CN107643199A - 一种钢试样内部预制裂纹缺陷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢试样内部预制裂纹缺陷的方法，本发明利用Fe‑Al金属间化合物在焊接应力的作用下产生裂纹达到预定位置制备裂纹缺陷目的，具体的，该方法为：(1)在选定位置机加工制备槽形坡口；(2)在坡口位置焊接填充以铝为主要合金元素的具有良好流动性的焊接材料，冷却预制裂纹；(3)预制裂纹后，采用常规钢焊条进行填充和盖面。通过本发明所述方法，可以实现在预定位置制备裂纹缺陷目的，其预制裂纹均为可用无损检测技术进行检测的典型裂纹，可以有效模拟真实裂纹情况。

Description

一种钢试样内部预制裂纹缺陷的方法
技术领域
本发明属于电力技术领域和金属焊接质量检验技术领域，具体涉及一种钢试样内部预制裂纹缺陷的方法。
背景技术
裂纹是焊接结构中材料由于原子结合遭到破坏，形成新的界面而产生的缝隙，是一种面型缺陷。对于构件内部的裂纹缺陷，在外观上难以察觉，但这种内部缺陷由于尖端具有应力集中效应，对构件危害性极大，在实际生产应用中是构件质量控制的焦点，常需采用超声波、射线探伤、磁粉检验PT、渗透检验MT、TOFD、相控阵检测等无损检测技术进行检测。
典型含裂纹缺陷是工件焊接过程中实际产生的，在现实中往往很难找到符合合无损检测验收标准要求的缺陷尺寸，然而针对典型含裂纹缺陷进行无损检测参数标定，技能竞赛具有重要的工程实际意义，这种情况下常常需要进行在试样内部选定位置处预制裂纹缺陷，供下一步工作使用。
对于Q235，Q345等较为常用的碳素钢、低合金高强钢，由于它们的碳当量较低，塑韧性较好，在焊接条件下制备裂纹缺陷具有较大的难度，尤其是在选定的位置进行制备难度更大。目前常用在焊缝选定位置线切割切槽，焊接覆盖开槽顶部，以及在焊缝内部埋焊高熔点或同Fe不互溶的异种金属及合金等方法进行制备。对于第一种方法(线切割开槽法)，由于开槽的宽度明显比实际裂纹要大，因此缺陷位置虽然可以准确定位，但是缺陷的实际性质同真实裂纹相差较大，难以模拟真实裂纹情况，试样可用性较差；采用第二种方法(埋焊异种金属或合金)，此时制备的缺陷实质上是一种“夹杂”缺陷，同实际裂纹也有较大差别，此外在熔化过程中异种金属或合金在熔池对流过程中发生位移，也易导致制备的缺陷位置准确性较差。
现有技术也公开了多种制备裂纹缺陷的方法：如CN103293036A公开了高强钢返修焊横向裂纹的预制方法，CN103308354A公开了高强钢角接焊横向裂纹的预制方法，CN105572225A公开了天然气场站压力设备常用材质焊缝缺陷制作及检测方法，可制作包括外表面裂纹缺陷、内表面裂纹缺陷、试块表面及层间未融合缺陷、根部及双面未焊透缺陷、气孔缺陷及试块夹渣缺陷等，CN104842604A公开了一种电力钢结构焊缝裂纹缺陷预制材料及其制备方法，CN107020440A公开了一种带有人工焊接裂纹缺陷试板的制作方法等。然而现有技术方法仍存在无法定位预制裂纹，或者虽能预制出裂纹缺陷但其同真实裂纹相差较大难以模拟真实裂纹情况的问题。
发明内容
针对上述现有技术裂纹缺陷预制方法的不足，本发明利用Fe-Al金属间化合物在焊接应力的作用下产生裂纹达到预定位置制备裂纹缺陷目的。
具体的，本发明涉及以下技术方案：
本发明公开了一种钢试样内部预制裂纹缺陷的方法，所述方法包括：
(1)在选定位置机加工制备槽形坡口；
(2)在坡口位置焊接填充以铝为主要合金元素的具有良好流动性的焊接材料，冷却预制裂纹；
(3)预制裂纹后，采用常规钢焊条进行填充和盖面。
优选的，为进一步促进裂纹的产生，本发明所述方法步骤(2)中，完成坡口焊接填充后向该区域喷洒冷却水。
本发明具体的技术方案中，步骤(1)中，首先完成钢试样的打底焊焊接，或者完成钢试样的打底焊焊接后进行填充，然后在选定位置机加工制备槽形坡口。
优选的，步骤(1)中，在选定位置采用线切割所需长度的槽形缺陷。槽形缺陷的长度根据需要产生裂纹的长度确定。
优选的，步骤(1)中打底焊焊接或填充根据材质强度匹配原则选择E43XX，E50XX等焊材。
