低碳鋼焊接層間溫度對焊縫金屬沖擊韌性的影響

李延清　陳立超　李江江

【摘 要】部分鋼鐵材料在兩相區(qū)高溫變形時，流變應力往往不隨變形溫度升高而降低，而是在兩相區(qū)內(nèi)出現(xiàn)流變應力的谷值。本文主要對低碳鋼焊接層間溫度對焊縫金屬沖擊韌性的影響進行了簡要的分析，以供參考。

【關鍵詞】低碳鋼；焊接層間溫度；焊縫金屬沖擊韌性；影響

中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A

引言

軌道列車碳鋼材料由低合金鋼、耐候鋼發(fā)展到第四代碳鋼材料高強鋼并日趨成熟，其焊接技術也被國內(nèi)主機廠廣泛使用，其產(chǎn)品已形成標準化、系列化、參數(shù)化的發(fā)展模式。本文主要對低碳鋼焊接層間溫度對焊縫金屬沖擊韌性的影響進行了簡要的分析。

1碳鋼列車焊接技術研究現(xiàn)狀

由于碳鋼材料自身的特點，在選擇熔化焊方法時優(yōu)先選擇具有氧化性的GMAW以保證焊接過程中的電弧穩(wěn)定性。在軌道列車發(fā)展初期，主要使用焊條電弧焊配合J506WCu、J502WCu等焊條對耐候鋼Q345產(chǎn)品進行焊接。隨著焊接設備的發(fā)展和升級，為滿足高效率的生產(chǎn)要求，自動焊接替代手工焊接應用至軌道列車制造行業(yè)，目前碳鋼列車制造主要使用MAG焊。如前所述，相對于CO2保護氣體，選用富Ar氣[φ（Ar）80%+φ（CO2）20%]作為保護氣體，熔滴過渡形式為短路過渡或穩(wěn)定射流過渡，電弧弧長較短，焊道的熔深較淺，指狀熔深特點不明顯，焊縫成形良好，接頭具有良好的抗拉強度、屈服強度、延伸率及低溫沖擊韌性。短路過渡的出現(xiàn)使得在焊接薄板時不僅可以平焊、立焊還能全位置焊接。純Ar氣體保護焊焊接碳鋼材料時，電弧不穩(wěn)而使保護效果變差，焊縫金屬韌性降低。

2層間溫度控制超標

2.1案例描述

我們在進行P92鋼φ330mm×50mm規(guī)格焊接工藝評定焊后熱處理時發(fā)現(xiàn)，

手持遠紅外測溫儀測量溫度的數(shù)值與Preheat35熱處理機（點焊式）所測量的溫度數(shù)值有40℃的誤差。經(jīng)儀器檢定表明，手持遠紅外測溫儀所測量的溫度偏低，也就是說P92鋼焊接時實際的預熱溫度、層間溫度控制高了40℃，預熱控制實際為240～250℃，層間溫度控制實際為250～290℃，根據(jù)標準DL/T819—2010《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術規(guī)程》要求可知，該焊接件層間溫度超標。因此，我們又按方案要求重新進行了焊接工藝評定試件的焊接，并同時對這兩條焊縫進行了無損檢測、力學性能和理化試驗。試驗結(jié)果表明，層間溫度超標的試樣除了沖擊韌性值偏低外，其余拉伸、彎曲、金屬組織等試驗數(shù)據(jù)相差不大。于是，我們又對本單位所進行的T/P92鋼焊接工藝評定所進行的沖擊韌性數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，如附表所示。

2.2原因分析

由附表數(shù)據(jù)可知，沖擊韌性值與層間溫度控制影響很密切，溫度控制低則沖擊韌性值較高。第一，通過浙江華能玉環(huán)電廠4臺百萬機組的安裝，國電信息網(wǎng)出臺了《T/P92鋼焊接指導性工藝》，工藝規(guī)定T/P92鋼層間溫度控制溫度為≤300℃；隨著T/P92鋼應用技術的成熟，層間溫度的控制溫度降為≤250℃，并在DL/T819、DL/T869標準中先后進行了明確規(guī)定。第二，當焊接時層間溫度控制在250℃以下時，沖擊值較高；當層間溫度控制在300℃以下焊接時，沖擊值較低，與層間溫度控制在250℃以下焊接時的焊縫相差較大，且有些值處于41J的合格臨界值邊緣。第三，T92鋼由于是小徑薄壁管，散熱狀態(tài)較好，層間溫度容易控制，故沖擊值較為理想；而大徑厚管則由于散熱不好，控制較難，沖擊值處于合格臨界值偏上。若測溫手段等其他不利因素存在，則不能保證其焊縫的質(zhì)量。第四，層間溫度是焊接過程中焊接時該層與前一層的溫度它不是前一層焊接前的瞬時溫度，而是一個動態(tài)的溫度控制。層間溫度控制主要應從以下幾個方面控制：①測量儀器的正確性。②測量位置的正確性。③測量的連續(xù)性或測量的頻次。

