0. 引言

熱電聯產、集中供熱等的大力推廣使得熱力管道的需求量越來越大[1-2]。12CrMoV鋼因具有良好的耐高溫和耐腐蝕性能而成為制造熱力管道的常用材料[3-4]。目前,在我國熱力管道的制造中,常采用火焰切割的方式對板材進行加工,并利用焊接方法制成鋼管[5]。隨著激光加工方式的普及,激光切割加工也應用十分廣泛。激光切割與火焰切割均屬于熱切割,會導致材料中的元素與氧氣或輔助氣體發生化學反應,最終影響材料的化學成分,同時切割熱量較大時也會導致材料組織和性能發生變化,這些因素都將影響焊接接頭的性能[6-7]。因此,為了保證焊接質量,需要對切割出的焊接坡口進行打磨或采用再加工的方式去除表面的氧化皮和污染物[8]。目前,隨著熱切割技術的不斷發展,熱切割方法的自動化水平提高,使得熱切割表面質量大幅度上升[9]。若能實現熱切割坡口無需加工直接焊接,將在很大程度上節約時間,提高生產效率,降低生產成本,對于提高產品的競爭水平具有十分重要的現實意義,但是目前這種工藝還未在焊接結構中得到廣泛應用。馬清波等[10]研究指出,Q345E鋼在經過火焰切割后直接進行焊接的接頭與經過機械加工后焊接的接頭相比,組織與力學性能基本相同,故在保證火焰切割面質量的前提下直接進行焊接是可行的。TINGAEV等[11]研究發現,采用火焰切割方法對S345、S390低合金鋼進行切割后,切削區碳含量增加,硅、錳、鉻含量降低,而采用等離子切割,主要合金元素含量變化不大。DIEKHOFF等[12]采用火焰切割20mm厚S355N和S690Q建筑鋼板,發現切割邊緣的缺陷對焊接接頭疲勞強度的影響不大。研究[13]表明,在切割參數合理的情況下激光切割的表面質量遠優于火焰切割。為了驗證不同方式熱切割坡口直接焊接的可行性,作者分別采用火焰切割和激光切割2種方式在12CrMoV鋼板上加工出坡口,然后直接對鋼板進行氬弧焊接,對比研究了不同坡口切割方式下接頭的顯微組織和力學性能,以期為熱力管道、壓力容器等產品的生產提供理論依據。

1. 試樣制備與試驗方法

母材為熱軋態12CrMoV低合金結構鋼板,尺寸為300mm×150mm×10mm,組織主要由珠光體+鐵素體組成。焊材選用YT50-6型焊絲,直徑為1.2mm。母材和焊絲的化學成分見表1。

焊接接頭采用對接接頭形式,坡口形式為“V”形坡口,坡口角度為單邊30°±5°,對接間隙在1~2mm。采用火焰切割和激光切割2種方式加工坡口：火焰切割時采用CG1-30型改進型半自動氣割機,火焰類型為甲烷,流量為5L·min−1,切割速度為30mm·min−1,噴嘴高度為5mm；激光切割時采用G24030LB型光纖激光切割機,切割激光功率為9000W,切割速度為2200mm·min−1。選擇切割表面質量好、表面干凈且無明顯可見的污染物或缺陷的鋼板進行觀察。由圖1可以看出：火焰切割后坡口表面較粗糙,存在一層黑色氧化皮,邊緣處存在掛渣；激光切割后坡口表面存在周期性條紋狀溝壑,無明顯熱變形、變質、掛渣等缺陷。采用WSM-400型逆變直流脈沖氬弧焊機對開坡口鋼板進行對接焊接,焊前預熱溫度為150~250℃,焊接層間溫度控制在150~250℃,具體焊接參數見表2。

圖 1不同方式切割坡口的表面形貌

Figure 1.Appearance of groove surface by different cutting methods: (a) flame cutting and (b) laser cutting