优选的，步骤(1)中焊接方式为焊条电弧焊或钨极氩弧焊。
具体的，本发明所述方法中，步骤(1)的操作可以是：首先完成钢试样的打底焊焊接，打底采用钨极氩弧焊，直流正接，焊接电流70-110A，氩气流量8-13L/min，焊层厚度2-4mm；完成打底焊焊接后采用2.5mm或3.2mm直径焊条进行填充，焊接电流70-120A，焊接电压20-22V，根据材质强度匹配原则选择E43XX，E50XX等焊材；确定需要制备缺陷的位置，在该位置上制备采用线切割所需长度的槽形缺陷。
优选的，本发明步骤(2)中为采用钨极氩弧焊，填充以铝做为主要成分的焊丝。
更优选的，焊丝的成分为：焊丝的直径1.6mm-3mm，焊丝成分(质量百分数)为Mg4.50～5.50，Si 0.1～6.0，Mn 0.05～0.20，Ti 0.06～0.20，Zr 0～0.30，Al余量，或者Ti0.06～0.20，Zr 0～0.30，Al余量。
其采用的钨极氩弧焊的工艺参数为：焊接电流70-100A，焊接电压10-13V，氩气流量8-12L/min。
优选的，步骤(2)中，完成坡口焊接填充后马上在槽形焊缝位置喷洒水进行加速冷却，水的温度为10-25℃
优选的，本发明方法步骤(3)中，采用钨极氩弧焊填充ER50-6等同钢材强度匹配的焊丝，完成开裂区覆盖，焊接电流70-90A，焊接电压10-12V，氩气流量8-12L/min；其余各填充层及盖面层焊接采用焊条电弧焊，焊条直径可选择2.5mm，3.2mm，4mm焊接电流80-160A，焊接电压20-23V，根据材质强度匹配原则选择E43XX，E50XX等焊材。
本发明取得了以下有益效果：
本发明所述方法打底焊接时可选择同钢材强度相当的酸性与碱性焊条均可，通过利用施加位置铁铝金属间化合物同钢材良好的润湿性相容性，使之同焊缝形成一体化，之后依靠材料本身的脆性产生裂纹；本发明所述方法接进行缺陷制备时可以准确的通过添加铁铝焊丝量来控制裂纹尺寸，不会发生向其他区域延伸扩展的情况，克服了而采取冷裂纹措施时极易因填充区周围大量扩散氢的存在导致裂纹向其他区域扩展产生裂纹尺寸过大的问题；本发明所述方法利用Fe-Al金属间化合物在焊接应力的作用下产生裂纹，达到预定位置制备裂纹缺陷目的，其预制裂纹均为可用无损检测技术进行检测的典型裂纹，可以有效模拟真实裂纹情况。
附图说明
图1本发明所述方法选定位置机加工制备槽形坡口的坡口示意图
图2实施例1所述选定位置机加工制备槽形坡口示意图
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
诚如本发明背景技术所述，现有技术的裂纹制备方法仍存在无法定位预制裂纹，或者虽能预制出裂纹缺陷但同真实裂纹相差较大难以模拟真实裂纹情况的问题。针对该不足，本发明的一个具体实施方式公开了一种钢试样内部预制裂纹缺陷的方法，所述方法包括：
(1)在选定位置机加工制备槽形坡口；
(2)在坡口位置焊接填充以铝为主要合金元素的具有良好流动性的焊接材料，冷却预制裂纹；
(3)预制裂纹后，采用常规钢焊条进行填充和盖面。
一个具体的实施例中，为进一步促进裂纹的产生，本发明所述方法步骤(2)中，完成坡口焊接填充后马上向该区域喷洒冷却水。
本发明具体的技术方案中，步骤(1)中，首先完成钢试样的打底焊焊接，或者完成钢试样的打底焊焊接后进行填充，然后在选定位置机加工制备槽形坡口。
根据Fe-Al金属二元相图可知，铁、铝系可形成具有一定固溶度和分子式的金属间化合物，有Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5、FeAl和Fe3Al。Fe和Al金属在富Fe侧主要形成FeAl和Fe3Al金属间化合物。富Fe的Fe-Al金属间化合物具有DO3和B2两种有序结构，其中室温下Al含量(摩尔分数)在22.5％-33％范围内为DO3结构，即Fe3Al；Al含量为33％-51％范围内为B2结构，即FeAl结构。FeAl金属间化合物具有良好的抗硫化腐蚀能力，但是Fe-Al金属间化合物同时具有较高脆性，
