焊接熱輸入對(duì)厚壁20MnNiMo鋼焊縫性能的影響

王強(qiáng)，麻永林，陳重毅，邢淑清

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

焊接熱輸入對(duì)厚壁20MnNiMo鋼焊縫性能的影響

王強(qiáng)，麻永林，陳重毅，邢淑清

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

為了研究國產(chǎn)特厚20MnNiMo鋼焊接中的最佳焊接熱輸入以及在焊接過程和相應(yīng)的熱處理過程中20MnNiMo鋼力學(xué)性能及組織性能的變化狀況，實(shí)驗(yàn)選取了焊接熱輸入線能量分別為2.46、2.78和3.09 kJ/mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：20MnNiMo鋼焊接接頭斷裂位置都是在焊接熱影響區(qū)，并且隨著焊接熱輸入的增大，試樣的平均抗拉強(qiáng)度先減小再增大；隨著與20MnNiMo鋼焊縫的逐漸遠(yuǎn)離，金相組織的變化為由回火貝氏體、針狀鐵素體和先共析鐵素體逐漸過渡到回火貝氏體，再到鐵素體和回火貝氏體組織以及母材的回火索氏體組織。

20MnNiMo 鋼 焊接熱輸入 金相組織

20mnNiMo鋼是我國參照美國SA-508GrⅢ鋼為藍(lán)本，在18MnMoNb的基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～0.9%的Ni研制而成的。20MnNiMo鋼主要成分C、Mn、Ni、Mo的含量與美國的SA-508GrⅢ鋼大致相同，不同之處在于20MnNiMo鋼采用Nb作為細(xì)晶強(qiáng)化元素，SA-508GrⅢ鋼采用V作為細(xì)晶強(qiáng)化元素。隨著國產(chǎn)20MnNiMo鋼的研制成功，使得這種鋼材的價(jià)格大幅下降，也為這種鋼的的大面積使用提供了可能。[1-2]我國最新出版的NB/T47008—2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)中新增了20MnNiMo鋼，正式確立了20MnNiMo鋼成為承壓類設(shè)備制造的標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)。

20mnNiMo鋼作為新型的壓力容器用鋼，與通常用于壓力容器制造用所選用的16MnR鋼相比，具有更為優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、抗低溫沖擊性能，且具有更高的抵抗應(yīng)力釋放和層下裂紋擴(kuò)展能力。但20MnNiMo鋼難以保證在特厚截面上的組織均勻性和性能穩(wěn)定性，使得焊接接頭成為整個(gè)設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。因此需要對(duì)20MnNiMo鋼的焊接質(zhì)量控制進(jìn)一步深入研究。本次試驗(yàn)主要針對(duì)厚壁20MnNiMo鋼在不同的焊接熱輸入狀況下的焊縫性能進(jìn)行對(duì)比，找到不同焊接熱輸入對(duì)20MnNiMo鋼焊縫區(qū)域的影響規(guī)律，為確定焊接過程中選用合理的熱輸入提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

本次試驗(yàn)材料20MnNiMo鋼取自國內(nèi)某鋼廠，其化學(xué)成分與力學(xué)性能分別如表1和表2所示。本次試驗(yàn)所選用的焊絲與熔敷金屬的化學(xué)成分見表3。

表1 化學(xué)成分%

表2 力學(xué)性能

表3 焊絲與熔敷金屬化學(xué)成分%

焊接試驗(yàn)在中國第二重型機(jī)械集團(tuán)進(jìn)行，本次試驗(yàn)選取的20MnNiMo鋼研究對(duì)象尺寸為500 mm× 380 mm×100 mm（如下頁圖1所示）。試驗(yàn)所選用的焊接設(shè)備為大型窄間隙埋弧焊機(jī)，焊機(jī)的型號(hào)為ESAB。焊接過程中控制層間溫度≤250℃。焊后立即進(jìn)行消氫處理，消氫處理的工藝為300～350℃，恒溫2 h。然后采用緩慢冷卻的方式將工件冷卻至室溫，并且在工件焊接完成24 h后進(jìn)行超聲波檢測，探傷依據(jù)NB/T47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測》進(jìn)行，合格標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ級(jí)。只有經(jīng)過探傷合格后的工件方可進(jìn)行試驗(yàn)，以確保焊接缺陷不影響試驗(yàn)結(jié)果。沿著長度方向?qū)雍附?，焊接表面如圖2所示。

