本發(fā)明屬于材料的力學(xué)性能評價與表征領(lǐng)域，特別涉及一種基于沖擊韌性篩選合理焊接工藝參數(shù)的方法。

背景技術(shù)：

焊接是鋼結(jié)構(gòu)工程建造中必不可少的工序。隨著工程結(jié)構(gòu)的大型化、高參數(shù)化、以及服役環(huán)境的惡化，高性能中厚鋼板的需求量越來越大。在工程結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中，同一高強度鋼板不可避免地會經(jīng)歷不同參數(shù)的焊接工藝，導(dǎo)致其原始顯微組織和性能發(fā)生不同程度的變化。如以西氣東輸管線工程的建造為例，高強管線鋼一般需要經(jīng)過氣體保護打底焊接工藝、內(nèi)外多絲埋弧焊接工藝、以及現(xiàn)場環(huán)形焊接工藝。這些焊接工藝所采用的不同工藝參數(shù)使焊接接頭形成了不同的顯微組織和力學(xué)性能。當焊接工藝參數(shù)選取不當時，焊接接頭會出現(xiàn)局部脆化現(xiàn)象，嚴重危害了焊接結(jié)構(gòu)件的安全服役性能。因此，針對不同焊接方法，篩選出合理工藝參數(shù)是確保焊接接頭結(jié)構(gòu)完整性的重要前提。

熱影響區(qū)沖擊韌性的惡化現(xiàn)象一直是焊接冶金領(lǐng)域至關(guān)重要的課題。從焊接冶金學(xué)理論分析，鋼板局部受高溫焊接熱源的作用，顯微組織發(fā)生明顯變化而導(dǎo)致沖擊韌性的降低。顯微組織的變化主要體現(xiàn)在以下兩方面：(1)晶粒尺寸粗化，在熔合區(qū)附近，焊接溫度極高(甚至超過1300℃)，奧氏體晶粒發(fā)生異常長大；(2)硬脆性相變產(chǎn)物的形成，由于焊接熱循環(huán)的不均勻冷卻速度，有利于碳富集形成M-A組元，尤其在不完全相變區(qū)，快速冷卻條件下逆相變生成的部分奧氏體立即轉(zhuǎn)變成粗大M-A組元。這兩方面是導(dǎo)致熱影響區(qū)沖擊韌性下降的重要因素。設(shè)計合理焊接工藝可以最大限度地抑制這兩方面因素對沖擊韌性的不良影響。此外，對于高強結(jié)構(gòu)鋼來說，合金元素含量相對較高，當熱輸入量較小時，熱影響區(qū)容易形成高脆性馬氏體組織；當熱輸入量過大時，則容易出現(xiàn)側(cè)板條鐵素體或魏氏體組織，這兩種基體組織均對熱影響區(qū)的沖擊韌性造成不利影響。

為了優(yōu)化熱影響區(qū)韌性，冶金學(xué)者主要通過改變母材的化學(xué)成分來提高韌性，如“焊接熱影響部的韌性優(yōu)異的鋼材及其制法”(CN101153372A)主要采用REM的氧化物和CaO來提高韌性，如“具有在焊接熱影響區(qū)沖擊韌性較好的焊接接頭的大線能量焊接高強度鋼板”(CN101918607A)添加Ti/B元素形成TiO和TiO-(Ti，B)N₇MnS復(fù)合氧化物促進針狀鐵素體形成來提高韌性，又如“具有高焊接熱影響區(qū)韌性的高強鋼及其制造方法”(CN101165202A)采用超低碳控制焊后滲碳體(或M-A組元)形成來提高韌性；也有涉及采用改變焊接過程中的冷卻行為或焊后熱處理方法來提高韌性，如“一種提高焊接熱影響區(qū)沖擊韌性的在線工藝”(CN102152012A)在焊接過程中采用噴吹高壓氣體方式來提高韌性。這些專利采用實際焊接接頭來評價熱影響區(qū)韌性，均沒有涉及如何快速評價熱影響區(qū)的韌性。盡管針對焊接熱影響區(qū)韌性的惡化現(xiàn)象提出大量的改善方法，但是改善后的鋼板并不可能在任何焊接工藝參數(shù)下均能獲得良好的沖擊韌性。因此，如何篩選出合理焊接工藝參數(shù)也是非常重要的。

