杜 凯,张忠和

(沈阳鼓风机集团股份有限公司,沈阳110869)

FV520B钢和Q235A钢焊接接头的维氏硬度试验

杜 凯,张忠和

(沈阳鼓风机集团股份有限公司,沈阳110869)

在没有x-y轴移动装置的HV-120型维氏硬度计上,仅增加简单的辅助工具,成功完成了FV520B马氏体沉淀硬化不锈钢和Q235A钢V型焊缝焊接接头的维氏硬度试验。结果表明: FV520B钢焊接接头的焊缝、熔合线、热影响区以及母材的维氏硬度差别较小,硬度分布比较均匀,焊接质量满意;Q235A钢焊接接头的焊缝、熔合线、热影响区以及母材的维氏硬度差别更小,硬度分布更加均匀,焊接质量更好。该试验方法操作简单、方便实用,可以完成V型焊缝焊接接头的维氏硬度测试,对使用没有x-y轴移动装置的维氏硬度计的企业进行焊缝质量评定具有借鉴作用。

FV520B钢;Q235 A钢;焊接接头;V型焊缝;维氏硬度试验

在机械设备、尤其是压力容器的制造过程中,金属材料的焊接是一道非常重要的热加工工序,焊接工艺的正确与否是保证焊接件质量的重要基础。为了保证焊接工艺的正确和可靠,对焊接工艺进行评定是非常必要的。按照标准规定,新拟定的焊接工艺、改变了焊接方法的焊接工艺或改变了重要焊接参数的焊接工艺都要进行焊接工艺评定,焊接工艺评定包括力学性能(拉伸、冲击、硬度等)试验和弯曲性能试验等[1]。其中,焊接接头的硬度试验是焊接工艺评定的方法之一,它能够反映焊缝区域的组织结构和力学性能的变化情况,可作为衡量材料可焊性的重要试验数据,在焊接工艺评定的力学性能试验中起到越来越重要的作用。该试验是按照GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》[2]进行的,另外还参考了相关文献[3-4]。

在维氏硬度计没有x-y轴移动装置的情况下,为测试FV520B钢和Q235A钢焊接接头的维氏硬度,利用HV-120型维氏硬度计,借助简单的辅助工具,对FV520B钢和Q235A钢V型焊缝焊接接头的维氏硬度进行测试,以期给使用没有x-y轴移动装置的维氏硬度计进行焊缝质量评定的人员提供借鉴作用。

1 试验材料及其焊接工艺

1.1 试验材料

试验所选用的材料有两种。一种是FV520B (0Cr13Ni5Cu MoNb)马氏体沉淀硬化不锈钢(母材),电炉冶炼,电渣重熔精炼,经锻造及超声波探伤检验合格后进行焊接试验,对应的焊材牌号为FBE0-12-7-15。FV520B钢焊后进行热处理(固溶、调整、时效),1号、2号焊接试样的时效温度不同,1号试样为480℃,2号试样为560℃。另一种母材为Q235 A钢板材,焊材牌号为ER70S-6,焊后同样进行热处理。试验所用材料的化学成分见表1,可见其完全符合相关标准和焊接材料的要求。

表1 试验材料的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of test materials（mass）%

1.2 焊接工艺

FV520B钢选用焊条电弧焊,焊接前在坡口及两侧母材50 mm范围内清理铁锈、清洗油污,采用多层多道焊接,试样尺寸及坡口焊层的形状见图1,层间清渣,无缺陷后再焊下一层,层间温度150～200℃,焊接工艺主要参数见表2。

Q235A钢板材选用半自动CO2气体保护焊进行焊接,保护气体为80%Ar+20%CO2(体积分数),气体流量为15～25 L·min—1。焊接前清理铁锈、清洗油污,多层多道焊接的层间进行清渣确保无缺陷,层间温度不大于250℃,试样尺寸及坡口焊层的形状与图1类似,焊接工艺主要参数见表2。

图1 试样尺寸及坡口焊层的形状Fig.1 The specimen size and groove weld layer shape：（a）specimen size；（b）groove weld layer shape

表2 FV520B钢和Q235A钢的焊接工艺参数Tab.2 Welding process parameters of FV520B steel and Q235A steel

2 试验方法

2.1 试验设备及辅助工具

试验采用原山东掖县材料试验机厂生产的HV-120型维氏硬度计,圆形工作试台直径为135.0 mm,测量读数显微镜放大倍数为125倍,微分筒最小分度值为0.001 mm。游标卡尺的测量范围为0～150 mm,读数分度值(精度值)为0.02 mm。其他辅助工具还有塑料三角尺和铁夹,旧标准块HV10。

