冷卻速度對奧氏體不銹鋼焊縫低溫AkV2的影響

張 新，孟新軍，王翰冬，李 偉

（西安德森新能源裝備有限公司，西安710000）

冷卻速度對奧氏體不銹鋼焊縫低溫AkV2的影響

張 新，孟新軍，王翰冬，李 偉

（西安德森新能源裝備有限公司，西安710000）

為了進(jìn)一步優(yōu)化移動式壓力容器用奧氏體不銹鋼焊縫低溫沖擊韌性，通過對奧氏體不銹鋼焊縫采用空冷、氣冷、銅冷的冷卻方式，對3種冷卻方式的焊縫進(jìn)行了拉伸及-196℃低溫沖擊試驗(yàn)對比分析，并對其焊縫組織進(jìn)行了觀察分析，發(fā)現(xiàn)奧氏體不銹鋼焊縫的組織中鐵素體均勻分布于柱狀晶兩側(cè)，因此其具有較高的抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果得出，銅冷方式冷卻焊縫速度最快，從900℃到400℃降溫時間為36 s，組織奧氏體化程度最高，焊縫-196℃低溫沖擊韌性值最優(yōu)，為24.67 J。

奧氏體不銹鋼；冷卻速度；銅冷；低溫韌性；焊縫

天然氣汽車的動力來源于天然氣燃燒產(chǎn)生的能量，而天然氣作為一種易爆易燃?xì)怏w，其對存儲及運(yùn)輸容器的技術(shù)要求較高，既要有一定的承壓能力，又要有較好的防腐性能，同時要求存儲液化天然氣的容器應(yīng)該有良好的絕熱真空夾層，以保證天然氣使用過程的安全性。這幾項(xiàng)性能均與天然氣存儲及運(yùn)輸容器的焊接質(zhì)量密切相關(guān)，其中車載液化天然氣氣瓶均在振動載荷的工況下使用，因此其焊縫低溫塑韌性成為了考慮的主要指標(biāo)。

目前車載液化天然氣氣瓶使用的主要材質(zhì)是304奧氏體不銹鋼，主要組織為奧氏體，在低溫-196℃仍具有良好的塑韌性，當(dāng)經(jīng)歷焊接熱輸入作用后，其組織會發(fā)生變化，而且不同的焊縫冷卻工藝對于組織變化有一定的影響，焊縫的低溫塑韌性能也會隨之變化[1-3]。本研究通過對304奧氏體不銹鋼焊縫分別進(jìn)行空冷、氣冷和銅制冷滑塊方式冷卻，分析冷卻速度對304奧氏體不銹鋼焊縫組織及性能的影響，找出一種可以優(yōu)化304奧氏體不銹鋼焊縫組織的冷卻工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用材料為3件太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司所產(chǎn)的304（參考GB 24511—2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板與鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)）奧氏體不銹鋼板卷制而成的筒體，規(guī)格為Φ850 mm×5 mm，其化學(xué)成分見表1。

所用的焊接材料為Φ1.2 mm的308L（參考YB/T 2092—2005《焊接用不銹鋼絲》標(biāo)準(zhǔn)），其化學(xué)成分見表2。

表1 304奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分 %

表2 308L不銹鋼焊絲的化學(xué)成分 %

采用機(jī)械MIG焊接方法堆焊筒體，焊接規(guī)范參數(shù)均為：電流275±5 A，電壓29.5±0.5 V，焊接速度320 mm/min。焊后對紅熱金屬分別采用空冷、氣冷、銅制冷卻裝置冷卻焊縫，冷卻過程中使用熱電偶測量并記錄焊縫區(qū)域的冷卻循環(huán)曲線。最后對堆焊接頭進(jìn)行了焊縫拉伸、焊縫-196℃低溫沖擊、焊縫及母材金相組織觀察等試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表3。