鋼板焊接熱影響區(qū)沖擊韌性的檢測與評估，通常采用的方法有兩種：一種采用實際焊接接頭，此方法盡管是一種直接且被普遍采用的評價熱影響區(qū)韌性的方法，但其前期處理工序較為復(fù)雜，如焊板需要開坡口、兩端分別搭接引弧和熄弧焊板。由于工藝參數(shù)較多，此方法檢測熱影響區(qū)韌性還需要耗費大量原材料，勞動強度大，經(jīng)濟性較差。當采用多道次焊接工藝后，道次間熱循環(huán)的相互作用導(dǎo)致熱影響區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其韌性評價的針對性不強，沖擊試樣取樣位置也會引起韌性值較為離散，降低了實驗結(jié)果篩選合理焊接工藝參數(shù)的有效性。另一種采用焊接熱模擬方法，此方法只是模擬了亞區(qū)焊接熱循環(huán)特征，重點分析單一亞區(qū)的沖擊韌性變化，并沒有體現(xiàn)熱影響區(qū)連續(xù)變化的顯微組織特征，因此，此方法不能表征熱影響區(qū)整體沖擊韌性的演變。

如上所述，同一鋼板在一個工程項目中可能會經(jīng)歷不同焊接方法的多種工藝參數(shù)的焊接工藝。因此，如何快速、便捷地篩選出合理焊接工藝，對確保焊接熱影響區(qū)沖擊韌性不被惡化和提高工程結(jié)構(gòu)的安全可靠性都是非常有必要的。然而，盡管熱影響區(qū)沖擊韌性的惡化程度是一個直接影響焊接接頭結(jié)構(gòu)完整性的重要參數(shù)，但目前它卻也沒有一種能夠快速、便捷、且可篩選焊接工藝參數(shù)的評估方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，尤其對于鋼板需要采用不同工藝參數(shù)的焊接時，不合理的工藝參數(shù)會明顯惡化焊接熱影響區(qū)沖擊韌性等問題，本發(fā)明提供了一種基于沖擊韌性快速篩選合理焊接工藝參數(shù)的方法；目的在于提供一種工藝簡單，成本低、操作便捷的快速評估焊接熱影響區(qū)沖擊韌性并篩選出合理焊接工藝參數(shù)的方法，解決目前焊接熱影響區(qū)沖擊韌性評價方法單一且操作復(fù)雜等問題，

本發(fā)明的基于沖擊韌性快速篩選合理焊接工藝參數(shù)的方法，主要用于快速評估焊接(主要指熔化焊)結(jié)構(gòu)用高強中厚鋼板的熱影響區(qū)沖擊韌性，尤其在不同熱輸入量條件下對焊接熱影響區(qū)沖擊韌性惡化程度進行評價，篩選出能夠獲得優(yōu)良焊接熱影響區(qū)韌性的合理工藝參數(shù)；具體包括如下步驟：

步驟1，鋼板預(yù)處理：

對鋼板進行預(yù)處理，清除表面氧化鐵皮和油污，使鋼板表面平整；

步驟2，單道次焊接：

在鋼板上，進行單道次焊接，獲得包含完整焊接熱影響區(qū)的焊板，其中，單道次焊接的工藝參數(shù)為：焊接電流、焊接電壓和焊接速度；

步驟3，制備沖擊試樣：

在焊板上，定義熱影響區(qū)內(nèi)最遠離原鋼板焊接表面的點，為熱影響區(qū)的中心點，垂直于原鋼板焊接平面且通過中心點的直線，為中心線；沖擊試樣為長方體，定義其最長的邊為沖擊試樣的長；

在焊板上，截取沖擊試樣，使沖擊試樣的長垂直于焊道方向，沖擊試樣的長平行于原鋼板焊接平面且以中心線為長的對稱線，中心線上的焊接熱影響區(qū)位于沖擊試樣厚度方向的中間位置，如果焊板不滿足沖擊試樣的尺寸，則增大鋼板厚度或長度，重新開始步驟1；