圖1 焊件

圖2 焊縫上表面

2 焊接熱輸入的確定及焊縫區(qū)域的性能測定方法

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)狀況的效率及焊接質(zhì)量的需要，本次焊接試驗(yàn)共選取了三種不同的焊接熱輸入作為試驗(yàn)對(duì)象。這三種不同的焊接熱輸入分別為2.46 kJ/mm、2.78 kJ/mm和3.09 kJ/mm。

對(duì)20MnNiMo鋼的試驗(yàn)焊接接頭分別進(jìn)行金相、彎曲、沖擊和拉伸等試驗(yàn)，具體位置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)采樣位置布置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 焊接接頭拉伸試驗(yàn)

采用不同的焊接熱輸入對(duì)20MnNiMo鋼進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，并對(duì)焊接完的試樣進(jìn)行焊接接頭拉伸試驗(yàn)，取樣位置如圖4所示。對(duì)于不同熱輸入工藝下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由以上的試驗(yàn)結(jié)果可以看出當(dāng)焊接熱輸入為2.78 kJ/mm時(shí)，20MnNiMo鋼的抗拉強(qiáng)度下降最為明顯。本次試驗(yàn)是針對(duì)厚壁的20MnNiMo鋼進(jìn)行焊接性能的研究，工件在焊接完畢后必須進(jìn)行焊后消除應(yīng)力退火。消除應(yīng)力退火是以消除因冷加工或者切削加工及熱加工后快冷而引起的殘余應(yīng)力為目的的。消除應(yīng)力退火處理可以避免因?yàn)闅堄鄳?yīng)力導(dǎo)致的變形、開裂或者隨后處理的困難[3-4]。通常在焊后熱處理過程中，材料的力學(xué)性能可能有所下降，因此本次實(shí)驗(yàn)選取抗拉強(qiáng)度降低最明顯的工件（熱輸入為2.78 kJ/mm）作為研究對(duì)象，進(jìn)一步研究不同熱處理溫度對(duì)20Mn-NiMo鋼力學(xué)性能的影響。

圖4 拉伸試驗(yàn)取樣位置（mm）

表4 不同焊接熱輸入狀態(tài)下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

目前，通常對(duì)碳鋼和低合金鋼所采用的低溫退火溫度為550～650℃，高合金鋼和高速鋼消除應(yīng)力退火溫度為600～750℃。20MnNiMo鋼屬于低合金高強(qiáng)鋼，本次試驗(yàn)分別選取550℃、570℃和600℃作為消除應(yīng)力退火的溫度。表5是熱處理完成后試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，焊接接頭斷裂位置都是在焊接熱影響區(qū)，并且隨著焊接熱輸入的增大，試樣的平均抗拉強(qiáng)度先減小再增大；同時(shí)隨著熱處理溫度的提高，平均抗拉強(qiáng)度先減小再增大。

3.2 焊接接頭彎曲性能試驗(yàn)

20mnNiMo鋼進(jìn)行焊接接頭彎曲性能試驗(yàn)取樣位置如圖5所示。分別對(duì)熱輸入為2.46 kJ/mm、2.78 kJ/mm和3.09 kJ/mm的焊縫進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下頁表6所示。對(duì)焊接熱輸入為2.78 kJ/mm的焊縫進(jìn)行不同溫度的熱處理后的焊縫進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下頁表7所示。

圖5 彎曲性能試驗(yàn)取樣位置（mm）

由表6、表7可知，采用不同熱輸入的工件及采用不同溫度退火得到的工件進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后工件表面均未發(fā)生裂紋等危害性缺陷，焊接接頭的彎曲試驗(yàn)結(jié)果都通過，彎曲性都能滿足使用要求。

表6 彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果

表7 彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 焊接接頭沖擊試驗(yàn)

對(duì)20MnNiMo鋼焊接接頭沖擊性能試驗(yàn)，取樣位置如圖6所示，圖中T為試樣厚度。取樣的位置分別為T/4、21 mm，T/2、42 mm，3T/4、63 mm。對(duì)于不同熱輸入工藝下的試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。對(duì)焊接后抗拉強(qiáng)度降低最明顯的工件（熱輸入為2.78 kJ/mm），分別采用不同溫度進(jìn)行退火處理，并對(duì)去應(yīng)力退火后的焊縫進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)，其結(jié)果如表9所示。