焊接完成后,先檢查接頭是否存在外觀缺陷,再采用XXG-3505D型陶瓷定向型便攜式X射線探傷機對焊縫進行無損檢測,使用DL-2000+型LED工業射線底片觀光燈分析焊縫中是否存在焊接缺陷。采用電火花線切割機床以焊縫為中心切割出尺寸為45mm×10mm×10mm的試樣,進行打磨、拋光,再用體積分數4%硝酸乙醇溶液腐蝕后,采用Nikon-MR5000型光學顯微鏡觀察接頭顯微組織,利用電子探針分析熱影響區粗晶區的微區成分。按照GB/T4240—2019《不銹鋼絲》,采用YZHV-1000C型顯微維氏硬度計分別測試接頭填充層和蓋面層的硬度,從焊縫中心向母材一側進行測試,載荷為200N,保載時間為15s,測試間距為0.5mm,距焊縫中心相同距離處測3次取平均值。按照GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》,在接頭上以焊縫為中心垂直于焊接方向截取如圖2所示的拉伸試樣,采用WDW2200型萬能拉伸試驗機在室溫下進行拉伸試驗,拉伸速度為2mm·min−1。按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》和GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》,在接頭上截取尺寸為55mm×5mm×10mm的沖擊試樣,缺口分別位于焊縫和熔合線處,采用FIT 302B型全自動落錘沖擊試驗機進行室溫沖擊試驗。采用Sigma500型掃描電鏡（SEM）觀察拉伸和沖擊斷口形貌。按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》,在接頭上以焊縫為中心垂直于焊接方向截取尺寸為60mm×20mm×3mm的彎曲試樣,采用WDW-G型萬能試驗機進行室溫三點面彎和背彎試驗,彎軸直徑為10mm。

圖 2拉伸試樣尺寸

Figure 2.Size of tensile sample

2. 試驗結果與討論

2.1 宏觀缺陷

通過外觀檢查發現：不同坡口切割方式下焊縫均成形良好,表面無氣孔、夾渣、咬邊、燒穿、塌陷等缺陷,焊縫紋路勻稱,焊縫余高未超過母材厚度的10%,焊縫背面未出現焊瘤；接頭整體變形程度較小,僅存在輕微的角變形現象。由圖3可見：火焰切割方式下接頭焊縫內存在細小的不規則點狀陰影（方框區域所示）,黑度變化無規律,說明該焊縫內部存在夾渣缺陷,但未見其他缺陷存在；激光切割方式下焊縫內部無明顯黑色陰影存在,說明焊縫內部無氣孔、裂紋、夾渣、未焊透等現象,該焊縫質量良好。根據NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》,2種坡口切割方式下接頭均評定為Ⅰ級接頭。

圖 3不同坡口切割方式下焊縫的X射線檢測結果

Figure 3.X-ray detection results of welds under different groove cutting methods: (a) flame cutting and (b) laser cutting

2.2 顯微組織

焊接接頭均由焊縫區、熱影響區（粗晶區和細晶區）、母材區組成。由圖4可見,2種坡口切割方式下接頭的組織基本相同,焊縫區的組織主要為先共析鐵素體+貝氏體+少量碳化物,熱影響區粗晶區組織為貝氏體+鐵素體,細晶區為細小的鐵素體+珠光體,火焰切割方式下熱影響區粗晶區的鐵素體含量比激光切割方式下高。由于火焰切割低合金鋼時,切割面會發生選擇性氧化,導致碳、鎳、鉬和銅等元素含量升高,而錳、鉻、硫等元素含量降低[14],同時焊縫成分主要取決于焊絲,因此對熱影響區粗晶區進行元素定量分析。由表3可知,火焰切割方式下熱影響區粗晶區的合金元素總的質量分數比激光切割方式下低0.49%。低合金鋼中的鉬元素對奧氏體分解成珠光體有著很強抑制作用,鉬、鉻元素可以擴大貝氏體轉變溫度范圍,有利于粒狀貝氏體形成,釩元素能夠抑制其他碳化物的析出,有效減少上貝氏體的形成[15-16]。因此,12CrMoV低合金鋼在焊接后極易得到粒狀貝氏體。2種坡口切割方式下接頭熱影響區細晶區受焊接熱循環的影響較小,組織分布均勻,晶粒大小無明顯差異。