2.3控制措施

第一，預熱溫度的上下溫差區(qū)間應盡可能窄，應控制在200～210℃。焊縫2G位置可采用繩狀加熱器，焊縫5G、6G位置則應采用塊狀履帶加熱器，塊狀履帶加熱器功率應小而多，更容易保證焊縫周圈溫度的控制并相接近?？s小焊縫的預熱溫度區(qū)間，從而增大了焊縫焊接時溫度的控制區(qū)間。第二，加強測溫儀器儀表的檢定，使儀器儀表一直處于合格有效期內(nèi)且數(shù)據(jù)正確，并進行溫度數(shù)據(jù)的校正。第三，焊接時應控制熱輸入，主要是層道厚度、焊道寬度的控制，應在保證焊縫質(zhì)量的情況下盡可能的采用最小的焊接熱輸入。第四，控制焊接的節(jié)奏，加強層間溫度的測量控制，層間溫度并不是焊接前底層的溫度，而是一個動態(tài)的溫度，應在焊接過程中跟蹤測量底層的溫度，一旦接近上溫度控制點時應立即停止焊接，規(guī)范測量方法如圖3所示。第五，預熱時，應在加熱履帶外且接近坡口處布置一支熱電偶，作為遠紅外測溫儀或其他測溫工具測溫的基準點，防止遠紅外測溫儀等出現(xiàn)設備問題時影響焊縫的焊接質(zhì)量。

3碳鋼材料典型保溫層下腐蝕

碳鋼材料易發(fā)生保溫層下腐蝕的溫度區(qū)間一般集中在-4℃～150℃之間，溫度作為保溫層下腐蝕發(fā)生的一個重要因素，還影響腐蝕速率的快慢。保溫層下的腐蝕環(huán)境可看作是個封閉的系統(tǒng)，隨著溫度的升高，系統(tǒng)內(nèi)的氧濃度增大，保溫層下金屬的腐蝕速率也隨之提高；伴隨持續(xù)高溫，水分在金屬表面更易蒸發(fā)，導致腐蝕介質(zhì)的濃縮和沉積，腐蝕速率進一步提高；當溫度持續(xù)升高達到120℃時，保溫層結(jié)構(gòu)逐漸達到干燥狀態(tài)，金屬表面水分蒸發(fā)殆盡，無法形成電解質(zhì)溶液薄膜，此時保溫層下腐蝕速率為零；然而當溫度降低后保溫層被重新浸濕，腐蝕速率在干濕交替的過渡區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)很大波動并產(chǎn)生峰值，這主要是由于高溫干燥狀態(tài)促使了腐蝕介質(zhì)的濃縮和聚積，因此越是工作溫度變化范圍較大的碳鋼材料保溫層下腐蝕越明顯。碳鋼材料的外防腐涂層，能夠有效隔離腐蝕介質(zhì)與金屬表面的接觸，阻止保溫層下腐蝕的發(fā)生。因此防腐涂層的使用壽命直接影響著碳鋼材料的使用壽命，有效延長防腐涂層的使用壽命，要從以下兩點出發(fā)：（1）金屬材料表面處理。金屬表面處理是防腐涂層施工的關鍵，通過噴砂或電動等處理手段，使金屬材料表面粗糙度達到一定的等級，良好的表面基層能夠增加防腐涂層與金屬表面的黏合力，延長防腐涂層的使用壽命。（2）防腐涂層方案的選擇。防腐涂裝方案應根據(jù)介質(zhì)的操作溫度及環(huán)境因素，按照最苛刻的條件選用涂料的種類及涂層的厚度，以保證防腐的效果。（3）應用先進的檢驗手段。碳鋼材料保溫層下腐蝕具備隱蔽性，給檢驗帶來了很大困難，如果大面積拆除保溫進行檢查，必然造成施工成本過大。此時可采用先進的檢驗手段，如導波檢驗，在不必大面積拆除保溫層的情況下，對檢測的管道安全等級進行整體評估。

結(jié)束語

低碳鋼焊縫層間溫度與焊后熱處理溫度控制應按熱處理工藝卡要求嚴格執(zhí)行，而熱處理工藝卡編制時應嚴格按焊接工藝評定實施時的熱處理方案進行編制。

參考文獻：

[1]張劍君，張慧，席常鎖，譚文，王春峰.薄板坯連鑄中碳鋼角橫裂缺陷成因及控制[J].鋼鐵，2017，52（11）：32-36+42.

[2]盧宋樂.含Cr低合金鋼CO_2/H_2S環(huán)境腐蝕產(chǎn)物膜形成及作用機理研究[D].北京科技大學，2018.

[3]薛貫魯，曲家民，王志敏，劉慶鎖.退火溫度對無鋁超高碳鋼組織及性能的影響[J].機械工程材料，2017，41（10）：82-85.

[4]張?zhí)瑥埥?，楊杰，霍桂蘭.影響普碳鋼可澆性因素分析與實踐[J].河南冶金，2017，25（05）：17-18+39.

[5]周天茹，李曉紅，陳磊磊，趙飛.循環(huán)水溫度對10～#碳鋼和316L不銹鋼電化學行為的影響[J].青海大學學報，2016，34（05）：86-89+96.

（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）