圖6 沖擊性能試驗(yàn)取樣位置（mm）

由表8、表9可知，采用不同焊接熱輸入狀況下的焊縫以及采用不同溫度進(jìn)行去應(yīng)力退火的工件，其焊接接頭的沖擊試驗(yàn)結(jié)果都能滿足使用要求。

3.4 焊接接頭金相組織分析

選取焊接后力學(xué)性能變化較大的工件（焊接熱輸入為2.78 kJ/mm，570℃×15 h進(jìn)行去應(yīng)力退火）作為研究對(duì)象，對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果如圖7—圖11所示。

由圖7—圖11可知焊縫的組織是：從焊縫的上部到焊縫的下部都為回火貝氏體、針狀鐵素體和先共析鐵素體；距離焊縫最近的過熱區(qū)組織主要是回火貝氏體，在試件的中部會(huì)出現(xiàn)細(xì)晶粒鐵素體和細(xì)小顆?；鼗鹭愂象w；在過熱區(qū)和不完全正火區(qū)之間的部分為正火區(qū)，為回火貝氏體組織；在接近母材的熱影響區(qū)，即處于上臨界和下臨界溫度之間的不完全正火區(qū)，為鐵素體和回火貝氏體組織；其母材為典型的回火索氏體組織。

表8 不同焊接熱輸入狀態(tài)下沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

表9 熱輸入為2.78 kJ/mm工件在不同退火溫度處理后的沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

圖7 焊縫組織

4 結(jié)論

圖8 過熱區(qū)組織

圖9 正火區(qū)組織

通過對(duì)厚壁20MnNiMo鋼焊接接頭分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和金相分析，可以看到：焊接接頭斷裂位置都是在焊接熱影響區(qū)，并且隨著焊接熱輸入的增大，試樣的平均抗拉強(qiáng)度先減小再增大；同樣隨著熱處理溫度的提高，平均抗拉強(qiáng)度先減小再增大；焊接接頭的彎曲試驗(yàn)結(jié)果都通過，彎曲性能滿足使用要求。厚壁20MnNiMo鋼去應(yīng)力退火后，從金相觀察位置與焊縫的逐漸遠(yuǎn)離，金相組織由回火貝氏體，針狀鐵素體和先共析鐵素體逐漸過渡到回火貝氏體，再到鐵素體和回火貝氏體組織，以及母材的回火索氏體組織。

圖10 不完全正火區(qū)組織

圖11 母材組織

[1]張萌，羅應(yīng)明.大厚度以軋代鍛20MnNiMo鋼板的研制開發(fā)[J].寬厚板，2011，17（3）：14-16.

[2]陳重毅，麻永林，邢淑清，等.焊接熱輸入對(duì)特厚板20MnNiMo焊接殘余應(yīng)力的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2013（1）：76-79.

[3]劉靖，張雙平，韓靜濤.壓力容器用508-Ⅲ鋼焊接熱影響區(qū)組織分析[J].焊管，2011（7）：23-26.

[4]胡光立，謝希文.鋼的熱處理（原理和工藝）[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007：40-71.

（編輯：胡玉香）

Effect of Welding Heat Input on Properties of Weld Seam of Thick 20MnNiMo Steel

WANG Qiang,MA Yonglin,CHEN Zhongyi,XING Shuqing
（School of Materials and Metallurgy,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou Inner Mongolia 014010）

In order to study the best welding heat input of the thick 20MnNiMo steel during the welding process,as well as the mechanics performance and organizational performance of the 20MnNiMo steel in welding process and the corresponding heat treatment process,the welding heat input energy of 2.46 kJ/mm,2.78 kJ/kJ/mm and 3.09 mm are selected in this experiment.The results show that the fracture position of 20MnNiMo steel welding joint is all in the welding heat affected zone,and the sample average tensile strength first decreases and then increases with the increase of welding heat input.The microstructure with a increase of the distance from 20MnNiMo steel weld is tempering bainite,acicular ferrite,proeutectoid ferrite,tempering bainite,bainite ferrite,tempering organization,and the parent metal tempered sorbite,successively.

20MnNiMo steel,welding heat input,microstructure

TG406

A

1672-1152（2016）06-0001-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.01

2016-10-21

主要作者簡介：王強(qiáng)（1983—），男，內(nèi)蒙古科技大學(xué)在職研究生，工程師，現(xiàn)就職于陜西榆林能源集團(tuán)橫山煤電有限責(zé)任公司工程部，長期從事火力發(fā)電廠設(shè)備檢修的管理工作。麻永林（1962—），男，內(nèi)蒙古科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。