壓力容器不銹鋼焊縫的力學(xué)性能研究

張義磊 馬燕銘 陸 斌

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 引言

焊接是壓力容器制造過程中重要的加工工藝，焊縫的質(zhì)量和性能對(duì)于化工設(shè)備的可靠性和安全性有著重要影響[1]。由于焊接主要以熱源輸出為主，接頭存在典型的熱影響區(qū)域，使得該位置晶粒粗大，材質(zhì)出現(xiàn)脆性趨勢(shì)，容易產(chǎn)生沖擊薄弱區(qū)[2]。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能，但由于合金元素的特殊性，其焊接性能與普通低碳鋼相比較差，焊后發(fā)生微裂紋的傾向較嚴(yán)重[3]。因此，需要對(duì)焊縫的力學(xué)性能進(jìn)行研究和分析。

沖擊韌性和強(qiáng)度是體現(xiàn)壓力容器力學(xué)性能的重要參數(shù)，也是衡量焊縫抵抗外部載荷能力的指標(biāo)。通過對(duì)焊縫薄弱區(qū)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，可得出熱影響區(qū)相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律[4]，有利于后期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化或者加強(qiáng)。文中對(duì)壓力容器對(duì)接焊縫試樣進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)，這對(duì)整個(gè)焊接工藝的可靠性評(píng)估有著重要的作用。

1 沖擊性能研究

1.1 性能分析

為了研究不銹鋼材質(zhì)壓力容器的焊接性能，對(duì)焊縫試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，得到了不同位置的焊縫缺口。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可知，當(dāng)沖斷口在焊縫熔合線位置時(shí)，斷口的尖端始終不超出焊縫中心7 mm區(qū)域。熱影響區(qū)是由多種復(fù)雜組織共同組成的，使得接頭力學(xué)性能不穩(wěn)定，粗大晶粒的分布規(guī)律直接影響接頭可承載的極限強(qiáng)度和韌性[5]。一般來說，熱影響區(qū)對(duì)接頭在疲勞載荷下的抵抗力影響較大，晶粒的分布特性與接頭抗沖擊能力和硬度有著一定的內(nèi)在聯(lián)系。

1.2 組織特性

通過對(duì)試樣的截取、打磨、拋光和腐蝕，可得出不銹鋼焊縫接頭的母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的金相組織情況，如圖1所示。從圖1可以看出，母材中的主要成分為鐵素體，間隔著少量的碳化物，正火處理后，晶粒組織較為細(xì)小，結(jié)構(gòu)分布均勻；熱影響區(qū)的金相組織相對(duì)復(fù)雜，既有尚未發(fā)生奧氏體化的增大鐵素體，又有晶粒粗大的鐵素體，不同位置的鐵素體差異非常顯著，此外，熱影響區(qū)還存在分散結(jié)構(gòu)的貝氏體、板條貝氏體；焊縫區(qū)的鐵素體主要為粒狀、塊狀，還有少量的針狀鐵素體分布在晶界外部，碳化物相對(duì)分布均勻。由此可見，焊縫區(qū)相對(duì)于熱影響區(qū)表現(xiàn)出了更好的塑形和韌性。

圖1 不同焊縫區(qū)域金相組織

1.3 硬度分析

為了研究焊縫的抗壓特性，對(duì)焊縫進(jìn)行顯微硬度分析，采用HVC-1000A2/D2顯微硬度儀沿著軸向測(cè)量不同位置的顯微硬度，得出焊縫的硬度變化規(guī)律，如圖2所示。從圖2可以看出：當(dāng)距離熔合線位置不同時(shí)，各點(diǎn)的維氏硬度具有顯著差別；由于焊縫填充材料的力學(xué)性能良好，焊縫區(qū)的材料強(qiáng)度和硬度最大，且穩(wěn)定性良好；由于熱影響區(qū)組織復(fù)雜，金相成分較多，其在亞臨界熱影響區(qū)的強(qiáng)度和顯微硬度最低，且低于母材；在熱影響區(qū)的正火區(qū)范圍內(nèi)，顯微硬度與母材差別較?。慌R界熱影響區(qū)內(nèi)存在細(xì)化的晶粒，因此硬度值處于焊縫區(qū)和母材區(qū)之間。綜上所述，通過對(duì)亞臨界熱影響區(qū)進(jìn)行焊后熱處理，可確保焊縫強(qiáng)度不低于母材。

