低碳钢焊接层间温度对焊缝金属冲击韧性的影响

【摘 要】部分钢铁材料在两相区高温变形时，流变应力往往不随变形温度升高而降低，而是在两相区内出现流变应力的谷值。本文主要对低碳钢焊接层间温度对焊缝金属冲击韧性的影响进行了简要的分析，以供参考。

【关键词】低碳钢；焊接层间温度；焊缝金属冲击韧性；影响

中图分类号：TG174 文献标识码：A

引言

轨道列车碳钢材料由低合金钢、耐候钢发展到第四代碳钢材料高强钢并日趋成熟，其焊接技术也被国内主机厂广泛使用，其产品已形成标准化、系列化、参数化的发展模式。本文主要对低碳钢焊接层间温度对焊缝金属冲击韧性的影响进行了简要的分析。

1碳钢列车焊接技术研究现状

由于碳钢材料自身的特点，在选择熔化焊方法时优先选择具有氧化性的GMAW以保证焊接过程中的电弧稳定性。在轨道列车发展初期，主要使用焊条电弧焊配合J506WCu、J502WCu等焊条对耐候钢Q345产品进行焊接。随着焊接设备的发展和升级，为满足高效率的生产要求，自动焊接替代手工焊接应用至轨道列车制造行业，目前碳钢列车制造主要使用MAG焊。如前所述，相对于CO2保护气体，选用富Ar气[φ（Ar）80%+φ（CO2）20%]作为保护气体，熔滴过渡形式为短路过渡或稳定射流过渡，电弧弧长较短，焊道的熔深较浅，指状熔深特点不明显，焊缝成形良好，接头具有良好的抗拉强度、屈服强度、延伸率及低温冲击韧性。短路过渡的出现使得在焊接薄板时不仅可以平焊、立焊还能全位置焊接。纯Ar气体保护焊焊接碳钢材料时，电弧不稳而使保护效果变差，焊缝金属韧性降低。

2层间温度控制超标

2.1案例描述

我们在进行P92钢φ330mm×50mm规格焊接工艺评定焊后热处理时发现，

手持远红外测温仪测量温度的数值与Preheat35热处理机（点焊式）所测量的温度数值有40℃的误差。经仪器检定表明，手持远红外测温仪所测量的温度偏低，也就是说P92钢焊接时实际的预热温度、层间温度控制高了40℃，预热控制实际为240～250℃，层间温度控制实际为250～290℃，根据标准DL/T819—2010《火力发电厂焊接热处理技术规程》要求可知，该焊接件层间温度超标。因此，我们又按方案要求重新进行了焊接工艺评定试件的焊接，并同时对这两条焊缝进行了无损检测、力学性能和理化试验。试验结果表明，层间温度超标的试样除了冲击韧性值偏低外，其余拉伸、弯曲、金属组织等试验数据相差不大。于是，我们又对本单位所进行的T/P92钢焊接工艺评定所进行的冲击韧性数据进行了统计，如附表所示。

2.2原因分析

由附表数据可知，冲击韧性值与层间温度控制影响很密切，温度控制低则冲击韧性值较高。第一，通过浙江华能玉环电厂4台百万机组的安装，国电信息网出台了《T/P92钢焊接指导性工艺》，工艺规定T/P92钢层间温度控制温度为≤300℃；随着T/P92钢应用技术的成熟，层间温度的控制温度降为≤250℃，并在DL/T819、DL/T869标准中先后进行了明确规定。第二，当焊接时层间温度控制在250℃以下时，冲击值较高；当层间温度控制在300℃以下焊接时，冲击值较低，与层间温度控制在250℃以下焊接时的焊缝相差较大，且有些值处于41J的合格临界值边缘。第三，T92钢由于是小径薄壁管，散热状态较好，层间温度容易控制，故冲击值较为理想；而大径厚管则由于散热不好，控制较难，冲击值处于合格临界值偏上。若测温手段等其他不利因素存在，则不能保证其焊缝的质量。第四，层间温度是焊接过程中焊接时该层与前一层的温度它不是前一层焊接前的瞬时温度，而是一个动态的温度控制。层间温度控制主要应从以下几个方面控制：①测量仪器的正确性。②测量位置的正确性。③测量的连续性或测量的频次。

2.3控制措施

第一，预热温度的上下温差区间应尽可能窄，应控制在200～210℃。焊缝2G位置可采用绳状加热器，焊缝5G、6G位置则应采用块状履带加热器，块状履带加热器功率应小而多，更容易保证焊缝周圈温度的控制并相接近。缩小焊缝的预热温度区间，从而增大了焊缝焊接时温度的控制区间。第二，加强测温仪器仪表的检定，使仪器仪表一直处于合格有效期内且数据正确，并进行温度数据的校正。第三，焊接时应控制热输入，主要是层道厚度、焊道宽度的控制，应在保证焊缝质量的情况下尽可能的采用最小的焊接热输入。第四，控制焊接的节奏，加强层间温度的测量控制，层间温度并不是焊接前底层的温度，而是一个动态的温度，应在焊接过程中跟踪测量底层的温度，一旦接近上温度控制点时应立即停止焊接，规范测量方法如图3所示。第五，预热时，应在加热履带外且接近坡口处布置一支热电偶，作为远红外测温仪或其他测温工具测温的基准点，防止远红外测温仪等出现设备问题时影响焊缝的焊接质量。

3碳钢材料典型保温层下腐蚀

碳钢材料易发生保温层下腐蚀的温度区间一般集中在-4℃～150℃之间，温度作为保温层下腐蚀发生的一个重要因素，还影响腐蚀速率的快慢。保温层下的腐蚀环境可看作是个封闭的系统，随着温度的升高，系统内的氧浓度增大，保温层下金属的腐蚀速率也随之提高；伴随持续高温，水分在金属表面更易蒸发，导致腐蚀介质的浓缩和沉积，腐蚀速率进一步提高；当温度持续升高达到120℃时，保温层结构逐渐达到干燥状态，金属表面水分蒸发殆尽，无法形成电解质溶液薄膜，此时保温层下腐蚀速率为零；然而当温度降低后保温层被重新浸湿，腐蚀速率在干湿交替的过渡区域内出现很大波动并产生峰值，这主要是由于高温干燥状态促使了腐蚀介质的浓缩和聚积，因此越是工作温度变化范围较大的碳钢材料保温层下腐蚀越明显。碳钢材料的外防腐涂层，能够有效隔离腐蚀介质与金属表面的接触，阻止保温层下腐蚀的发生。因此防腐涂层的使用寿命直接影响着碳钢材料的使用寿命，有效延长防腐涂层的使用寿命，要从以下两点出发：（1）金属材料表面处理。金属表面处理是防腐涂层施工的关键，通过喷砂或电动等处理手段，使金属材料表面粗糙度达到一定的等级，良好的表面基层能够增加防腐涂层与金属表面的黏合力，延长防腐涂层的使用寿命。（2）防腐涂层方案的选择。防腐涂装方案应根据介质的操作温度及环境因素，按照最苛刻的条件选用涂料的种类及涂层的厚度，以保证防腐的效果。（3）应用先进的检验手段。碳钢材料保温层下腐蚀具备隐蔽性，给检验带来了很大困难，如果大面积拆除保温进行检查，必然造成施工成本过大。此时可采用先进的检验手段，如导波检验，在不必大面积拆除保温层的情况下，对检测的管道安全等级进行整体评估。

结束语

低碳钢焊缝层间温度与焊后热处理温度控制应按热处理工艺卡要求严格执行，而热处理工艺卡编制时应严格按焊接工艺评定实施时的热处理方案进行编制。

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（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）

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