裂缝产生的方法材料和试样采用常规方法,如:加热和淬火,或将脆性材料分层堆焊在试样上都能产生裂纹,但无法控制裂纹的大小和方向。研究出一种创新而可靠的方法是利用表面硬化焊条。利用这种方法,目前在对接焊缝上采用手工电弧焊和埋弧焊可产生纵、横向裂纹,如所示。所用材料为ASTM标准中SA-299级的碳锰钢。这是一种典型的压力容器用钢,还可用于热电厂的锅炉。所有试验都是在20125mm厚的焊板上完成的。
用手工电弧焊在对接焊件上产生纵裂纹用一块20mm厚的钢板,斜面坡口为V型60b,钝边为2mm,钝边间隙为2.5mm且为全焊透,如(a)所示。该项实验试图在(b)所示的位置上产生一条纵裂纹,需要的两块钢板先点焊上,而后采用锤击法矫直。此次焊接采用一台电焊机,选用两种焊条,一种规格是E-7018,在240e下烘干的Supratherm特种焊条,另一种规格为E-7024表面硬化的铁粉焊条,直径为4mm,含有过量碳成份和一些硫、磷杂质。
对接焊缝上的纵、横裂纹试板大小和手工电弧焊焊接钢板上的纵裂纹打底焊采用E-7018、直径为3.15mm的焊条,最后一道封焊采用直径为4mm的焊条,需要产生裂纹的位置预先已规定好并作了标记,将在焊缝坡口处两个不同位置产生50mm和20mm长的纵裂纹,整个焊接坡口的根部焊道和第二层均用E-7018焊条施焊。
为了产生裂纹,接下来采取以下步骤:为了在标记处产生纵裂纹,第三层先用E-7024焊条进行施焊,焊缝长度完全等于将要产生裂纹的长度,观察显示:在50mm长的焊道上产生了一条35mm长的纵裂纹和一条15mm长的弧坑。在此阶段,第三层不再施焊。然后第四层覆盖了已产生裂纹的第三层,这时,在裂纹标记长度的外面产生了弧坑。
因此,用E-7024焊条施焊的第四层比第三层焊道长,如上所述,随着焊缝长度的增加,裂纹也增加了,35mm长的裂纹增加到50mm,而5mm长的裂纹增加到20mm,以上步骤完成后,第三层和第四层的剩余部分再用E-7018焊条施焊覆盖。从采用E-7024焊条到采用E-7018焊条,被覆盖的裂纹不再从先前焊层处扩展。
到了第五层,又采用不同的步骤:第五层施焊从坡口的一端开始,到另一端结束,所用焊条与先前采用的焊条为同一种类型。在第五层的施焊过程中,发现50mm长的裂纹仍象原来那样扩展,而20mm长的裂纹却截止了。最后一层(第6层)用E-7018焊条焊接整个焊缝坡口,纵裂纹没有延伸至最后一层。
第二个试验是在与第一个试验相同厚度和大小钢板上完成,而且步骤也一样,在三个不同位置产生40mm长的纵裂纹,这次裂纹被后一道焊层终止。这是由后一层施焊时产生的综合残余压应力所致,射线探伤和微蚀试验很清楚地显示了裂纹。
为产生纵裂纹,用手工电弧焊在相同厚度和大小的钢板的对接焊缝中产生纵向裂纹的最终定论性试验要注意以下预防措施:1.点焊足以使两块钢板固定在一起,并且防止它们变形;2.在下一层施焊之前将焊件冷却至室温;3.用E-7024焊条施焊的焊道长度比纵裂纹长15mm.该焊件的射线底片显示出纵裂纹标记位置。
用手工电弧焊在对接焊件上产生横裂纹两块20mm厚,150mm宽,250mm长的钢板,在其端面开60b坡口,2mm钝边和2.5mm钝边间隙,如(a)所示,将其夹在一起为焊接做好准备。焊接过程如(b)所示,根部焊道用E-7018焊条焊接,选择要产生20mm和40mm长的横裂纹的位置并做好标记,从第二层往上,除了标记位置外,焊缝坡口部分的焊接均采用E-7018焊条,用此法焊3层,在此期间,已做标记的两处形成了两个凹槽,这是利用一特制的熔剂芯焊丝在标记处产生的横裂纹,焊接采用埋弧焊完成。熔剂芯焊丝由低碳钢管式空心焊丝和主要含铬和碳的熔剂组成,焊接完成后在表面立即出现横裂纹,并伴有很大的脆裂声。
这些凹槽被熔剂芯焊丝填满。后两层用54mm的E-7018焊条,用手工电弧焊在V型坡口的整条焊缝上完成此次焊接。试样的射线底片显示了横裂纹的存在,可以很清楚地观察到横裂纹横穿微蚀后的钢板纵截面。