圖 4不同坡口切割方式下接頭不同區域的顯微組織

Figure 4.Microstructures of different areas of joints under different groove cutting methods: (a) flame cutting, weld; (b) laser cutting, weld; (c) flame cutting, coarse-grained heat-affected zone; (d) laser cutting, coarse-grained heat-affected zone; (e) flame cutting, fine-grained heat-affected zone and (f) laser cutting, fine-grained heat-affected zone

2.3 顯微硬度

由圖5可見：不同坡口切割方式下接頭的顯微硬度分布不均勻,焊縫硬度略高于熱影響區,母材的平均顯微硬度在160HV左右；蓋面層的硬度略高于填充層,這是因為后續焊接的熱輸入對填充層進行了類似熱處理的作用,從而降低了填充層的顯微硬度。接頭的維氏硬度都滿足GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》標準要求（焊縫的維氏硬度不能超過母材105HV左右）,但激光切割方式下接頭熱影響區的硬度分布比火焰切割方式下更均勻,說明激光切割坡口后得到的接頭熱影響區組織更加均勻。

圖 5不同坡口切割方式下接頭的硬度分布

Figure 5.Hardness distribution of joints under different groove cutting methods: (a) flame cutting and (b) laser cutting

2.4 沖擊性能

由表4可以看出：火焰切割方式下接頭焊縫的沖擊吸收能量滿足GB/T 2650—2008標準要求（3個沖擊試樣沖擊吸收能量的算術平均值不應低于母材標準規定的最低值,允許其中1個試樣低于規定值,但不得低于規定值的70%,母材的室溫沖擊吸收能量為78J）,熱影響區的沖擊吸收能量不滿足標準要求；激光切割方式下接頭焊縫和熱影響區的沖擊吸收能量均滿足標準要求。火焰切割方式下接頭的沖擊性能不合格,說明火焰切割坡口后直接進行焊接對焊接接頭的沖擊性能有不利影響。由圖6可見,不同坡口切割方式下接頭熱影響區的沖擊斷口均存在明顯的變形,說明熱影響區的斷裂類型為韌性斷裂,此外火焰切割方式下熱影響區沖擊斷口還存在裂紋。火焰切割坡口后表面殘留有氧化皮,會阻止焊接過程中金屬的熔化,使得需要增加熱輸入來保證焊接過程的進行,這會引起焊接區局部溫度升高,熱影響區寬度增加,導致熱影響區的沖擊性能降低；同時坡口表面存在的氧化皮會導致熔池不穩定,影響焊接質量,使得熱影響區形成細小裂紋[17],在沖擊過程中裂紋擴展。不同坡口切割方式下接頭熱影響區的沖擊斷口均由放射區和纖維區組成,放射區主要由解理面匯合形成的河流花樣組成,纖維區分布著大量的韌窩。與激光切割方式相比,火焰切割方式下接頭熱影響區沖擊斷口中的河流花樣較為平坦,韌窩數量少且尺寸小；火焰切割方式下接頭熱影響區的沖擊性能較差。

圖 6不同坡口切割方式下接頭熱影響區沖擊斷口的宏觀形貌和SEM形貌

Figure 6.Macromorphology (a–b) and SEM morphology (c–d) of impact fracture of heat affected zone of joints under different groove cutting methods: (a, c) flame cutting and (b, d) laser cutting