2.2 维氏硬度试验方法

该焊接接头的维氏硬度试验参照GB/T 2654—2008进行,FV520B钢采用的是单点测定(E)法,测试区域及位置见图2(a),各区域的测试点为3个,比标准要求多测了一个;Q235A钢采用的是标线测定(R)法,标线位置见图2(b),压痕点之间的距离为1 mm,呈直线排列。

图2 维氏硬度测试点和标线位置示意图Fig.2 Schematic diagram of measuring points and graticule positions of Vickers hardness：

由于焊接接头的热影响区比较狭小、熔合线呈浅纹状,应选用工作台具有x-y轴移动功能的维氏硬度计进行测试,才能够保证维氏硬度压痕点处在准确的位置。但该试验选用的HV-120型维氏硬度计不具备x-y轴移动功能,笔者借助一些比较简单的辅助工具,保证了试样能够在工作台上前、后、左、右平稳移动,从而实现对焊接试样的焊缝、熔合线、热影响区、母材等部位进行维氏硬度的层次试验。

2.3 FV520B钢的维氏硬度试验

维氏硬度试验选择的载荷为98.07 N(10 kgf),保持载荷时间为10 s。首先在焊缝上进行维氏硬度试验,将试样放在工作台中,使压头与试样表面接触,垂直于试验面施加试验力,在加力的过程中不能有冲击和振动,直到将试验力加至规定的98.07 N,保持载荷10 s。然后卸除载荷,测量压痕两条对角线的长度,用其算术平均值查表[5]得出维氏硬度。之后按照上述的试验程序,分别在热影响区和母材上进行维氏硬度试验,热影响区的压痕要尽量靠近熔合线。

图3 A,B测试线的起始点位置Fig.3 The starting positions of the measuring lines A and B：

2.4 Q235A钢的维氏硬度试验

(1)如图3(a)所示,对焊接接头试样的A线(即焊缝中心位置)进行维氏硬度试验[6]。首先要确定A线处在焊缝的中心位置,工作台的直径为135.0 mm,其半径为67.5 mm,既是工作台的中心点也是压头在工作试台的中心点,又是硬度压痕的起始点。试样长度为40 mm,中心尺寸为20 mm, 20 mm的位置即为焊缝的中心位置。将试样摆放在工作台上,试样的边部距工作台边部的距离应为47.5 mm,同样47.5 mm就是确定焊缝中心A线的位置。然后用铁夹将塑料三角尺夹在工作台上,试样必须与三角尺紧密对接无间隙,这样就能保证试样不会上下移动,其主要目的是起到定位的作用。此时即可进行硬度试验,每打一点后用游标卡尺的深浅尺(尾尺)向左侧轻推试样,使试样移动1 mm,用此方法反复操作,就能够保证相邻压痕间距为1 mm且呈直线排列。

(2)如图3(b)所示,对焊接接头试样的B线进行维氏硬度试验。将试样旋转90°后,确定试样边部与工作试台边部的距离为56.5 mm,此距离就是压痕在B线上的起始点。同样要求试样与塑料三角尺紧密对接无间隙。打一点后,用游标卡尺的深浅尺(尾尺)向左侧轻推试样,反复进行就能满足相邻压痕间距为1 mm,且呈直线排列。将试样旋转180°,使用同样方法即可测得焊接接头试样C线的硬度。

(3)对焊接接头试样的D线和E线(即熔合线位置)进行维氏硬度试验。为了保证试样的压痕处在熔合线上,需要在旧标准块上打一点压痕后,调整硬度计的目镜使压痕清晰,再将测量读数显微镜中的左侧刻线对正压痕上、下两个角,如图4所示。然后拿掉旧标准块,将试样放在工作试台上,使熔合线对正测量读数显微镜中的左侧刻线,即熔合线与读数显微镜中的左侧刻线重叠,这样能够保证压痕正好在熔合线上,此时再进行维氏硬度试验[6],反复进行即可。

