焊接熱輸入對08Ni3DR低溫鋼焊接接頭組織及性能的影響

郭有田

(四川石油天然氣建設工程有限責任公司容器制造廠 四川 內江 641000)

0 引 言

隨著我國國民經濟的不斷發(fā)展，目前石油天然氣等能源的需求量還在穩(wěn)步增長，世界各國在全球范圍內爭奪能源資源，在很大程度上也影響了世界的格局和發(fā)展的走向[1]。石油化工、化肥、城市煤氣的工藝設備，低溫裝置設備或壓力容器如未穩(wěn)定凝析油低溫球罐、H2S濃縮塔、甲醇洗滌塔、CO2塔等，這些容器或裝置往往在-80～-100 ℃范圍內使氣體液化，最低使用溫度為-100 ℃[2]。這些裝置用鋼一般采用Ni含量3.5%的低溫鋼，國內牌號為08Ni3DR的低溫鋼，ASME牌號為SA203E。

由于08Ni3DR低溫鋼作為低溫容器裝置的主體材料，長期服役于-100 ℃的低溫環(huán)境，為保障低溫容器的安全性，對08Ni3DR低溫鋼的焊接工藝參數對組織性能影響進行研究有著十分重要的意義[3]。本文通過不同焊接熱輸入規(guī)范參數下焊接接頭的組織和性能試驗，分析工藝參數對焊縫和熱影響區(qū)組織和性能的影響，選擇出性能滿足標準技術要求的30 mm厚08Ni3DR低溫鋼焊接的工藝參數。

1 試驗方案

焊接試驗在厚度為30 mm的平板上進行，采用X形坡口，坡口尺寸如圖1所示，正面采用藥皮焊條電弧焊(SMAW)，背面采用埋弧自動焊(SAW)。SMAW焊接厚度約為11 mm，SAW焊接厚度約為19 mm。SMAW選用牌號為CHL107R的國產焊條，分別采用兩種熱輸入：q1

α=60°±2°，b=2.0±0.5 mm，p=0.5±0.5 mm，h=0～2.25 mm，δ=30 mm,SMAW≈11 mm，SAW≈19 mm圖1 試件焊接坡口尺寸示意圖

表1 試件的焊接規(guī)范參數

2 試驗結果及分析

2.1 熱輸入對拉伸性能的影響

從試件的焊縫部位取樣進行拉伸試驗，試驗結果見表2。

表2 試件焊縫金屬拉伸性能試驗結果

焊接熱輸入對焊縫金屬拉伸性能的影響如圖2所示，從圖2可見，四種試件的拉伸性能均滿足標準要求，但焊接熱輸入(即焊接電流、焊接電壓和焊接速度)的變化對焊縫金屬拉伸性能有一定影響[4]。

從試件的焊縫部位取樣化學成分試驗，試驗結果見表3。

圖2 焊接熱輸入對焊縫拉伸性能的影響

表3 試件焊縫金屬的化學成分試驗結果

對于SMAW焊條電弧焊試件，采用相同國產焊條焊接的W1和W2焊縫試板，隨著熱輸入的增加，即q2>q1，W2的屈服強度和抗拉強度均高于W1試件，延伸率較W1試件偏低。對于埋弧SAW焊縫試件W3和W4，隨著熱輸入的增加，W4試件較W3試件屈服點略有下降，但抗拉強度有所升高，延伸率減小。

2.2 對焊接接頭低溫沖擊韌性的影響

不同焊接熱輸入下，試件焊縫和熱影響區(qū)的低溫沖擊功見表4。熱輸入對焊縫和熱影響區(qū)韌性的影響如圖3所示。

表4 焊縫和熱影響區(qū)低溫沖擊試驗結果

圖3 沖擊功變化規(guī)律

由表4和圖3可以看出，兩種焊接方法下，雖然焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功均滿足標準要求，但焊縫和焊接熱影響區(qū)的韌性隨焊接熱輸入呈線性變化[5]，隨著熱輸入的增大，焊縫金屬和熱影響區(qū)的沖擊吸收功均有所降低，如W1焊縫金屬沖擊功平均值為135 J，當熱輸入增大到27 KJ/cm時，即W2焊縫金屬的沖擊功平均值為80 J，沖擊功降低幅度較大，埋弧自動焊試件的沖擊功也符合此規(guī)律。另外熱影響區(qū)的沖擊功平均值均略高于焊縫區(qū)沖擊功，因此，為了使焊縫獲得較高的低溫沖擊韌性，則必須嚴格控制熱輸入的大小。