表3 試驗(yàn)方案

拉伸試驗(yàn)參照GB/T 228—2010標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試樣標(biāo)距為37 mm，標(biāo)距內(nèi)寬度為25 mm，在30 T電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)CMT 5305上對焊縫進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)參照GB/T 229—2007執(zhí)行，垂直于焊縫切取沖擊試樣，試樣尺寸為2.5 mm×10 mm×55 mm，缺口位于焊縫中心，V形缺口在2 mm擺錘刀刃下沖擊，沖擊前先將試樣完全浸泡在液氮中20 min左右，然后用專用夾具快速將試樣在液晶顯示全自動擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)ZBC－2302－2上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，每組共沖擊3次，結(jié)果取平均值。金相組織試驗(yàn)參照GB/T 3375—1994標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接缺陷及組織分析，分別對3種焊縫組織和母材組織進(jìn)行顯微組織觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫熱循環(huán)曲線、屈服強(qiáng)度及低溫AkV2

分別使用空冷、氣冷和銅制冷卻裝置冷卻焊縫得到的熱循環(huán)曲線如圖1所示。

圖1 3種冷卻方式下焊縫的熱循環(huán)曲線

由于奧氏體不銹鋼焊縫從910℃到450℃的冷卻速度直接影響著其奧氏體化程度的大小[4-8]，故以900℃降到400℃所需要的時間t9/4為指標(biāo)評價冷卻速度。由圖1可以看出，空冷方式下焊縫的冷卻速度最慢，其t9/4=124 s；氣冷方式冷卻速度居中，其t9/4=58 s；銅制冷卻裝置冷卻速度最快，其t9/4=36 s。

3種冷卻方式下焊縫的抗拉強(qiáng)度Rm及-196℃沖擊吸收功AkV2結(jié)果見表4。

由表4可見，空冷方式下焊縫抗拉強(qiáng)度最小，為617 MPa；銅制冷卻裝置方式下抗拉強(qiáng)度最大，為636 MPa；空冷方式下-196℃低溫沖擊吸收功AkV2最小，為16.43 J，銅制冷卻裝置方式下最大，為24.67 J。

表4 3種冷卻方式下焊縫的拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性

2.2 焊縫及母材金相顯微組織

奧氏體不銹鋼母材組織如圖2所示。由圖2可以看出，奧氏體不銹鋼母材的組織比較純，為單相奧氏體組織，奧氏體是一種高溫態(tài)組織，當(dāng)鉻鎳含量達(dá)到一定百分比時可以在常溫態(tài)、低溫態(tài)下存在，其在低溫下具有良好的塑韌性，因此當(dāng)進(jìn)行奧氏體不銹鋼焊接時，為了滿足使用性能要求，應(yīng)盡可能保證焊縫繼承母材組織，而獲得較優(yōu)性能的接頭[9-10]。

3種冷卻方式下奧氏體不銹鋼焊縫組織形貌如圖 3 所示。由圖 3（a）、圖 3（c）及圖 3（e）可以看出，在熱輸入相當(dāng)?shù)那疤嵯?，焊核區(qū)域的鐵素體分布均勻，說明其具有較好強(qiáng)度，但隨著冷卻方式的不同，其鐵素體數(shù)量有較大變化，對其低溫韌性有一定的影響：采用空冷，冷卻速度最慢，其鐵素體沿著柱狀晶有明顯的分布，且數(shù)量最多，沖擊韌性最低，為16.43 J；采用氣冷，冷卻速度居中，其鐵素體沿著柱狀晶分布疏散，數(shù)量居中，沖擊韌性為19.33 J；采用銅冷，冷卻最快，其鐵素體沿著柱狀晶分布疏散，且存在明顯的奧氏體空白區(qū)域，沖擊韌性為24.67 J。由此驗(yàn)證了冷卻速度越快其焊核組織奧氏體化程度越高，焊縫性能越好。