Q235 A钢标线测定(R)法硬度试验的压痕试验点位置如图5所示。

图4 确定熔合线的位置Fig.4 Determination of the fusion line

图5 Q235A钢的硬度测试点位置Fig.5 The location of the measuring points of Q235A steel

3 试验结果与讨论

3.1 试验结果

FV520B钢的维氏硬度试验结果见表3,Q235 A钢的维氏硬度试验结果见表4。

表3 FV520B钢的维氏硬度试验结果Tab.3 Test results of Vickers hardness of FV520B steel H V10

表4 Q235A钢的维氏硬度试验结果Tab.4 Test results of Vickers hardness of Q235A steel H V10

3.2 讨论

从FV520B钢的维氏硬度试验结果可以看出: 1号试样热影响区的维氏硬度略低一些,但总体来看各区域的维氏硬度差别不是很大;2号试样焊缝的维氏硬度略低一些,但焊接各区域的差值也更小一些,即焊接效果较好。对比1号、2号试样的维氏硬度,由于时效温度不同(1号试样480℃时效,2号试样560℃时效),因此维氏硬度也不同,各区的硬度同样随时效温度的提高而下降,也就是时效温度对焊接各区域硬度的影响规律完全符合对母材的影响规律。

从Q235A钢的维氏硬度试验结果可以看出,焊缝区域的维氏硬度最高,平均值在170 HV10以上;母材的维氏硬度最低,平均值接近但不超过160 HV10;热影响区的硬度介于焊缝和母材之间,熔合线的硬度非常均匀,在164～166 HV10,10个测试点的硬度几乎没有区别,平均值低于焊缝的、高于左侧热影响区的但低于右侧热影响区的。虽然硬度有上述变化规律,但总体来看各区域硬度差别不大,硬度分布均匀,也就是说焊接效果良好。

4 结论

(1)FV520B马氏体沉淀硬化不锈钢应用焊条手工电弧焊进行焊接,其焊接接头的维氏硬度试验结果显示,焊接接头的焊缝、热影响区以及母材的维氏硬度差别不大,硬度分布比较均匀,焊接效果满意。

(2)Q235 A钢板材应用CO2气体保护焊进行焊接,其焊接接头的维氏硬度试验结果显示,焊接接头的焊缝、熔合线、热影响区及母材的维氏硬度差别比FV520B钢焊接接头的更小,硬度分布更加均匀,焊接效果更好。

(3)该试验使用没有x-y轴移动装置的HV-120型维氏硬度计,在仅增加简单辅助工具(三角尺、铁夹、游标卡尺等)的情况下进行维氏硬度试验,不仅保证了压痕点之间距离的精确性(间距1 mm,呈直线排列)及压痕点至边缘部位尺寸位置的精确性,而且测试出了焊缝、熔合线、热影响区、母材各区域硬度的变化规律,成功地完成了V型焊缝焊接接头的维氏硬度试验,既发挥了老设备的作用,又满足了工艺的要求和生产的需求,对使用没有x-y轴移动装置的维氏硬度计的企业进行焊缝质量评定具有借鉴作用。

[1] NB/T 47014—2011 承压设备焊接工艺评定[S].

[2] GB/T 2654—2008 焊接接头硬度试验方法[S].

[3] 黄书泽,丁彪,邹凤平,等.试验载荷对维氏硬度测试误差的影响[J].理化检验-物理分册,2014,50(2):79-83.

[4] 杜凯,朱丽君.布氏硬度压痕测量装置的期间核查[J].理化检验-物理分册,2015,51(11):79-83.

[5] GB/T 4340.4—2009 金属材料维氏硬度试验第4部份:硬度值表[S].

[6] GB/T 4340.1—2009 金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法[S].

Vickers Hardness Test of Welding Joints of FV520B Steel and Q235A Steel

DU Kai,ZHANG Zhong-he
(Shenyang Blower Works Group Corporation,Shenyang 110869,China)

The Vickers hardness tests of V-type welding joints of FV520B steel,a kind of martensitic precipitation hardening stainless steel,and Q235A steel were successfully completed by HV-120 type Vickers hardness tester which had no x-y coordinate bench and was equipped with some simple auxiliary tools.The results show that:the Vickers hardness difference among welding seam,fusion line,heat affected zone and base metal of the welding joint of FV520B steel was small,the hardness was well distributed and the welding quality was desirable;the Vickers hardness difference among welding seam,fusion line,heat affected zone and base metal of the welding joint of Q235A steel was even smaller,the hardness was better distributed and the welding quality was better.The testing method was convenient,practical and easy to operate,and it was qualified to test the Vickers hardness of V-type welding joints and provide a reference for those who carried out the welding quality evaluation by Vickers hardness tester without x-y coordinate bench.

FV520B steel;Q235 A steel;welding joint;V-type welding seam;Vickers hardness test

TG115.5+1;TG407

:A

:1001-4012(2017)01-0024-05

10.11973/lhjy-wl201701007

2016-04-22

杜凯(1968—),女,工程师,本科,主要从事金属材料热处理及力学性能试验的检测,871494759＠qq.com。