16MnDR鋼低溫壓力容器焊縫返修裂紋產(chǎn)生原因分析

苗 龍

(遼寧紅沿河核電有限公司， 大連 116319)

16MnDR鋼是在原主要強(qiáng)化元素錳、硅不變的基礎(chǔ)上，通過添加微量合金元素鈮、鎳、釩等，以及采用高純潔凈鋼的冶煉方法、微合金化等措施冶煉出來的鋼，該鋼具有足夠的強(qiáng)度和優(yōu)良的低溫韌性。目前，16MnDR鋼通常用于液化石油氣、液氨、液氧、液氮等相關(guān)生產(chǎn)儲(chǔ)存容器、輸送管道以及寒冷地區(qū)服役設(shè)備，最低使用溫度可達(dá)-40 ℃，在壓力容器、制冷、化工設(shè)備、車輛等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是，16MnDR鋼低溫壓力容器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且壁厚較厚，焊接過程中容易出現(xiàn)焊縫與熱影響區(qū)組織不均勻的情況，且焊后存在較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋。尤其在16MnDR鋼低溫容器局部焊縫返修過程中，預(yù)熱和焊后熱處理?xiàng)l件有限，無法達(dá)到制造過程中的整體熱處理效果，更加劇了上述問題的產(chǎn)生[4-6]。

某16MnDR鋼低溫壓力容器，厚40 mm，接頭坡口為60°的V形坡口，鈍邊8 mm，對(duì)接間隙0～1 mm。該低溫壓力容器在返修后出現(xiàn)裂紋，返修時(shí)先通過機(jī)械打磨的方式消除缺陷，后采用鎢極氬弧焊進(jìn)行返修，焊絲牌號(hào)為H09MnDR，直徑為1.6 mm，焊接電流為80～120 A，焊前預(yù)熱和焊后熱處理均采用局部加熱方式。母材和焊絲化學(xué)成分如表1和表2所示，焊接坡口和焊后局部熱處理工藝如圖1和圖2所示。

表1 16MnDR鋼低溫壓力容器母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of base metal of 16MnDR steel low temperature pressure vessel (mass fraction) %

表2 焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the welding wire (mass fraction) %

圖1 焊接坡口示意圖Fig.1 Diagram of welding groove

圖2 焊后局部熱處理工藝Fig.2 Local heat treatment process after welding

筆者對(duì)開裂16MnDR鋼低溫壓力容器進(jìn)行了理化檢驗(yàn)，以期找出返修后裂紋產(chǎn)生的原因，避免同類缺陷再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

圖3為補(bǔ)焊部位的內(nèi)、外壁宏觀形貌?？梢娊萜鞯撞客獗诖嬖谝惶庨L度約為200 mm的補(bǔ)焊焊縫，補(bǔ)焊附近存在近似橢圓(長軸約為700 mm、短軸約為400 mm)的明顯加熱痕跡，加熱區(qū)域呈現(xiàn)不同的顏色，應(yīng)為加熱不均勻所致。

圖3 焊縫返修后外壁和內(nèi)壁宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of a) outer wall and b) inner wall after repaired weld

1.2 殘余應(yīng)力測(cè)試

依據(jù)ASTM E837—2002StandardTestMethodforDeterminingResidualStressesbytheHole-drillingStrain-gageMethod,在低溫壓力容器補(bǔ)焊位置附近鉆取一個(gè)孔徑為2.0 mm，孔深為(2.0～2.5) mm的小孔，然后在小孔處黏貼上應(yīng)變片，通過測(cè)量線應(yīng)變從而計(jì)算出孔壁原有的殘余應(yīng)力值，測(cè)試流程如圖4所示。結(jié)果表明補(bǔ)焊位置背面焊縫及熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力較大，最大為265 MPa，為拉應(yīng)力，已接近于16MnDR鋼的屈服強(qiáng)度，局部應(yīng)力過大。

圖4 殘余應(yīng)力測(cè)試流程圖Fig.4 Flow chart of residual stress test

1.3 金相檢驗(yàn)

圖5為母材和返修處焊縫顯微組織形貌，可見母材顯微組織為鐵素體+呈帶狀和塊狀分布的珠光體，返修處焊縫顯微組織為貝氏體+鐵素體，大部分鐵素體沿柱狀晶界析出，晶內(nèi)有細(xì)小針狀鐵素體和粒狀貝氏體，有輕微的過熱魏氏組織，表明補(bǔ)焊工藝存在焊接熱輸入過高現(xiàn)象。