室温塑性伸长率在1％～2％，该金属间化合物的这种特性对预制裂纹提供了物理冶金条件。
在本发明专利中，首先在选定位置机加工制备槽形坡口，之后在该位置焊接填充以铝为主要合金元素的具有良好流动性的焊接材料，使之同Fe元素发生冶金反应形成Fe3Al，FeAl脆性相，该区域焊缝在充分混合后将形成由α-Fe，Fe3Al，FeAl构成的焊缝填充层，该填充层具有较高的脆性，在焊接应力的作用下产生裂纹，达到预定位置制备裂纹缺陷目的。预先制备形成的槽形坡口产生拘束效应，焊缝的横向收缩受到周围金属的限制，形成横向内应力，构成沿焊接方向分布的纵向裂纹形成力学条件；焊缝的纵向收缩同样会受到周围金属的限制，导致纵向内应力的形成，该内应力则会构成垂直于焊接方向横向裂纹的力学条件。此外，为增加焊接应力的大小，在焊接预置裂纹区域填充层的过程中，在完成槽形坡口焊接后，马上向该区域喷洒冷却水，加剧该区域温度分布不均匀性，促进裂纹产生。
优选的实施例中，步骤(1)中，在选定位置采用线切割所需长度的槽形缺陷。槽形缺陷的长度根据需要产生裂纹的长度确定。
优选的实施方式中，步骤(1)中打底焊焊接或填充根据材质强度匹配原则选择E43XX，E50XX等焊材。
优选的，步骤(1)中焊接方式为焊条电弧焊或钨极氩弧焊。
具体的，本发明所述方法中，步骤(1)的操作可以是：首先完成钢试样的打底焊焊接，打底采用钨极氩弧焊，直流正接，焊接电流70-110A，氩气流量8-13L/min，焊层厚度2-4mm；完成打底焊焊接后采用2.5mm或3.2mm直径焊条进行填充，焊接电流70-120A，焊接电压20-22V，根据材质强度匹配原则选择E43XX，E50XX等焊材；确定需要制备缺陷的位置，在该位置上制备采用线切割所需长度的槽形缺陷，槽形缺陷的长度根据需要产生裂纹的长度确定。坡口形状如图1所示。高度一般在3-6mm。
优选的，本发明步骤(2)中为采用钨极氩弧焊，填充以铝做为主要成分的焊丝。更优选的，焊丝的成分为：焊丝的直径1.6mm-3mm，焊丝成分(质量百分数)为Mg 4.50～5.50，Si 0.1～6.0，Mn 0.05～0.20，Ti 0.06～0.20，Zr 0～0.30，Al余量，或者Ti 0.06～0.20，Zr 0～0.30，Al余量。其采用的钨极氩弧焊的工艺参数为：焊接电流70-100A，焊接电压10-13V，氩气流量8-12L/min。
优选的，步骤(2)中，完成坡口焊接填充后马上在槽形焊缝位置喷洒水进行加速冷却，水的温度为10-25℃
优选的，本发明方法步骤(3)中，采用钨极氩弧焊填充ER50-6等同钢材强度匹配的焊丝，完成开裂区覆盖，焊接电流70-90A，焊接电压10-12V，氩气流量8-12L/min；其余各填充层及盖面层焊接采用焊条电弧焊，焊条直径可选择2.5mm，3.2mm，4mm焊接电流80-160A，焊接电压20-23V，根据材质强度匹配原则选择E43XX，E50XX等焊材。
通过本发明所述方法，可以实现在预定位置制备裂纹缺陷目的，其预制裂纹均为可用无损检测技术进行检测的典型裂纹，可以有效模拟真实裂纹情况。
以下通过具体的实例来说明。
实施例1
焊接用母材为20g钢管，规格为Φ219×14mm。采用ER50-6氩弧焊焊丝进行打底，焊接电流70-100A，氩气流量10L/min，焊层厚度4mm。之后采用E4303焊条进行填充，焊接电流9-110A，焊接电压20-22V。在填充4mm厚度后，在选定位置制备槽形坡口，坡口形状如图2所示，坡口长度2cm。
之后填充以铝做为主要成分的焊丝，焊丝的直径2.4mm，焊丝成分(质量百分数)为Mg 5，Si0.15，Mn 0.1，Ti 0.08，Zr0.06，Al余量。钨极氩弧焊的工艺参数为：焊接电流70-90A，焊接电压10-12V，氩气流量10L/min。焊接完成后马上喷洒冷却水，该位置处随即产生了纵向裂纹，裂纹长度约2cm。之后采用采用钨极氩弧焊填充ER50-6焊丝，完成开裂区覆盖，焊接电流70-90A，焊接电压10-12V，氩气流量10L/min。其余各填充层及盖面层焊接采用焊条电弧焊，焊条选择E4303，焊条直径可选择3.2mm，焊接电流80-110A，焊接电压20-22V。
