S355G10+M-Z35鋼級CTOD試驗(yàn)研究

彭 靜，鄭家勝，程 勇，凌羽東

（1.合肥紫金鋼管股份有限公司，安徽 合肥 230051；2.安徽省特種設(shè)備檢測院，安徽 合肥 230051；3.合肥巨一動力系統(tǒng)有限公司，安徽 合肥 230051；4.Jade Hochschule雅德應(yīng)用科技大學(xué)，德國 26389）

CTOD試驗(yàn)是一種評價焊接接頭抗斷裂性能的有效方法之一，作為表征焊縫斷裂韌性的重要指標(biāo)，CTOD是裂紋尖端張開位移（Crack Tip Opening Displacement）的英文縮寫，一般用δ表示，對于具有潛在裂紋的構(gòu)件，當(dāng)載荷逐漸增大，原始裂紋張開位移就會逐漸增大，當(dāng)裂紋張開位移δ達(dá)到材料臨界值δc時，繼續(xù)擴(kuò)展就會斷裂。CTOD值越大，材料的抗開裂性能越好，韌性越好。CTOD值越小，材料的抗開裂性能越差，韌性越差[1]。

1 研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)對于CTOD試驗(yàn)多停留在對鋼板焊縫研究的層次，其采用的坡口為單邊坡口（如K型坡口），焊接參數(shù)多為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的特定線能量焊接，與實(shí)際生產(chǎn)的鋼管焊接坡口類型以及焊接參數(shù)等差異較大，隨著行業(yè)深入發(fā)展，焊管行業(yè)內(nèi)多要求鋼管的焊縫也需要進(jìn)行CTOD試驗(yàn)，來替代焊后熱處理，降低制造成本，節(jié)約施工工期。本文在鋼板K型坡口CTOD試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對S355G10+M-Z35鋼級常用焊接X型坡口焊縫進(jìn)行CTOD的試驗(yàn)和分析,尋找最佳焊材匹配和焊接工藝，以期CTOD試驗(yàn)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，提高鋼管焊接質(zhì)量，免除焊后熱處理，降低制造成本[2]。

2 焊接過程

2.1 母材

本文所述焊管制造所用的鋼板為舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司生產(chǎn)的歐標(biāo)EN10225：2009[3]S355G10+M-Z35，鋼板厚度為70mm，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 S355G10+M-Z35鋼板化學(xué)成分w，max%

表2 S355G10+M-Z35鋼板力學(xué)性能

2.2 焊接坡口

實(shí)際生產(chǎn)坡口為了保證鋼管服役后焊接應(yīng)力的內(nèi)外均衡，焊接采用雙面X形坡口，坡口尺寸如圖1所示。

圖1 焊接坡口尺寸

2.3 焊接材料及工藝參數(shù)

本文通過多次試驗(yàn)，最終選定天泰焊材（昆山）有限公司研制的經(jīng)過CTOD試驗(yàn)合格的歐標(biāo)焊材。其中，打底采用135（GMAW氣體保護(hù)焊），焊絲為Ф1.2的ISO14341-AG423C13Si1；填充和蓋面采用121（SAW埋弧焊），埋弧焊絲為Ф5.0的ISO14171-A-S3Si，焊劑為ISO14174SAFB155AC。打底焊工藝參數(shù)為260A/32V，焊接速度300mm/min，埋弧焊工藝參數(shù)為590A～750A/30V～36V，焊接速度為0.4～0.5,?？刂祁A(yù)熱溫度≥110℃，預(yù)熱溫度≤層間溫度≤250℃。

表3 樣品狀態(tài)

圖2 試樣斷口照片

3 CTOD試驗(yàn)過程

本文CTOD試樣，沿著焊縫截取，試板為焊態(tài)。按照 標(biāo) 準(zhǔn) BS7448：Part1：1991[4],BS7448：Part2：1997[5]和BSENIS015653：2018[6]要求，試樣類型為SE（B）三點(diǎn)彎曲試樣，預(yù)制裂紋采用電火花線切割方式進(jìn)行加工，裂紋平面標(biāo)識為N-P方向（平行焊縫方向），樣品狀態(tài)如下表3。

3.1 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

CTOD試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基于材料力學(xué)性能基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此，有必要對材料的力學(xué)性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

3.2 試驗(yàn)參數(shù)

本試驗(yàn)預(yù)制疲勞裂紋參數(shù)：最大載荷Fmax=140KN，應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔKfmax=52MPa.m1/2，頻率f=6HZ，R=0.1，波形為正弦波，加載速率為2.00mm/min，加載時間和試驗(yàn)中初始應(yīng)力強(qiáng)度因子增長速率K分別為1.51/1.39/1.53。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)完成后記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)，收集各項(xiàng)參數(shù)和表格，其中試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別為1.188/1.829/1.825，裂紋長度測量數(shù)據(jù)分別為67.70/67.86/67.93。試樣的斷口照片如圖2。

根 據(jù)BS7448：Part1-1991.10和BSENISO15653：2018的 有效性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以上試驗(yàn)的CTOD特征值均有效。

4 結(jié)語

采用本試驗(yàn)的焊接材料和焊接工藝所制造的S355G10+M-Z35的鋼級焊接接頭韌性較好，試樣為初始焊態(tài)均未進(jìn)行任何熱處理，通過分析本試驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)可得，X型坡口焊縫的CTOD特征值（1.188/1.829/1.825）高于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)值（0.33）要求，試驗(yàn)結(jié)果顯示的CTOD值越高，說明焊接接頭韌性好[7]。

使用本試驗(yàn)的焊接材料和焊接工藝生產(chǎn)的大口徑厚壁海洋結(jié)構(gòu)鋼管符合要求，可以免除焊后熱處理，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。