2.3 熱輸入對硬度的影響

試件焊接接頭的維氏硬度試驗在HVS-50的數顯維氏硬度試驗儀下進行，維氏硬度的試驗結果見表5，維氏硬度試驗值的對比曲線如圖4所示。

表5 焊接接頭維氏硬度(HV10)測試結果

圖4 維氏硬度值對比曲線

從維氏硬度試驗數據和對比曲線可以看出，同種焊接工藝及不同焊接熱輸入的焊接接頭維氏硬度值都在250 HV10以內，符合標準要求，這表明對于國產焊材采用不同的焊接工藝對其硬度的影響不大。隨著焊接熱輸入的增加，焊縫和熱影響區(qū)的硬度隨之增大，母材沒有明顯變化，且焊縫和熱影響區(qū)的維氏硬度值均超過了母材的維氏硬度值[6]，說明焊縫區(qū)的合金元素的過渡使維氏硬度有所增加，各區(qū)域的平均硬度值隨道間溫度的升高而降低。平均硬度值也是隨熱輸入的減小而降低。大熱輸入焊接會引起焊縫及熱影響區(qū)晶粒邊界碳化物聚集，導致焊接接頭維氏硬度值呈現出熱影響區(qū)母材焊縫的規(guī)律。因此，采用不超過最大熱輸入時的參數均可以保證焊接接頭力學性能的穩(wěn)定性。

3 焊接接頭顯微組織分析

采用兩種焊接方法的不同熱輸入的四塊焊接試件的工藝試驗，分別切取試樣，并加工成金相試樣，進行研磨拋光，使用4%的硝酸酒精對其進行侵蝕，在德國徠卡DMIRM金相顯微鏡和圖像分析系統(tǒng)下觀察其顯微組織。試件焊接接頭的顯微組織分析結果如圖5和圖6所示。

對不同熱輸入的SMAW金相組織圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)進行對比，可以看出，W1焊縫和熱影響區(qū)金相組織均為針狀鐵素體和粒狀貝氏體。熱輸入較大的W2焊縫和熱影響區(qū)金相組織為針狀鐵素體、粒狀貝氏體以及塊狀鐵素體，熱影響區(qū)的塊狀鐵素體較多，W2焊接接頭金相組織的晶粒度大于W1的晶粒度，從而說明隨著SMAW熱輸入的增大，使冷卻速度較慢，塊狀鐵素體增多，晶粒變得更加粗大，導致其材料的強度高、韌性低[1]。

圖5 SMAW焊接接頭的顯微組織(400×)

圖6 SAW焊接接頭的顯微組織(400×)

對不同熱輸入的SMAW金相組織圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)進行對比，可以看出，W3的焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)金相組織為塊狀鐵素體、針狀鐵素體和粒狀貝氏體。熱輸入較大的W4焊縫金相組織中出現少量的魏氏組織，熱影響區(qū)的塊狀鐵素體組織較多。魏氏組織是可使材料的強度和韌性降低，因此說明較大的熱輸入產生了有害的魏氏組織，同時金相組織的晶粒也增大，導致焊縫材料的強度高及韌性低。

4 結 論

1)厚度為30 mm的08Ni3DR低溫鋼焊接時隨著熱輸入的增大，SMAW焊縫材料的屈服強度和抗拉強度增加，伸長率降低。SAW焊縫材料的屈服強度略有降低，抗拉強度增加，延伸率下降。隨著熱輸入的增大，焊縫和熱影響區(qū)的低溫沖擊吸收功均有所降低。隨著熱輸入的增大，焊縫的硬度和熱影響區(qū)的硬度值均出現了升高。

2)在試驗條件下，08Ni3DR低溫鋼SMAW焊接熱輸入在10 KJ/cm，SAW焊接熱輸入在18 KJ/cm時，焊接接頭的綜合力學性能較好并符合標準要求。