在沖擊試樣上開V型或U型缺口，使V型或U型缺口穿過沖擊試樣的熱影響區(qū)；

步驟4，沖擊試驗：

采用擺錘式或落錘式?jīng)_擊試驗機檢測沖擊試樣的沖擊韌性，獲得沖擊試樣的沖擊吸收功，觀察沖擊試樣的斷口表面形貌特征，確定熱影響區(qū)的沖擊斷裂行為；

步驟5，判斷焊接工藝參數(shù)是否合理：

如果同時滿足如下(a)和(b)條件，判斷焊接工藝參數(shù)，即焊接電流、焊接電壓和焊接速度合理；否則，則不合理；

(a)沖擊試樣的沖擊吸收功：焊板的沖擊吸收功≥1/2原鋼板的沖擊吸收功；

(b)熱影響區(qū)的沖擊斷裂行為為韌性斷裂。

上述的基于沖擊韌性快速篩選合理焊接工藝參數(shù)的方法中：

定義，焊接熱影響區(qū)內(nèi)，垂直原鋼板焊接平面的截面為焊接熱影響區(qū)的橫截面；

定義，焊接熱影響區(qū)，是指受焊接熱源的作用，焊縫周圍的母材發(fā)生固態(tài)相變行為以及力學(xué)性能變化的區(qū)域，通?？杉毞譃榇志^(qū)、細晶區(qū)、不完全相變區(qū)、和回火區(qū)。所述的完整焊接熱影響區(qū)，是指鋼板橫截面上包含了粗晶區(qū)、細晶區(qū)、不完全相變區(qū)和回火區(qū)的四個完整亞區(qū)的熱影響區(qū)。

所述步驟1中，鋼板是指低碳鋼、中碳鋼、低合金或中合金高強鋼板中的一種。

所述步驟1中，鋼板厚度大于等于5mm，寬度或長度大于等于55mm。

所述步驟1中，采用砂輪將鋼板的表面進行打磨，清除表面氧化鐵皮和油污。

所述步驟2中，在鋼板上進行單道次焊接的首次位置為鋼板中部。

所述步驟2中，焊接方式采用熔化焊，即為手工電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊或氬弧焊中的一種方法制備焊接接頭。

所述步驟2中，獲得包含完整焊接熱影響區(qū)的焊板，也意味著在鋼板的橫截面上包含完整焊接熱影響區(qū)。

所述步驟3中，沖擊試樣尺寸的選擇符合國家標準GB/T 229。

所述步驟3中，定義中心點距離鋼板焊接平面的距離減去焊縫熔池的深度為熱影響區(qū)寬度，則沖擊試樣的尺寸根據(jù)熱影響區(qū)的寬度來確定：當熱影響區(qū)寬度≤1mm(寬度較窄)時，沖擊試樣尺寸選擇5mm×10mm×55mm；當熱影響區(qū)寬度＞1mm(寬度較寬)時，沖擊試樣尺寸選擇7.5mm×10mm×55mm或10mm×10mm×55mm標準尺寸。

所述步驟3中，熱影響區(qū)位于沖擊試樣沿原鋼板厚度方向的中間位置。

所述步驟4中，沖擊吸收功即為沖擊韌性。

所述步驟4中，根據(jù)沖擊試樣斷口的形貌特征，判斷沖擊斷裂行為脆性斷裂、韌性斷裂或脆性斷裂-韌性斷裂同時發(fā)生。

所述步驟5中，通過評價沖擊試樣熱影響區(qū)的沖擊韌性，進一步判斷焊接工藝參數(shù)是否合理。

所述步驟5中，若熱影響區(qū)形成韌性斷口形貌特征，表明此焊接條件可以獲得具有較好沖擊韌性的熱影響區(qū)，所采用的焊接工藝較為合理；若試樣相比于母材的沖擊吸收功出現(xiàn)明顯降低且試樣的熱影響區(qū)出現(xiàn)脆性斷裂形式，表明此焊接條件下熱影響區(qū)的沖擊韌性惡化，所采用的焊接工藝參數(shù)不合理。

