12Cr1MoV和TP304H異種鋼焊縫失效分析

陳國星，胡金力，吳樹輝，黃科峰，葉林，劉澤坤，尹嵩，史一嶺

（蘇州熱工研究院，江蘇省蘇州市，215004）

0 引言

異種金屬焊接在動(dòng)力、石油、化工及機(jī)械零部件的制造和修復(fù)中廣泛應(yīng)用，其焊接接頭由焊縫金屬區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成[1]。焊縫金屬區(qū)中的顯微缺陷主要是非金屬夾雜物、偏析、析出碳化物和位錯(cuò)等，它們對焊接裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展都有很大的敏感性[2]?，F(xiàn)代電廠在對受熱面管道的設(shè)計(jì)和改造中充分利用奧氏體鋼材料的優(yōu)良特性，在高溫、高壓段使用奧氏體不銹鋼，而在其他段采用鐵素體鋼進(jìn)行優(yōu)化組合，以降低制造成本，這樣就出現(xiàn)了大量的異種鋼對接焊縫[3]。

TP304H鋼[4]是奧氏體不銹鋼，相當(dāng)于國產(chǎn)的1Cr18Ni9鋼，可焊性比較差；而12Cr1MoV鋼[5]則是常見的珠光體耐熱鋼，珠光體鋼的合金成分含量很低，對焊縫金屬的成分有沖淡作用，使得焊縫的奧氏體形成元素不足，結(jié)果焊縫里可能出現(xiàn)馬氏體相組織，從而惡化焊接接頭的質(zhì)量，甚至引起裂紋。合理的焊接工藝及焊絲選擇是保證以上2異種鋼焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 樣品概況

某電廠托檢異種鋼焊接鋼管1根，焊縫兩側(cè)材質(zhì)為12Cr1MoV和TP304H，規(guī)格為φ64 mm×4 mm。該管運(yùn)行20個(gè)月發(fā)生爆管，檢查發(fā)現(xiàn)裂口位置在焊縫熔合線附近12Cr1MoV側(cè)，圓弧形裂紋占管件周長的1/4，如圖1所示。

2 試驗(yàn)方法

（1）宏觀檢查。確定裂口的位置，大小及裂口周圍的宏觀環(huán)境，并作記錄。

（2）在無裂口的焊縫處進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。根據(jù)GB 2651—89《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》和GB 2649—89《焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)取樣方法》，從管件無裂紋的焊縫處用機(jī)加工方法切取拉伸試樣，同時(shí)保證機(jī)加工后焊縫軸線位于拉伸試樣平行長度的中心，試樣厚度取管件原始厚度，加工樣品的尺寸如圖2所示。

（3）焊縫裂口兩側(cè)金相分析。先用電動(dòng)切割機(jī)從異種鋼焊縫裂口處裂紋尖端切取包括12Cr1MoV和TP304H兩種材料的整塊焊縫接頭作為金相分析樣品，并在其外表面用砂輪進(jìn)行打磨，然后按序分別在180、360、500、700、800、1 000號(hào)砂紙上磨樣品，進(jìn)而用金剛石拋光膏進(jìn)行拋光。將拋光好的金相樣品先用3％硝酸酒精溶液浸蝕，顯示出12Cr1MoV一側(cè)基體的顯微組織并進(jìn)行金相拍照，然后再用王水浸蝕，顯示出TP304H一側(cè)基體和焊肉的顯微組織并進(jìn)行金相拍照。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 室溫力學(xué)性能拉伸

拉伸完成后試樣的宏觀形貌如圖3和圖4，其中圖3是拉伸完后的縱向樣品，圖4是拉伸完的斷口截面圖。拉伸力學(xué)性能結(jié)果如表1。

表1 異種鋼焊縫處力學(xué)性能Tab.1 Mechanicalpropertiesof dissim ilar steelweldjointt

從圖3可以看出，拉伸試樣的斷裂處位于異種鋼焊縫的12Cr1MoV側(cè)，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)斷裂處正好位于焊接熔合線附近。為了進(jìn)一步分析拉伸試樣在焊縫附近的斷裂情況，對斷裂試樣的宏觀斷口進(jìn)行對比觀察，發(fā)現(xiàn)在兩側(cè)斷口面分別存在1處黑色區(qū)域，其位置互相對稱，如圖4所示，判斷此黑色區(qū)域即為拉伸斷裂裂紋的起源處，這說明異種鋼焊縫在12Cr1MoV一側(cè)附近存在的局部缺陷是導(dǎo)致熱影響區(qū)薄弱的原因。