圖6為裂紋在焊縫中的位置和其微觀形貌?？梢娏鸭y位于封底焊道底部位置，該處是焊接熱循環(huán)反復(fù)加熱的部位，裂紋大體沿熔合線平行擴(kuò)展，在未混合熔化區(qū)有非金屬夾雜物重熔后產(chǎn)生的球滴狀物質(zhì)和顯微孔洞，為典型的焊縫金屬液化裂紋。

圖5 焊縫返修后母材和焊縫處顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of a) base metal and b) weld after repaired weld

圖6 裂紋形貌Fig.6 The a) macro and b) micro morphology of the crack

1.4 顯微硬度測(cè)試

圖7為返修后焊縫的顯微硬度測(cè)試位置和測(cè)試結(jié)果，表明返修后焊縫硬度偏高，最高達(dá)334 HV5，其他焊縫位置顯微硬度較為均勻，未見明顯異常情況。

圖7 焊縫處顯微硬度測(cè)試位置和測(cè)試結(jié)果Fig.7 Microhardness test a) positions and b) results at weld

1.5 微觀分析

圖8為裂紋打開后的微觀形貌，斷口上可見不連續(xù)的裂紋形貌，斷口呈樹枝晶形貌特征，斷口上有液相沿晶界面凝固的痕跡，為典型的焊縫金屬液化裂紋特征。

圖8 裂紋打開后形貌Fig.8 Morphology after crack opening: a) at low magnification; b) at high magnification

2 分析與討論

母材和焊絲的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，母材顯微組織為鐵素體+呈帶狀和塊狀分布的珠光體，返修后的焊縫顯微組織為貝氏體+鐵素體，大部分鐵素體沿柱狀晶界析出，晶內(nèi)有細(xì)小針狀鐵素體和粒狀貝氏體，有輕微的過熱魏氏組織。并且，返修部位存在明顯的加熱不均勻現(xiàn)象，焊縫的硬度較高，且補(bǔ)焊位置背面焊縫和熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力已接近于母材的屈服強(qiáng)度。由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，返修操作工藝控制不當(dāng)。

返修裂紋大體沿熔合線平行擴(kuò)展，在未混合熔化區(qū)有非金屬夾雜物重熔后產(chǎn)生的球滴狀物質(zhì)，裂紋打開后的斷口呈樹枝晶形貌特征，斷口上有開裂后低熔點(diǎn)液相沿晶界面凝固的痕跡，為典型的焊縫金屬液化裂紋特征。裂紋分布在封底焊道底部多層焊縫的層間位置，此處為外口碳弧氣刨清根位置。碳弧氣刨主要是利用碳棒或石墨與工件間產(chǎn)生的電弧將金屬熔化，并用壓縮空氣將其吹掉，實(shí)現(xiàn)在金屬表面上加工溝槽的方法。碳化氣刨操作時(shí)常會(huì)出現(xiàn)操作不當(dāng)導(dǎo)致夾碳、黏渣、刨槽不正和深淺不勻等缺陷，進(jìn)而很容易在后續(xù)焊接過程中產(chǎn)生氣孔、縮孔以及未熔合等缺陷。同時(shí)，本次返修過程中存在焊接熱輸入較大的情況，容易使焊縫中的低熔點(diǎn)物質(zhì)在返修溫度較高的環(huán)境下發(fā)生晶界液化。并且焊接預(yù)熱和焊后熱處理均采用局部加熱方法，導(dǎo)致補(bǔ)焊處接頭位置應(yīng)力過大，從而形成裂紋。

3 結(jié)論及建議

該16MnDR鋼低溫壓力容器焊縫返修后產(chǎn)生的裂紋為典型的焊縫金屬液化裂紋。返修操作工藝控制不當(dāng)，使得補(bǔ)焊處顯微組織異常，補(bǔ)焊處硬度過高、殘余應(yīng)力過大，導(dǎo)致裂紋在封底焊道底部多層焊縫的層間位置產(chǎn)生。

建議嚴(yán)格控制焊接工藝，尤其是封底焊道工序中碳弧氣刨及清理工作，應(yīng)保證焊道間不能殘留銹、油脂、水分等物質(zhì)。同時(shí)，進(jìn)行封底焊道焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝控制焊接熱輸入，防止過高的焊接熱輸入導(dǎo)致封底焊道底部多層焊縫的層間位置出現(xiàn)低熔點(diǎn)物質(zhì)的熔化，從而形成裂紋。