超大厚度低溫鋼焊接接頭的性能

胡冰 任鶴

摘要：通過(guò)對(duì)超大厚度16MnD低溫鋼焊接工藝的研究，合理制定焊接參數(shù)，找到滿(mǎn)足-40℃沖擊要求的焊接接頭。完成滿(mǎn)足ASMEIX卷標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝評(píng)定，有效提高壓縮機(jī)MCL機(jī)殼法蘭厚度，對(duì)于16MnD材料，機(jī)殼焊接厚度由200mm增大到399mm。

關(guān)鍵詞：超大厚度;低溫沖擊;焊接工藝

0? 引言

目前，高轉(zhuǎn)速、高壓比、大流量成為離心壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，由于現(xiàn)代工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)需求，從而使離心式壓縮機(jī)向大型化的總體發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)離心壓縮機(jī)的高科技和特殊產(chǎn)品不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求。此外，我國(guó)和外國(guó)之間在技術(shù)水平質(zhì)量和配套設(shè)施方面仍有差距。石油化工生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，離心式壓縮機(jī)將面臨大規(guī)模的新問(wèn)題。為了滿(mǎn)足定子剛度的要求，臥式分離式壓縮機(jī)殼體中分離式法蘭的厚度逐漸增大。另外，由于有些壓縮機(jī)在低溫下使用，因此需要使用低溫鋼。低溫鋼主要用于生產(chǎn)設(shè)備的儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)囊夯瘹怏w。因此，這些鋼最重要的特性是耐低溫脆性。低溫容器通常被稱(chēng)為液化石油氣船，液氨，液氧液氮生產(chǎn)、儲(chǔ)存容器和輸電線(xiàn)路和設(shè)備在寒冷地區(qū)使用。為此本課題以低溫鋼16MnD材料為研究對(duì)象，通過(guò)合理選取焊接參數(shù)并通過(guò)嚴(yán)格的過(guò)程控制手段，得到滿(mǎn)足使用要求的焊接工藝參數(shù)，并完成300mm厚焊接試板的焊接工藝評(píng)定，使產(chǎn)品最大焊縫厚度覆蓋達(dá)到399mm，滿(mǎn)足了壓縮機(jī)中分面法蘭使用要求。

1? 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?6MnD，符合NB/T47009-2017標(biāo)準(zhǔn)。焊接材料為CHW-55C1，規(guī)格ф1.2mm。焊接試板尺寸為500×400×300mm3，采用水平位置焊接，由于焊接試板較厚，為適當(dāng)?shù)臏p少焊接量，選用了雙面U型坡口，坡口及拼裝示意圖見(jiàn)圖1。

2? 焊接及熱處理工藝

采用水平熔化焊和水平對(duì)接的氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，保護(hù)氣體流量15-20L/min。

選用兩組不同的焊接參數(shù)作為對(duì)比試驗(yàn)，焊接線(xiàn)能量分別為22kJ/cm和27.6kJ/cm。為了保證焊接接頭的質(zhì)量，焊接前要預(yù)熱50℃，并嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中夾層溫度小于150℃。焊后熱處理溫度600-620℃[1]。焊接坡口形式見(jiàn)圖1要求。

3? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為充分驗(yàn)證試驗(yàn)所選用的焊接參數(shù)是否合理，本研究從焊接接頭的力學(xué)性能和微觀(guān)組織兩個(gè)方面來(lái)分析。

3.1 不同焊接參數(shù)下力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)兩組不同工藝參數(shù)，分別作了拉伸試驗(yàn)、-40℃沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出在試驗(yàn)所選擇線(xiàn)能量的范圍內(nèi)，當(dāng)線(xiàn)能量為22kJ/cm時(shí)，焊接接頭的力學(xué)性能是最好的。焊縫的抗拉強(qiáng)度535MPa，和線(xiàn)金屬拉伸試樣被摧毀，這證明了焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高，這是相關(guān)焊接材料和焊接參數(shù)。此外，焊縫的平均沖擊功率為181J，熱影響區(qū)平均沖擊功率為160J，均遠(yuǎn)大于母材要求，-40℃低溫沖擊值滿(mǎn)足工況使用要求。