從表1可以看出，異種鋼焊縫拉伸樣品的塑性極差，幾乎沒有屈服和延伸，即屈服強(qiáng)度和伸長率為0，其抗拉強(qiáng)度處于12Cr1MoV標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的下限。這表明焊縫的12Cr1MoV側(cè)熔合線附近是整個(gè)焊接接頭強(qiáng)度的弱處，屬于脆性斷裂。

3.2 金相分析

為了分析泄漏處焊縫周圍的組織變化情況，以確認(rèn)裂紋起源、擴(kuò)展方向以及裂紋形成原因，現(xiàn)從泄漏裂紋尖端處取金相試樣，如圖5所示。

3.2.1 裂紋起源

為尋找到裂紋的起源及裂紋的擴(kuò)展方向，首先將腐蝕好的金相試樣進(jìn)行宏觀和低倍觀察。圖5為焊縫泄漏處尖端金相試樣的宏觀照片；圖6是通過拼湊法將5張不同部位放大倍數(shù)相同的裂紋照片合并而成的裂紋前端的低倍（50倍）照片。

從圖5、圖6以及送檢泄漏管裂紋的整體形貌特征（圖1）可知，裂紋應(yīng)起源于焊縫熔合線，并一直沿著熔合線向兩側(cè)擴(kuò)展，但當(dāng)一側(cè)的裂紋擴(kuò)展至圖4、圖5中的X處時(shí)其前端已偏離熔合線位置而進(jìn)入12Cr1MoV基體一側(cè)的熱影響區(qū)，這可能與此時(shí)的裂紋擴(kuò)展方向剛好與應(yīng)力方向垂直有關(guān)。

由于裂紋的起源處已被破壞，無法在原始爆口上找到裂紋起源，也就無法判斷爆管的真正原因。通過以上分析可以推斷裂紋開始時(shí)主要發(fā)生在熔合線上，那么在裂紋開始出現(xiàn)的熔合線應(yīng)是最弱區(qū)，如果在此處存在某種焊接缺陷，則這些缺陷很可能就是裂紋生成的主要原因，因此嘗試在其他還沒有裂開的熔合線處尋找是否存在此類缺陷。

仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，在裂紋前端（即無裂紋位置）12Cr1MoV側(cè)熔合線附近存在一些焊接異常組織。圖7是異種鋼焊縫12Cr1MoV側(cè)熔合線附近低倍形貌，圖8是圖7中標(biāo)注X位置的放大圖，圖9是圖7中標(biāo)注B位置的放大圖。從圖可以看出，在熔合線附近存在一些從熔合線向12Cr1MoV側(cè)基體內(nèi)的異常延伸，形成類似裂紋的楔形形貌；同時(shí)在熔合線的部分區(qū)域還存在1層較寬的不耐腐蝕的發(fā)黑層，這可能是焊接過程由于各區(qū)域碳含量不同引起碳擴(kuò)散而在熔合線上形成的1層富碳層。這種富碳層的存在勢必造成其周圍組織碳含量下降，從而導(dǎo)致這些低碳區(qū)強(qiáng)度下降，另外這些富碳層也會(huì)嚴(yán)重削弱焊縫在此位置的接合強(qiáng)度。這種類似裂紋的楔形形貌和熔合線處的異常發(fā)黑層（富碳層）可能就是引起爆口裂紋形成并沿熔合線擴(kuò)展的內(nèi)部原因，也就是說這些區(qū)域可能就是裂紋形成的起源，這也與前面進(jìn)行的焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果相符合。

3.2.2 裂紋位置的金相組織

為分析裂紋的擴(kuò)展方式，現(xiàn)對裂紋尖端及其前沿組織進(jìn)行觀察分析。圖10是裂紋尖端處的金相組織。參照DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》，可以看出裂紋尖端及其稍后部位和附近區(qū)域的金相組織為鐵素體+貝氏體+顆粒狀碳化物，碳化物大多沿晶界聚集，老化等級(jí)為3.5～4級(jí)，且沿晶界存在一些蠕變孔洞，蠕變孔洞等級(jí)約為2b級(jí)。分析認(rèn)為此爆管焊縫處裂紋的擴(kuò)展路徑是：裂紋起源于靠近12Cr1MoV一側(cè)熔合線上的某些焊接缺陷處，然后沿結(jié)合力較弱的熔合線作周向擴(kuò)展；當(dāng)裂紋與管道所受應(yīng)力方向垂直，且遇到具有蠕變孔洞的老化組織時(shí)，開始偏離熔合線進(jìn)入12Cr1MoV側(cè)的熱影響區(qū)。

