CN114136827A - 一种评价高强钢焊接氢致延迟裂纹倾向的试验方法 - Google Patents

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许晓红
白云
黄镇
范海东
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Abstract

本发明涉及一种评价高强钢焊接氢致延迟裂纹倾向的试验方法，该方法是将焊接热模拟、充氢试验与焊接应力模拟综合在一起，形成一个独立的模拟试验方法。先通过不同的焊接工艺参数来模拟出焊接HAZ粗晶区组织，再通过高温充氢以及模拟焊接应力释放过程来直到试样断裂。从而得到拘束应力与延迟断裂时间的关系曲线，求得材料产生延迟裂纹的临界应力值，根据临界应力值的大小判别延迟开裂的倾向。

Description

一种评价高强钢焊接氢致延迟裂纹倾向的试验方法
技术领域
本发明涉及一种评价高强钢焊接氢致延迟裂纹倾向的试验方法，属于钢铁物理热模拟分析技术领域。
背景技术
焊接冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度(对钢来说，一般指马氏体转变开始温度以下)时产生的裂缝。冷裂纹可在焊后立即出现，有时要经历一段时间后才出现，可能几个小时、几天甚至更长时间。对于这些不是在焊后立即出现的冷裂纹，一般称为延迟裂纹，而延迟裂纹往往又是由于氢的缓慢扩散和聚集引起的，故又称之为氢致延迟裂纹。它是冷裂纹中一种比较普遍的裂纹形态。由于这种裂纹的特点不是在焊后出现，有时在使用服役的过程中才会出现，因此这种裂纹更加具有隐蔽性和危险性。所以分析判断钢材的氢致延迟裂纹倾向显得格外重要。
对于钢来说，冷裂纹的产生主要取决于三个因素：焊接热影响区的淬硬组织、氢的作用和焊接应力。目前，评价钢焊接冷裂纹倾向的主要方法有：根据成分等确定冷裂纹敏感指数Pcm，淬硬组织和焊接热影响区连续冷却转变曲线，也有学者通过电化学充氢以后来评价氢对焊接冷裂纹的影响。专利CN107764721A中也提到了通过电化学充氢来评价金属材料延迟裂纹敏感性。这些评价方法都没有同时完整的考虑冷裂纹三个影响因素。在热模拟试验机上通过将组织模拟、充氢试验和焊接应力模拟综合在一起，得出材料产生氢致延迟裂纹的临界应力值，根据临界应力值的大小来判断不同钢种的延迟裂纹倾向。
发明内容
为了更加全面真实的模拟焊接氢致延迟裂纹产生的实际情况，针对现有技术的不足，本发明提供一种评价高强钢焊接氢致延迟裂纹倾向的试验方法，该方法可直接在热模拟机上完成。先通过不同的焊接工艺参数来模拟出焊接HAZ粗晶区组织，再通过高温充氢以及模拟焊接应力释放过程来直到试样断裂，从而得到拘束应力与延迟断裂时间的关系曲线，求得材料产生延迟裂纹的临界应力值，根据临界应力值的大小判别延迟开裂的倾向。
本发明所采用的具体技术方案为：一种评价高强钢焊接氢致延迟裂纹倾向的试验方法，直接在热模拟机上完成焊接、充氢试验和焊接应力模拟，具体包括以下步骤：
(1)从试样钢板上取样，加工成带缺口的圆棒拉伸试样；
(2)将热电偶焊接至试样上，试样加热温度不超过1200℃采用K型热电偶，超过1200℃采用R型热电偶；
(3)试样两端用螺帽拧住，使用拉伸试验的夹具将试样按要求安装在热模拟机真空腔内；
(4)抽真空达到2.0×10-5τ以下时，充惰性气体保护；
(5)焊接热循环模拟，模拟出热影响区不同部位的组织，根据计算的临界板厚选择热模拟试验机QuikSim软件自带的Rykalin2D或Rykalin3D模型，以v1快速加热至峰值温度T1，保温t1至试样晶粒被粗化；
(6)将试样降至温度T2，T2高于该钢种Ac3温度让试样组织保持为奥氏体，抽真空将真空腔内的惰性气体排出，再充入纯氢气，然后在T2温度下保温t2，此时系统由零应力控制转为刚性拘束控制，保证试样既不能伸长也不能缩短；
(7)保温充氢结束后，试样以v2(大于20℃/s)冷速冷却，试样内将产生由于本身热胀冷缩和相变引起的拉应力，并且一直上升到试样拉断所需的应力值，但如果冷却收缩引起的应力值无法满足试验要求时，可通过系统控制应力达到试验要求值，试验方式由刚性拘束控制转换为恒定拉应力控制，直到试样被拉断为止，即当试样本身产生的应力无法引起试样拉断则通过系统增加外部恒定拉应力来拉断试样；
(8)根据试验结果绘制平均拘束应力(即试样本身产生的拉应力，但更多的是系统外部拉应力，且外部拉应力越大，发生断裂的时间越短)随时间的曲线图，直接求出试样氢致延迟裂纹的临界应力值，根据临界应力值的大小判别不同钢材氢致延迟裂纹的倾向。
方法的步骤(1)中，在距钢板表面1/4厚度处取样，加工成两边粗中间细的试样，并在中间细段位置处设置V型缺口。
方法的步骤(5)中，模型选择是根据线能量和钢的热物性计算的，若实际板厚δ＜0.75δcr，选择Rykalin2D模型；若实际板厚δ＞0.75δcr，选择Rykalin3D模型；若实际板厚δ＝0.75δcr，既可以选择Rykalin2D模型也可以选择Rykalin3D模型；δcr为临界板厚，焊接降温过程中从800℃降至500℃的时间t8/5是随着板厚的增加而增大的，冷却速率也是不断下降的，当t8/5的时间不随板厚的增加而增大时的板厚就称为临界板厚，它是根据实际焊接条件如钢种本身物理性质，线能量等参数计算出来的。此处引出临界板厚的概念是为了选择合理的模拟焊接模型。