本發(fā)明基于沖擊韌性快速篩選合理焊接工藝參數(shù)的方法，如果最后判定焊接工藝參數(shù)合理，則該單道次焊接工藝參數(shù)，可應(yīng)用于該鋼板的單道次焊接或多道次焊接。

本發(fā)明的基于沖擊韌性快速篩選合理焊接工藝參數(shù)的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果為：

(1)采用單道次平板焊接制備焊接熱影響區(qū)，能夠完整地呈現(xiàn)不同焊接工藝參數(shù)下熱影響區(qū)的顯微組織變化，熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)較為簡單且在沖擊試樣斷口表面的位置明確，可以針對性強地評價所采用焊接工藝下熱影響區(qū)沖擊韌性的變化。

(2)根據(jù)鋼板厚度，可大范圍地調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，便于檢測不同工藝下焊接熱影響區(qū)沖擊韌性的惡化程度。

(3)鋼板的前期處理簡單，焊接工序少，操作便捷，節(jié)約成本，效率高，且焊接過程不受場地和環(huán)境的限制。

附圖說明

圖1本發(fā)明實施例中焊板截面示意圖及其沖擊式樣取樣位置；

圖2本發(fā)明實施例中沖擊試樣不同焊接工藝下的載荷-時間曲線圖；

圖3本發(fā)明實施例中沖擊試樣不同焊接工藝下的斷口宏觀形貌的掃描電鏡圖片；其中，白色箭頭所指為熔合線位置，(a)對應(yīng)焊接工藝1，(b)對應(yīng)焊接工藝2，(c)對應(yīng)焊接工藝3。

具體實施實例

實施例

一種基于沖擊韌性快速篩選合理焊接工藝參數(shù)的方法，具體包括如下步驟：

步驟1，Q690MPa高強鋼板預(yù)處理：

分別準備3塊尺寸為20mm×400mm×100mm的Q690MPa高強鋼板，分別對Q690MPa高強鋼板進行預(yù)處理，采用砂輪將鋼板的一表面進行打磨，清除表面氧化鐵皮和油污，使鋼板表面平整；

步驟2，單道次焊接：

分別在Q690MPa高強鋼板上的中部位置，采用埋弧焊進行單道次焊接，獲得包含完整焊接熱影響區(qū)的焊板，其中，3組單道次焊接的工藝參數(shù)為：焊接電流、焊接電壓和焊接速度，熱輸入量＝焊接電壓×焊接電流/焊接速度，具體參數(shù)見表1；

表1.單道次平板焊接的工藝參數(shù)

步驟3，制備沖擊試樣：

在焊板上，定義熱影響區(qū)內(nèi)最遠離原鋼板焊接表面的點，為熱影響區(qū)的中心點，垂直于原鋼板焊接平面且通過中心點的直線，為中心線；沖擊試樣為長方體，定義其最長的邊為沖擊試樣的長；

分別在焊板上，截取符合國家標準GB/T 229的沖擊試樣，截面示意圖及其沖擊試樣取樣位置如圖1所示，沖擊試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，使沖擊試樣的長垂直于焊道方向，沖擊試樣的長平行于原Q690MPa高強鋼板焊接平面且以中心線為長的對稱線，中心線上的焊接熱影響區(qū)位于沖擊試樣厚度方向的中間位置，熱影響區(qū)位于沖擊試樣沿原鋼板厚度方向的中間位置；在沖擊試樣上開V型或U型缺口，使V型或U型缺口穿過沖擊試樣的熱影響區(qū)；

本實施例熱影響區(qū)寬度為0.8～2.0mm，小于沖擊試樣厚度，沖擊試樣的取樣位置應(yīng)盡可能保證熱影響區(qū)在Charpy V型缺口的中間位置(對沖擊試樣坯料進行簡單粗磨，采用4％硝酸酒精腐蝕，即可清晰地觀察到熱影響區(qū)的尺寸和位置)；