实施例2
焊接用钢材为12Cr1MoV，钢管规格为Φ159×12mm，打底焊选择TIG-R31，焊接电流70-90A，氩气流量12L/min，焊层厚度3mm。完成打底焊后，采用E5515-B2-V焊条进行焊接，电流100-120A，焊条直径为Ф3.2mm，焊接电压20-22V。在填充3mm厚度后，在选定位置制备槽形坡口，坡口长度1cm。
在坡口位置，采用钨极氩弧焊，添Ti 0.06～0.20，Zr 0～0.30，Al余量。钨极氩弧焊的工艺参数为：焊接电流80-110A，焊接电压10-12V，氩气流量12L/min。焊接完成后马上喷洒冷却水，该位置处随即产生了纵向裂纹，裂纹长度约1cm。之后进行填充层及盖面层的焊接，采用焊条电弧焊，焊条选择E5515-B2-V，焊条直径可选择3.2mm，焊接电流90-120A，焊接电压20-22V。

Claims (10)

1.一种钢试样内部预制裂纹缺陷的方法，所述方法包括：
(1)在选定位置机加工制备槽形坡口；
(2)在坡口位置焊接填充以铝为主要合金元素的具有良好流动性的焊接材料，冷却预制裂纹；
(3)预制裂纹后，焊接进行填充和盖面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，完成坡口焊接填充后向该区域喷洒冷却水。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，首先完成钢试样的打底焊焊接，或者完成钢试样的打底焊焊接后进行填充，然后在选定位置机加工制备槽形坡口。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，在选定位置采用线切割所需长度的槽形缺陷。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中打底焊焊接或填充根据材质强度匹配原则选择焊材。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中焊接方式为焊条电弧焊或钨极氩弧焊。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)为，首先完成钢试样的打底焊焊接，打底采用钨极氩弧焊，直流正接，焊接电流70-110A，氩气流量8-13L/min，焊层厚度2-4mm；完成打底焊焊接后采用2.5mm或3.2mm直径焊条进行填充，焊接电流70-120A，焊接电压20-22V，根据材质强度匹配原则选择焊材；确定需要制备缺陷的位置，在该位置上制备采用线切割所需长度的槽形缺陷。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中为采用钨极氩弧焊，填充以铝做为主要成分的焊丝；
优选的，焊丝的成分为：焊丝的直径1.6mm-3mm，焊丝成分为Mg 4.50～5.50，Si 0.1～0.25，Mn 0.05～0.20，Ti 0.06～0.20，Zr 0～0.30，Al余量，或者Ti 0.06～0.20，Zr 0～0.30，Al余量；
更优选的，钨极氩弧焊的工艺参数为：焊接电流70-100A，焊接电压10-13V，氩气流量8-12L/min。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，完成坡口焊接填充后马上在槽形焊缝位置喷洒水进行加速冷却，水的温度为10-25℃。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，采用钨极氩弧焊填充同钢材强度匹配的焊丝，完成开裂区覆盖，焊接电流70-90A，焊接电压10-12V，氩气流量8-12L/min；其余各填充层及盖面层焊接采用焊条电弧焊，焊条直径可选择2.5mm，3.2mm，4mm，焊接电流80-160A，焊接电压20-23V，根据材质强度匹配原则选择焊材。
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