方法的步骤(5)中，快速加热速率v1为100～500℃/s，峰值温度T1为1300℃以上，保温t1为1～5s。
方法的步骤(6)中T2＞Ac3，T2设置为950～1000℃，此时氢在奥氏体中的溶解度比铁素体中大。
方法的步骤(6)中保温时间t2的设置应满足：最终试验所形成的晶粒度与实际焊接接头粗晶区晶粒度相当。
方法实施过程中，在排除真空腔内充入的高纯氢气时，房间相应位置的顶部必须安装氢气报警仪，同时也要手持一个便携式氢气报警仪，房间内严禁明火。
测量试验条件下充氢效果时，保温结束用氢气冷却，然后充惰性气体排出氢气，取出试样放入干冰桶内，在HTDS设备上测量氢含量及扩散曲线，同时测量对冷裂纹产生直接影响的扩散氢含量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明是直接在热模拟试验机上通过将模拟焊接热影响区组织、充氢试验及焊接应力模拟综合在一起的独立模拟试验，整个试验过程非常接近实际情况，包含了氢致延迟裂纹发生的几个要素。试验周期相对较短，高效准确，试验时材料损耗少，为氢致延迟裂纹倾向的评价提供了可能。本发明可用于各种焊接工艺参数、充氢条件的模拟。
附图说明
图1为本发明实施例的圆棒拉伸试样的结构示意图，单位mm；
图2为本发明实施例的模拟试验的工艺曲线图；
图3为本发明实施例的平均拘束应力随时间的关系曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
选取某微合金钢板A，按要求在距离钢板表面1/4厚度处取样，加工成带缺口的圆棒拉伸试样，如图1所示。焊接热模拟的峰值温度选择1350℃，采用R型热电偶，将热电偶焊接在试样中间部位，试样两端用螺帽拧住，使用拉伸试验的夹具将试样按要求安装在热模拟机真空腔内。真空腔抽真空达到2.0×10-5τ以下时充入Ar保护。
编写程序进行焊接热循环模拟，模拟出热影响区的组织。焊接热模拟的试验条件为：热输入100KJ/cm，峰值温度保温2s，加热速度为200℃/s，原始板厚为15mm，经过计算临界板厚为2.8cm，满足δ≤0.75δcr的条件，选择Rykalin2D模型。即在6.75s内将试样升温至1350℃，保温2秒，试样晶粒被粗化后降温至1000℃，此时把Ar排出并抽真空，然后再充入99.999％高纯氢气，在1000℃保温30min进行充氢试验。与此同时，系统由零应力控制转为刚性拘束控制，这样保证试样既不能伸长也不能缩短。保温充氢结束后，试样以30℃/s的冷速冷却，试样内将产生由于本身热胀冷缩和相变引起的拉应力，并且一直上升到所需的应力值。本试验中冷却收缩引起的应力值无法满足试验要求时，进一步通过控制应力按钮达到试验要求值，然后试验程序由刚性拘束控制转换为恒定拉应力控制，直到试样拉断为止。
根据试验结果绘制平均拘束应力随时间的曲线图，如图3。可直接求出钢材氢致延迟裂纹的临界应力值为65kgf/mm2，即约637MPa。
通过求得材料断裂的临界应力值，即材料发生开裂的最小应力来确定材料的冷裂纹敏感性。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种评价高强钢焊接氢致延迟裂纹倾向的试验方法，其特征在于：直接在热模拟机上完成焊接、充氢试验和焊接应力模拟，具体包括以下步骤：
(1)从试样钢板上取样，加工成带缺口的圆棒拉伸试样；
(2)将热电偶焊接至试样上，试样加热温度不超过1200℃采用K型热电偶，超过1200℃采用R型热电偶；
(3)试样两端用螺帽拧住，使用拉伸试验的夹具将试样按要求安装在热模拟机真空腔内；
(4)抽真空达到2.0×10-5τ以下时，充惰性气体保护；
(5)焊接热循环模拟，模拟出热影响区不同部位的组织，根据计算的临界板厚选择热模拟试验机QuikSim软件自带的Rykalin2D或Rykalin3D模型，以v1快速加热至峰值温度T1，保温t1至试样晶粒被粗化；
(6)将试样降至温度T2，T2高于该钢种Ac3温度让试样组织保持为奥氏体，抽真空将真空腔内的惰性气体排出，再充入纯氢气，然后在T2温度下保温t2，此时系统由零应力控制转为刚性拘束控制，保证试样既不能伸长也不能缩短；
(7)保温充氢结束后，试样以v2冷速冷却，试样内将产生由于本身热胀冷缩和相变引起的拉应力，并且一直上升到试样拉断所需的应力值，但如果冷却收缩引起的应力值无法满足试验要求时，可通过系统控制应力达到试验要求值，试验方式由刚性拘束控制转换为恒定拉应力控制，直到试样被拉断为止；