2.5 拉伸性能

JB/T 4730.2—2005《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》標準規定,焊接接頭橫向抗拉強度不得低于低合鋼母材規定值（12CrMoV鋼母材規定值為440~640MPa）的下限,斷后伸長率應不小于母材（12CrMoV鋼母材規定值為22%）。火焰和激光切割方式下接頭的抗拉強度分別為510,517MPa,斷后伸長率分別為22.70%,24.45%。可見,2種坡口切割方式下接頭的抗拉強度和斷后伸長率均符合標準要求。觀察發現,所有拉伸試樣斷口處均存在明顯的頸縮現象,形成杯狀的剪切唇,說明試樣均發生韌性斷裂,且斷裂位置均位于母材。可知,2種坡口切割方式下接頭的拉伸性能均滿足要求。焊縫和熱影響區形成的粒狀貝氏體有助于提高接頭的強度[18],因此試樣均在母材處斷裂。

由圖7可見：火焰切割方式下拉伸試樣斷口在低倍下呈現凹凸不平的纖維狀形貌,高倍下斷口分布著大小不一的韌窩,主要以小韌窩為主,大韌窩數量較少,斷口參差不齊,斷裂形式為韌性斷裂,同時局部存在解理面,說明該區域發生脆性斷裂；激光切割方式下拉伸試樣斷口呈韌窩形貌,斷裂形式為韌性斷裂。這是因為火焰切割方式下接頭組織不均勻,部分區域硬度較高,在拉伸時局部出現脆性斷裂,而激光切割方式下組織均勻,在拉伸時只發生韌性斷裂。

圖 7不同坡口切割方式下接頭拉伸試樣的斷口SEM形貌

Figure 7.SEM morphology of fracture of tensile samples of joint under different groove cutting methods: (a) flame cutting, at low magnification; (b) flame cutting, at high magnification; (c) laser cutting, at low magnification and (d) laser cutting, at high magnification

2.6 彎曲性能

由圖8可見,面彎試驗后火焰切割方式下試樣表面沒有明顯缺陷,背彎試驗后試樣棱邊存在連續開裂現象,說明接頭的塑性較差。火焰切割坡口有氧化皮存在,坡口底部有掛渣現象,焊接時需要更大的焊接熱輸入,這會增加焊縫及熱影響區的殘余應力,而這些殘余應力在結構承載時會與工作應力疊加,形成更高的應力集中；同時由于接頭內部還存在連續的夾渣缺陷,在彎曲應力作用下該缺陷易產生應力集中,成為裂紋源,從而出現開裂現象。激光切割方式下接頭試樣面彎和背彎試驗后表面均未見明顯缺陷,未出現開裂現象,這表明該接頭具有良好的塑性。

圖 8不同坡口切割方式下接頭面彎和背彎后的宏觀形貌

Figure 8.Macromorphology of joints under different groove cutting methods after face bending (a–b) and back bending (c–d): (a, c) flame cutting and (b, d) laser cutting

3. 結論

（1）2種坡口切割方式下焊縫表面均成形良好,但火焰切割方式下焊縫內部存在夾渣缺陷,而激光切割方式下焊縫內部無明顯缺陷。2種坡口切割方式下接頭熱影響區粗晶區組織均由粒狀貝氏體和鐵素體構成,火焰切割方式下的鐵素體含量更高,合金元素總含量較激光切割方式下低0.49％。

（2）2種坡口切割方式下接頭的硬度均滿足標準要求,但激光切割方式下接頭熱影響區的硬度分布更均勻。火焰切割方式下接頭熱影響區的室溫沖擊吸收能量不滿足標準要求,沖擊性能較差,而激光切割方式下的室溫沖擊吸收能量滿足標準要求,沖擊性能較好,沖擊斷口中韌窩數量更多,尺寸更大。2種坡口切割方式下接頭的拉伸性能均滿足標準要求,且均優于母材。彎曲試驗后火焰切割方式下接頭出現連續開裂現象,塑性較差,而激光切割方式下接頭未見裂紋,塑性較好。

（3）對于不重要或者對服役性能要求不高的結構,可以考慮采用激光切割坡口后直接進行焊接,而對于一些重要的承載結構,仍需對坡口進行機加工后再進行焊接。

文章來源——材料與測試網