3.2 焊接接頭組織分析

圖2（a）（b）分別為線(xiàn)能量22kJ/cm和27.6kJ/cm時(shí)16MnD材料焊縫的金相組織。圖2（a）焊縫的組織鐵素體基體均勻細(xì)小，針狀鐵素體的角度分布很多，大部分是呈大角度分布，有利于焊縫的低溫沖擊性能，與焊縫能量的控制密不可分。嚴(yán)格控制焊接線(xiàn)能量和層間溫度，且采用直道焊接減小擺動(dòng)對(duì)焊縫組織帶來(lái)有利影響。由圖2（b）可以看出，當(dāng)焊接線(xiàn)能量增加時(shí)，由于熱輸入變大，焊縫金屬冷卻速度減小，晶粒尺寸有所長(zhǎng)大，焊縫組織粗大。晶界鐵素體減少，而塊狀鐵素體增加，針狀鐵素體減少，因此對(duì)低溫沖擊性能帶來(lái)不好的影響，由此可見(jiàn)過(guò)大焊接線(xiàn)能量對(duì)焊縫均勻組織形成不利。此外，當(dāng)焊接線(xiàn)能量變大時(shí)，會(huì)加大對(duì)合金元素Ni、Mn等的燒損，這兩種元素是焊縫沖擊和抗拉性能主要的影響元素，同樣會(huì)對(duì)焊縫性能帶來(lái)不好的影響[2]。此外，對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊，焊接線(xiàn)能量超高，會(huì)導(dǎo)致氣孔等焊接缺陷增多，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量。因此，焊接時(shí)應(yīng)杜絕過(guò)大的焊接線(xiàn)能量。

4? 焊接工藝評(píng)定研究

為滿(mǎn)足日后壓縮機(jī)水平法蘭焊縫厚度的需要，依照ASME IX卷焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，制備了300mm厚的焊接工藝評(píng)定試件，采用線(xiàn)能量為22kJ/cm的工藝要求進(jìn)行施焊。為全面了解試件各部分力學(xué)性能，采取了全厚度分層取樣的方法，焊接工藝評(píng)定取樣為10層，每層厚度均為25mm，每層分別取拉伸、側(cè)彎、沖擊試樣進(jìn)行試驗(yàn)。取樣示意圖見(jiàn)圖3。

分別按照ASMEIX QW-150、QW-160、QW-170標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各力學(xué)性能試驗(yàn)，其中抗拉強(qiáng)度在497-553MPa，塑斷于母材。各層的抗拉強(qiáng)度整體差別不大，在試板中心部位抗拉強(qiáng)度較高，兩側(cè)稍低。這與焊接試板選用雙面U型坡口有關(guān)，焊接時(shí)從試板中心部位開(kāi)始，然后逐層向上焊接，這樣焊接后一層時(shí)的熱過(guò)程會(huì)對(duì)前一道焊縫產(chǎn)生一種類(lèi)似于正火的作用，會(huì)細(xì)化前一道焊縫的晶粒，這樣會(huì)對(duì)前一道的焊縫形成均勻細(xì)小的組織帶來(lái)良好的影響，但這種積極的影響必須靠控制焊接線(xiàn)能量和層間溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果焊接線(xiàn)能量超高，伴隨著很大的焊接熱輸入，這樣后一道焊縫會(huì)對(duì)前一道焊縫帶來(lái)過(guò)熱的影響，不利于焊縫的組織與性能。此外，隨著整個(gè)焊接試板焊縫層數(shù)增加，焊接熱過(guò)程持續(xù)作用于試板，試板始終處于保溫緩冷的狀態(tài)，有效減少焊接裂紋傾向，同樣有利于焊縫形成均勻的組織。因此在實(shí)際產(chǎn)品焊接中，控制焊接線(xiàn)能量是有效提升產(chǎn)品焊接質(zhì)量的途徑。此外，側(cè)彎180°結(jié)果全部合格，證明試驗(yàn)所選用的線(xiàn)能量較為合理，不產(chǎn)生焊接缺陷的同時(shí)，焊接接頭的延伸率較好;焊接接頭-40℃沖擊功均滿(mǎn)足要求，證明所選用的焊接參數(shù)較為合理，過(guò)高的焊接熱輸入會(huì)顯著降低焊接接頭的低溫沖擊性能。本試驗(yàn)通過(guò)制定合理的焊接參數(shù)使困擾低溫鋼焊接接頭低溫沖擊難題得到解決。綜合拉伸、彎曲、沖擊的試驗(yàn)結(jié)果，依照ASMEIX卷標(biāo)準(zhǔn)，焊接工藝評(píng)定合格。

5? 結(jié)論

16MnD材料焊接選擇熔化極氣體保護(hù)焊，線(xiàn)能量為22kJ/cm時(shí)，-40℃焊縫沖擊功平均值達(dá)到181J，性能良好，應(yīng)杜絕過(guò)大的焊接線(xiàn)能量輸入。合理選擇焊接參數(shù)，加強(qiáng)工藝控制，完成ASME IX卷標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝合格證，使產(chǎn)品最大焊縫厚度可達(dá)到399mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]張茂龍，丁必學(xué)，樊建明.大厚度焊接接頭不同厚度部位焊縫縱向力學(xué)性能差異性試驗(yàn)[J].焊接，2003（4）：12-16.

[2]王學(xué)敏，舒?zhèn)ィ嵆?，?低碳微合金鋼中TixO-MnS型復(fù)合夾雜對(duì)焊接熱影響區(qū)微觀(guān)組織相變的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（8）：958-964.