面裂纹情况，最后沿横向通槽将试板砸断，观察并记录断面裂纹情况；逐步增加试板长度并重复上述步骤直至出现裂纹，并将出现裂纹的长度定义为该焊材的临界焊缝长度；改变待评价的焊接材料，重复上述步骤得到其临界焊缝长度；比对不同焊材的临界焊缝长度，越长则表明其抗裂纹性能越好。该方法操作简单，拘束度可调节，能实现多种焊材质量优劣评定。

Description

焊接横向裂纹敏感性评价用带横向通槽试件及评价方法

技术领域

本发明涉及焊接裂纹敏感性评价领域，特别是涉及一种焊接横向裂纹敏感性评价用带横向通槽试件及评价方法。

背景技术

近年来，随着海洋工程不断向深海发展，如导管架、钻井平台等海洋工程结构物的体积越来越大，其采用的板厚越来越大，焊接拘束度也越来越大，同时，为了提高焊接效率，大量采用大规范的多丝埋弧焊工艺施焊，致使近几年在我国多个海洋工程项目施工过程中，发现有大量厚板纵、环缝和K/T/Y管节点相贯线焊缝的横向裂纹，尤其是深水导管架建造过程横向裂纹大量出现，对项目的进度和安全性产生极为不利的影响，也引起了业主的深切关注。

传统焊接理论认为焊接冷裂纹的产生有三大影响因素，即扩散氢含量，淬硬组织和残余应力。大量的工程案例分析表明，横向裂纹大多属于焊接冷裂纹，而除了上述三大因素外，焊缝夹杂物也是一个不可忽视的因素，总之，影响横向裂纹的因素很多，影响机理也很复杂。一般的裂纹敏感性测试方法都是通过控制试样的拘束度在焊缝中产生出一个较大的残余应力，通过测量焊缝在该应力下是否发生开裂来评价其裂纹敏感性的。从残余应力的角度来讲，影响横向裂纹的主要是平行于焊缝的纵向残余应力σ_x。G-BOP实验是专门评价横向裂纹敏感性的实验方法。但是该方法有其自身的局限性，首先其拘束度固定不可调整，对于多种焊材进行评定时，如果都不出现裂纹，则无法评定哪种焊材更好。其次，这种方法只能用作焊材的评价，对于预热和焊接电流电压等工艺参数对裂纹敏感性的影响无法评价。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种带横向通槽试件及利用这种带横向通槽试件进行焊接横向裂纹敏感性评价的方法，该方法操作简单，焊缝的纵向应力可通过改变带横向通槽试件的长度进行调节，可实现多种焊材质量优劣的评定。

为此，本发明的技术方案如下：

一种焊接横向裂纹敏感性评价用带横向通槽试件，所述带横向通槽试件由两块材料、尺寸相同的试板组成；每块试板的长度为L1，宽度为W，厚度为d，所述试板沿长度方向的边开有焊接坡口，且各试板的焊接坡口的中间位置垂直开有一个横向通槽，所述横向通槽的长度为L2，宽度为δ；0.9W≥L2≥0.1W，2.0mm≥δ≥0.1mm。

如上所述焊接横向裂纹敏感性评价用带横向通槽试件，其特征在于：所述焊接坡口为U形坡口或V形坡口。该试件的材料根据被评价的焊材种类并参照共知的焊接常识来选定。

利用如上所述带横向通槽试件进行焊接横向裂纹敏感性评价的方法，包含如下步骤：

1)加工多个长度不等的如权利要求1所述的带横向通槽试件，各试件上横向通槽长度一致；选取长度最短的带横向通槽试件作为待测试件开始进行试验；

2)将所述待测试件去除其焊接坡口和横向通槽的油污后，将其两块试板的焊接坡口对在一起，使用第一种待评定的焊材进行定位焊；

3)使用第一种待评定的焊材在所述焊接坡口内进行第一道焊缝的焊接，完成后冷却至室温，目测观察并记录第一道焊缝在横向通槽处的表面裂纹情况；

4)使用第一种待评定的焊材在所述焊接坡口内进行第二道焊缝的焊接，完成后冷却至室温，目测观察并记录第二道焊缝在横向通槽处的表面裂纹情况；

5)将焊完两道焊缝的待测试板沿所述横向通槽处砸断，目测观察并记录焊缝在横向通槽处的断面裂纹情况；

6)若步骤3)～5)均未发现裂纹，则取长度次长的带横向通槽试件作为待测试件，重复步骤2)～5)，直至步骤3)～5)中任意一步或任意几步发现裂纹为止，记录出现裂纹时对应带横向通槽试件的长度，即为该焊材的临界焊缝长度；