為檢測沖擊韌性結(jié)果的離散性，每塊焊板上制備五個沖擊試樣，這樣對應(yīng)3組單道次焊接的工藝參數(shù)共制備出15個試樣；

步驟4，沖擊試驗：

采用落錘式?jīng)_擊試驗機檢測沖擊試樣的沖擊韌性，配備的載荷示波器可記錄沖擊過程中載荷-時間曲線，如圖2所示，獲得沖擊試樣的沖擊吸收功，觀察沖擊試樣的斷口表面形貌特征，確定熱影響區(qū)的沖擊斷裂行為；

步驟5，判斷焊接工藝參數(shù)是否合理：

(a)沖擊試樣的沖擊吸收功：

表2為沖擊試樣的沖擊韌性值，Q690MPa高強鋼板的沖擊吸收功為196J；可見，對應(yīng)焊接工藝1～3的焊板的沖擊吸收功均大于Q690MPa高強鋼板的沖擊吸收功的一半；

表2.所有試樣的沖擊韌性結(jié)果

(b)熱影響區(qū)的沖擊斷裂行為，根據(jù)斷口宏觀形貌來判斷，如圖3所示，可見，對應(yīng)焊接工藝1的圖3(a)為脆性斷裂和韌性斷裂同時發(fā)生，脆性斷裂出現(xiàn)在回火區(qū)，對應(yīng)焊接工藝2的圖3(b)為韌性斷裂，對應(yīng)焊接工藝3的圖3(c)為脆性斷裂和韌性斷裂同時發(fā)生，但以脆性斷裂為主，脆性斷裂出現(xiàn)在粗晶和細晶區(qū)；

由此可以判斷，焊接工藝2，同時滿足如下(a)和(b)條件，判斷焊接工藝參數(shù)，即焊接電流、焊接電壓和焊接速度合理，而焊接工藝1和焊接工藝3均不合理。

下面結(jié)合表和圖，對篩選合理焊接工藝參數(shù)的過程加以說明和進一步證明：

由圖2和表2并對比母材的沖擊韌性值可知，熱輸入量為1.38kJ/mm時，可以獲得近似于母材的沖擊韌性，另外兩組焊接工藝參數(shù)均不同程度地降低了焊接接頭的沖擊韌性。此外，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明所獲得的焊接接頭沖擊韌性值的離散度非常小。因此，對比后當焊接工藝參數(shù)的熱輸入量在1.38kJ/mm附近時，試驗鋼焊接熱影響具有較高的沖擊韌性；采用掃描電鏡觀察斷口形貌特征，如圖3所示，給出了三組不同焊接工藝下的斷口宏觀形貌。可以發(fā)現(xiàn)，當焊接工藝的熱輸入量為2.05kJ/mm時，熱影響區(qū)出現(xiàn)明顯的解理斷裂區(qū)域，即脆性斷裂形貌特征；當焊接工藝的熱輸入量為0.92kJ/mm時，盡管靠近熔合線的熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)脆性斷裂形貌特征，但在回火區(qū)出現(xiàn)明顯解理斷裂形貌；而當熱輸入量為1.38kJ/mm時，整個斷口均呈現(xiàn)韌性斷口形貌特征，驗證此組工藝參數(shù)可以保證焊接熱影響區(qū)具有較好沖擊韌性。

為了進一步驗證本發(fā)明的有效性，采用實際多道次埋弧焊接工藝制備實際焊接接頭，采用如表1所示的焊接工藝參數(shù)，道次間溫度均控制在120～150℃，檢測實際焊接接頭熱影響區(qū)的沖擊韌性，發(fā)現(xiàn)當熱輸入量在1.38kJ/mm附近，獲得的沖擊韌性較好，平均值為127J，而當焊接工藝的熱輸入量為2.05kJ/mm或更高時，沖擊韌性明顯下降(當熱輸入量為2.05kJ/mm時，平均值為43J；當熱輸入量為4.5kJ/mm時，熱影響平均沖擊韌性僅為27J)。因此，驗證了本發(fā)明對篩選焊接工藝參數(shù)的有效性，進而保證了焊接熱影響的沖擊韌性。