圖2 奧氏體不銹鋼母材組織形貌

圖3 3種冷卻方式下奧氏體不銹鋼焊縫及熱影響區(qū)組織形貌 200×

由圖 3（b）、 圖 3（d）及圖 3（f）可以看出，在熱輸入相當(dāng)?shù)那疤嵯?，熱影響區(qū)的寬度會隨著冷卻速度不同而變化：采用空冷，冷卻速度最慢，其熱影響區(qū)寬度在200倍的放大倍數(shù)下未顯示完全，寬度最大；采用氣冷，冷卻速度居中，其熱影響區(qū)寬度在200倍的放大倍數(shù)下大約占寬度的25%，寬度居中；采用銅冷，冷卻最快，其熱影響區(qū)寬度在200倍的放大倍數(shù)下大約占寬度的10%，寬度最窄。由此更加驗(yàn)證了冷卻速度越快，其奧氏體不銹鋼焊接接頭性能越好。

3 結(jié) 論

（1）奧氏體不銹鋼焊縫組織中，鐵素體均勻分布于柱狀晶兩側(cè)，因此其具有較高的抗拉強(qiáng)度，大約為626 MPa。

（2）使用銅冷方式的奧氏體不銹鋼焊縫，其焊縫冷卻速度最快，組織奧氏體化程度最高，焊縫-196℃低溫沖擊韌性值最高，AkV2為24.67 J。

[1]戎詠華.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2003：193-209，260-289.

[2]鄭修麟.材料的力學(xué)性能[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002：87-88.

[3]陳國邦.低溫下奧氏體不銹鋼的馬氏轉(zhuǎn)變[J].低溫工程，1992（1）：23-29.

[4]張子強(qiáng).奧氏體不銹鋼焊縫金屬-196℃低溫沖擊韌性工藝性試驗(yàn)[J].真空與低溫，2000，6（4）：57-60.

[5]陳勇，陸戴丁，孔韋海，等.奧氏體不銹鋼深冷低溫沖擊試驗(yàn)方法研究[J].低溫與超導(dǎo)，2015，43（2）：47-50.

[6]戰(zhàn)奇，李玉虎，梁玉國，等.關(guān)于鉻鎳不銹鋼低溫沖擊問題的探討[J].壓力容器，2000，17（3）：20-23.

[7]龐輝勇，謝良法，李經(jīng)濤.提高3.5Ni厚鋼板低溫沖擊韌性的研究[J].壓力容器，2009，26（10）：5-9.

[8]武戰(zhàn)學(xué)，當(dāng)恩，劉宏亮，等.X80鋼管焊接接頭斷裂韌性試驗(yàn)分析[J].焊管，2011，34（3）：29-32.

[9]王緒華，張勁楠.X80級管線鋼沖擊韌性及其有效晶粒研究[J].焊管，2009，32（12）：20-22,31.

[10]曾侗，陳文琳，郭震，等.奧氏體不銹鋼活性焊接接頭組織及性能[J].焊接，2015（10）：53-56.

Influence of Cooling Speed on Low Temperature AkV2of Austenitici Stainless Steel Weld

ZHANG Xin，MENG Xinjun，WANG Handong，LI Wei
（Xi’an Desen New Energy Equipment Co.,Ltd.,Xi’an 710000,China）

In order to optimize the cryogenic impact toughness of austenitic stainless steel weld for mobile pressure vessels,air cooling,gas cooling and copper cooling were taken for austenitic stainless steel weld,the results of tensile test and-196℃low-temperature impact test with the three cooling methods were analyzed and compared,the weld microstructure was observed and compared.The analyses showed that,ferrite was uniformly distributed on two sides of columnar crystal,so it has high tensile strength.The results indicated that the fastest cooling rate was by copper cooling,it took 36 s to cool form 900℃to 400℃,and the cryogenic impact toughness of weld at-196℃had optimal value 24.67 J.

austenitici stainless steel；cooling speed；copper cooling；low-temperature toughness；weld

TG151.2

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.004

張 新 （1989―），男，陜西子長人，工學(xué)碩士，焊接工程師，主要從事壓力容器焊接工藝開發(fā)及優(yōu)化、焊接設(shè)備改制等工作。

2017-07-02

編輯：李紅麗