圖2 硬度變化規(guī)律

1.4 沖擊斷口形貌

在焊縫接頭的不同位置加工上缺口，并對(duì)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，其斷口的形貌如圖3所示。通過對(duì)母材、亞臨界熱影響區(qū)、臨界熱影響區(qū)和焊縫區(qū)斷口形貌進(jìn)行研究后可知，母材區(qū)的韌窩相比熱影響區(qū)更明顯，這是因?yàn)槟覆膮^(qū)的塑性相對(duì)更好，其內(nèi)間隔的撕裂韌帶狀態(tài)更顯著；焊縫區(qū)與母材區(qū)的形貌顯著區(qū)別，具有多種形貌，包括解理面、韌性撕裂脊和韌窩等，這些形貌共存又相互隔離，使斷口表現(xiàn)出了良好的韌性和塑性。

圖3 不同焊縫區(qū)域沖擊斷口形貌

2 溫度對(duì)焊縫性能的影響

2.1 對(duì)抗沖擊性的影響

根據(jù)焊接原理可知，溫度對(duì)焊縫接頭的組織形貌有著關(guān)鍵的影響，決定了晶粒成長(zhǎng)和變粗的熱量[6]。通過測(cè)試可以得出焊縫區(qū)的沖擊吸收熱能隨著熱輸入量的變化規(guī)律，如圖4所示。從圖4可以看出：隨著焊接熱流增大，沖擊韌性表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，因此在特定的溫度下可有效提升材料抗沖擊能力。對(duì)于粗大晶粒而言，為熱源輸入能量為20 kJ/cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的沖擊能量只有17 J，材料表現(xiàn)出脆性，但總體的差異并不大；當(dāng)熱源輸入能量為25 kJ/cm時(shí)，沖擊能量達(dá)到最大值（24 J）。焊接熱量是影響沖擊韌性的關(guān)鍵因素，需要滿足壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 沖擊吸收能量分布曲線

2.2 對(duì)硬度的影響

不同熱輸入情況下，焊縫區(qū)的平均顯微硬度變化規(guī)律如圖5所示。從圖5可以看出：隨著焊接熱輸入增大，材料硬度值呈減小趨勢(shì)，當(dāng)焊縫的熱輸入超過50 kJ/cm時(shí)，顯微硬度在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。由此可見，為了確保焊縫性能良好，可控制焊接參數(shù)，使其熱源輸入能量維持在25 kJ/cm左右。

圖5 硬度分布規(guī)律

本次研究的不銹鋼材質(zhì)含碳量相對(duì)較低，因此，在焊接熱輸入較小時(shí)，焊縫組織內(nèi)的粗大晶粒形式主要表現(xiàn)為粒狀貝氏體、板條貝氏體以及鐵素體，為相對(duì)均衡的復(fù)合組織。當(dāng)熱輸入較大時(shí)，組織內(nèi)將形成含量較多的多邊形鐵素體、粗大的粒狀貝氏體等硬脆相，這些組織的變化均伴隨著奧氏體化過程；板條貝氏體隨著熱量增大逐漸轉(zhuǎn)化為粒狀，且鐵素體的比例也隨之增大，使得硬度顯著降低。從金相組織的形貌來看，焊縫區(qū)各個(gè)組織都產(chǎn)生了變形，但并沒有發(fā)生質(zhì)的變化，保持更多的板條貝氏體是提升焊縫接頭力學(xué)性能的重要手段和方法。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的不銹鋼焊接方法以經(jīng)驗(yàn)為主，受到焊接工藝優(yōu)化不當(dāng)，檢測(cè)方式不足等因素影響，導(dǎo)致焊縫質(zhì)量難以保證。通過對(duì)不銹鋼壓力容器焊縫接頭力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，能夠得到?jīng)_擊韌性和硬度變化的機(jī)理，從而為焊縫結(jié)構(gòu)和焊接參數(shù)的改善提供重要依據(jù)。為了確保不銹鋼焊縫接頭具有較好的沖擊韌性，應(yīng)細(xì)化熱影響區(qū)的顯微組織，使得晶界排列更為密集。