7)同步骤1)准备另一组长度不等的带横向通槽试件，将步骤2)～4)中焊接使用的焊材替换为第二种待评定焊材，重复步骤2)～6)，得到第二种待评定焊材的临界焊缝长度；临界焊缝长度越长表明这种焊材的抗裂纹性能越好。

步骤7)还可选取多种焊材分别重复步骤1)～6)，对其抗裂纹敏感性进行比较评价，得到各种焊材的临界焊缝长度，临界焊缝长度越长表明这种焊材的抗裂纹性能越好。

该焊接横向裂纹敏感性评价方法具有以下优点：

a)不需其他夹具，操作方便，不像G-BOP试验为防止角变形而需专用的夹具对试件进行固定；

b)可用于两种或者多种焊材抗横向裂纹性能的差异比较并给出定量的结果，即临界焊缝长度作为度量标准，成功的解决了G-BOP试验对焊后都不出现裂纹时无法比较焊材优劣性的不足；

c)本方法不仅可以用于评价焊材的抗横向裂纹的敏感性，还可以用于比较不同焊接工艺参数，如预热温度、焊接速度、焊接电流等不同时的裂纹敏感性的差异，从而找出抗裂性最优的焊接工艺参数。

附图说明

图1为本发明带横向通槽试件的结构图；图中，1-第一块试板，2-第二块试板，3-横向通槽，4-焊接坡口。

具体实施方式

本发明设计的一种带横向通槽的试件结构，并以这种新的试件为基础，提出一种新的用于评价焊接横向裂纹敏感性的测试方法。该试件结构可以在焊缝中产生一个足够大而且大小可调的纵向残余应力，通过调整试件长度进而调整纵向应力的大小保证总能发生开裂，从而解决了G-BOP试验中拘束度固定从而导致多种焊材不开裂时无法评定其优劣的问题。其原理如下：一方面开取横向通槽后，会使焊缝金属与母材在通槽处分割开来，使得此处的受力面积大幅减小，在焊后熔敷金属收缩时，此处所受的纵向拉应力会显著增大确保能够发生开裂；另一方面通过调整焊缝的长度可以改变焊缝纵向收缩量从而改变此处的最大拉应力，焊缝越长，焊后应力也越大。试验过程中通过逐级增加焊缝长度，焊缝发生开裂的最小焊缝长度定义为临界焊缝长度，通过比较不同焊材发生开裂的临界焊缝长度就可以比较出焊材的抗横向裂纹优劣程度，临界焊缝长度越大说明材料的抗横向裂纹能力越高。

作为一种具体实施方式，以下利用本发明提出的带横向通槽的试件及利用该试件进行横向裂纹敏感性评价方法对两种商用焊材DS71-H1和WLA-71的横向裂纹敏感性进行评定。

焊接方法选用CO₂气体保护焊，焊接电流为190A，焊接电压为28.5V，保护气流量为15ml/min，焊接速度为2.5mm/s。试验时带横向通槽试件的试板1，2的具体形状尺寸为：宽度W＝100mm，厚度d＝10mm，所开横向通槽3的长度为L2＝40mm，横向通槽3的宽度为δ＝1.0mm，使用线切割加工该横向通槽3，试件的材料为Q345钢。试板长度L1分别选取100mm、150mm、175mm、200mm、250mm、300mm六种长度，每种焊材分别加工各长度尺寸试件两组，分别用于评定所选用的两种商用焊材横向裂纹敏感性。