(8)根据试验结果绘制平均拘束应力随时间的曲线图，直接求出试样氢致延迟裂纹的临界应力值，根据临界应力值的大小判别不同钢材氢致延迟裂纹的倾向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，在距钢板表面1/4厚度处取样，加工成两边粗中间细的试样，并在中间细段位置处设置V型缺口。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中，模型选择是根据线能量和钢的热物性计算的，若实际板厚δ＜0.75δcr，选择Rykalin2D模型；若实际板厚δ＞0.75δcr，选择Rykalin3D模型；若实际板厚δ＝0.75δcr，既可以选择Rykalin2D模型也可以选择Rykalin3D模型；δcr为临界板厚。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中，快速加热速率v1为100～500℃/s，峰值温度T1为1300℃以上，保温t1为1～5s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6)中T2＞Ac3，T2设置为950～1000℃，此时氢在奥氏体中的溶解度比铁素体中大。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6)中保温时间t2的设置应满足：最终试验所形成的晶粒度与实际焊接接头粗晶区晶粒度相当。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(7)中，试样的v2冷却速度大于20℃/s。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：方法实施过程中，在排除真空腔内充入的高纯氢气时，房间相应位置的顶部必须安装氢气报警仪，同时也要手持一个便携式氢气报警仪，房间内严禁明火。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：测量试验条件下充氢效果时，保温结束用氢气冷却，然后充惰性气体排出氢气，取出试样放入干冰桶内，在HTDS设备上测量氢含量及扩散曲线，同时测量对冷裂纹产生直接影响的扩散氢含量。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101412174A (zh) * 2008-11-28 2009-04-22 国营第八四四厂 钢材料焊接预热温度的确定方法
CN105643131A (zh) * 2016-03-03 2016-06-08 天津大学 基于可调刚性拘束的焊接接头冷裂倾向试验装置及其应用
CN107389445A (zh) * 2017-06-02 2017-11-24 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法
CN107764721A (zh) * 2016-08-23 2018-03-06 张宇 金属材料延迟裂纹敏感性评价方法
CN108920792A (zh) * 2018-06-21 2018-11-30 北京工业大学 一种基于小裂纹扩展的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法
CN111307612A (zh) * 2020-03-12 2020-06-19 中国汽车工程研究院股份有限公司 一种超高强度汽车钢板氢致延迟断裂性能测试方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101412174A (zh) * 2008-11-28 2009-04-22 国营第八四四厂 钢材料焊接预热温度的确定方法
CN105643131A (zh) * 2016-03-03 2016-06-08 天津大学 基于可调刚性拘束的焊接接头冷裂倾向试验装置及其应用
CN107764721A (zh) * 2016-08-23 2018-03-06 张宇 金属材料延迟裂纹敏感性评价方法
CN107389445A (zh) * 2017-06-02 2017-11-24 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种应力松弛试验评价材料再热裂纹敏感性的方法
CN108920792A (zh) * 2018-06-21 2018-11-30 北京工业大学 一种基于小裂纹扩展的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法
CN111307612A (zh) * 2020-03-12 2020-06-19 中国汽车工程研究院股份有限公司 一种超高强度汽车钢板氢致延迟断裂性能测试方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴宇;张汉谦;陆文雄;王宝;: "Cr30Ni10型焊条焊接中高碳钢冷裂纹行为特征", 太原理工大学学报, vol. 20, no. 1 *
张永健: "《超高强度薄板钢的氢致延迟断裂行为研究》", 《中国博士学位论文全文数据库》, pages 16 - 20 *
王学双，等: "《高强度钢板延迟断裂试验方法研究进展》", 《材料应用》, no. 12 *
陈楚;王锬;张月嫦;楼松年;: "焊接氢致延迟裂纹的研究", 上海交通大学学报, vol. 18, no. 3 *

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