圖8 焊縫熔合線上向12Cr 11MoV基體延伸的楔形延伸（X 位置500×）Fig.8 Cuneiform extension of 12 Cr11MoVmatrix aroundweld joint(X location，500×))

3.2.3 遠(yuǎn)離裂紋位置母材的金相組織

從圖11不難看出，遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的12Cr1MoV側(cè)的基體組織為鐵素體+貝氏體，老化等級(jí)為2級(jí)，無蠕變孔洞。由此可知母材的老化等級(jí)較焊縫影響區(qū)低，材料狀態(tài)相對較好。

4 結(jié)論及討論

（1）裂紋形成的原因是異種鋼焊縫12Cr1MoV一側(cè)熔合線上形成的楔形延伸和熔合線處的異常富碳層。熔合線附近是焊縫與母材相鄰的部位，該區(qū)域微觀行為十分復(fù)雜，焊縫與母材的不規(guī)則結(jié)合形成了參差不齊的分界面。此區(qū)雖然窄，但由于在化學(xué)成分及組織性能上都有較大的不均勻性，進(jìn)而影響焊接接頭的強(qiáng)度和韌性，熔合線附近通常是裂紋和脆性破壞的發(fā)源地[6]。

（2）從拉伸試驗(yàn)結(jié)果來看，斷裂處位于焊縫的12CrMoV一側(cè)的熔合線上，其延伸率基本為零，屬脆性斷裂。說明異種鋼焊縫12CrMoV一側(cè)的熔合線是整個(gè)焊接接頭的弱處，這同12Cr1MoV側(cè)熱影響區(qū)域組織老化嚴(yán)重，存在一定程度的蠕變孔洞有關(guān)。異種鋼焊接接頭中，在2種蠕變強(qiáng)度不同材料的界面上會(huì)形成特殊的冶金學(xué)和力學(xué)條件（主要是異種材料加熱冷卻過程由于線膨脹系數(shù)不同引起的熱應(yīng)力及焊接殘余應(yīng)力）。這些特殊的條件導(dǎo)致了蠕變孔洞在界面附近優(yōu)先形成和優(yōu)先發(fā)展，它們是界面脆性失效的根本原因[7]。

（3）對于焊縫熔合線上形成的楔形延伸這種焊接缺陷，在熔化焊工藝中出現(xiàn)的概率較高，只是這種楔形延伸的深度和寬度不同而已，主要取決于待焊件表面狀況，比如表面粗糙度、表面清潔度等，待焊件具備良好的表面狀態(tài)能夠改善此類缺陷。對于熔合線處的異常發(fā)黑層（富碳層）這種焊接缺陷，主要存在于異種鋼焊縫，尤其是在熔合區(qū)，其形成原因主要是碳含量不均而導(dǎo)致的碳擴(kuò)散所致。這種焊接缺陷對焊縫性能的影響受熱處理工藝的不同而改變：回火溫度較高、保溫時(shí)間較長，形成的擴(kuò)散帶加寬可以減少此類缺陷；在進(jìn)行異種鋼焊接時(shí)一定要嚴(yán)格控制熱處理工藝，才能保證焊縫的最終質(zhì)量。

[1]英若采.熔焊原理及金屬材料焊接[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]張文斌.金屬熔焊原理及工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：136-196.

[3]秦長榮.小徑薄壁管異種鋼焊縫的超聲波探傷[J].電力建設(shè)，1999，20（4）：42-45.

[4]趙永寧，岳增武.TP304H奧氏體耐熱鋼鍋爐管的組織性能研究[J].熱力發(fā)電，2009，38（3）：56-60.

[5]Thomson R C，Bhadeshia H K.Carbide precipitation in 12Cr1MoV power plant steel[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1992，23（4）：1171-1179.

[6]張文鉞.焊接冶金學(xué)（基本原理）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：185.

[7]楊富，章應(yīng)霖，任永寧，等.新型耐熱鋼焊接[M].北京：中國電力出版社，2007.