施焊时，首先选用DS71-HI焊材在试板的焊接坡口4两端进行定位焊，然后在焊接坡口4内进行第1道焊接，焊接完成后在室温下冷却至室温，观察并记录表面裂纹情况；再进行第2道焊接，焊接完后冷却至室温，观察并记录表面裂纹情况；最后将试板沿焊接部位砸断，观察并记录断面裂纹情况。每次焊接焊缝的长度均跟试板长度相同。焊完DS71-H1焊材后，采用相同的步骤用WLA-71焊材进行焊接，两种焊材的试验结果如表1所示。

表1焊后试板开裂情况统计表

根据表1，首先对比两种焊材第一道表面裂纹情况，发现DS71-H1焊材发生开裂的临界焊缝长度为200mm，而WLA-71焊材发生开裂的临界焊缝长度为175mm，这表明DS71-H1焊材的抗裂性优于WLA-71焊材；另外，对比两种焊材第二道表面裂纹情况，发现DS71-H1焊材在试验范围内均未产生裂纹，表明其第二道焊缝发生开裂的临界焊缝长度大于300mm；而WLA-71焊材第二道焊缝发生开裂的临界焊缝长度为250mm。由此也可判断DS71-H1焊材的抗裂纹性能要优于WLA-71焊材。第三，对比两种焊材的断面裂纹情况发现，DS71-H1焊材发生断面裂纹的临界焊缝长度为175mm，而WLA-71都出现了断面裂纹，说明其断面裂纹的临界裂纹长度小于100mm；综上所述，对所评定的两种焊材，从两道焊缝的表面裂纹以及最后的断面裂纹这三个临界焊缝长度的指标都可以看出，DS71-H1焊材比WLA-71焊材的抗横向裂纹能力都要好。同时也证明了本裂纹敏感性评定方法是成功的。

Claims (4)

1.一种焊接横向裂纹敏感性评价用带横向通槽试件，其特征在于：所述带横向通槽试件由两块材料、尺寸相同的试板组成；每块试板的长度为L1，宽度为W，厚度为d，所述试板沿长度方向的边开有焊接坡口，且各试板的焊接坡口的中间位置垂直开有一个横向通槽，所述横向通槽的长度为L2，宽度为δ；0.9W≥L2≥0.1W，2.0mm≥δ≥0.1mm。

2.如权利要求1所述焊接横向裂纹敏感性评价用带横向通槽试件，其特征在于：所述焊接坡口为U形坡口或V形坡口。

3.利用如权利要求1中所述带横向通槽试件进行焊接横向裂纹敏感性评价的方法，其特征在于包含如下步骤：

1)加工多个长度不等的如权利要求1所述的带横向通槽试件，各试件上横向通槽长度一致；选取长度最短的带横向通槽试件作为待测试件开始进行试验；

2)将所述待测试件去除其焊接坡口和横向通槽的油污后，将其两块试板的焊接坡口对在一起，使用第一种待评定的焊材进行定位焊；

3)使用第一种待评定的焊材在所述焊接坡口内进行第一道焊缝的焊接，完成后冷却至室温，目测观察并记录第一道焊缝在横向通槽处的表面裂纹情况；

4)使用第一种待评定的焊材在所述焊接坡口内进行第二道焊缝的焊接，完成后冷却至室温，目测观察并记录第二道焊缝在横向通槽处的表面裂纹情况；

5)将焊完两道焊缝的待测试板沿所述横向通槽处砸断，目测观察并记录焊缝在横向通槽处的断面裂纹情况；

6)若步骤3)～5)均未发现裂纹，则取长度次长的带横向通槽试件作为待测试件，重复步骤2)～5)，直至步骤3)～5)中任意一步或任意几步发现裂纹为止，记录出现裂纹时对应带横向通槽试件的长度，即为该焊材的临界焊缝长度；

7)同步骤1)准备另一组长度不等的带横向通槽试件，将步骤2)～4)中焊接使用的焊材替换为第二种待评定焊材，重复步骤2)～6)，得到第二种待评定焊材的临界焊缝长度；临界焊缝长度越长表明这种焊材的抗裂纹性能越好。

4.如权利要求3所述方法，其特征在于：步骤7)可选取多种焊材分别重复步骤1)～6)，对其抗裂纹敏感性进行比较评价，得到各种焊材的临界焊缝长度，临界焊缝长度越长表明这种焊材的抗裂纹性能越好。