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    不同熱輸入條件下A517Gr.E鋼焊接工藝及接頭性能研究

    2023-02-27 07:41:30高祥樓杜高峰
    金屬加工(熱加工) 2023年2期
    關(guān)鍵詞:試板母材硬度

    高祥樓,杜高峰

    南通振華重型裝備制造有限公司 江蘇南通 226000

    1 序言

    我公司ASME資質(zhì)認(rèn)證的主材質(zhì)為A517Gr.E鋼,以驗(yàn)證申請(qǐng)資質(zhì)企業(yè)的低溫壓力用鋼制造能力。本文采用焊條電弧焊,遴選兩種焊條進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),選出一種性能優(yōu)良的焊接材料,再使用優(yōu)選的焊接材料對(duì)不同熱輸入下A517Gr.E鋼的焊接接頭開(kāi)展性能研究,進(jìn)行焊接接頭抗拉強(qiáng)度、-45℃沖擊性能、彎曲性能和硬度等力學(xué)性能試驗(yàn),研究不同熱輸入對(duì)接頭力學(xué)性能的影響。

    2 材料焊接性分析

    A517Gr.E屬于低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼[1],具有高屈服、高強(qiáng)度、低溫沖擊性能好等優(yōu)良性能,化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2。

    表1 A517Gr.E鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

    表2 A517Gr.E鋼力學(xué)性能

    根據(jù)該鋼材的主要化學(xué)成分組成,通過(guò)IIW公式計(jì)算得出碳當(dāng)量與焊接冷裂紋敏感系數(shù),分別為CE=0.728%、Pcm=0.336%。

    由于該鋼材的CE>0.55%,因此焊接性差,焊接難度大,焊前需進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱有助于焊縫擴(kuò)散氫的去除,同時(shí)進(jìn)一步延緩馬氏體的轉(zhuǎn)變和焊縫的冷卻速度,借助于自回火作用,使抗裂性能增強(qiáng),可適當(dāng)減小焊接應(yīng)力梯度。

    3 焊接材料

    3.1 焊接材料選型

    從國(guó)內(nèi)外范圍遴選兩種焊接材料進(jìn)行綜合對(duì)比,選擇其中綜合性能較佳的。選用的進(jìn)口焊接材料為φ3.2mm NSSW L-80SN焊條。采用的國(guó)產(chǎn)焊接材料為φ3.2mm GEL-858焊條。

    3.2 熔敷金屬試驗(yàn)

    對(duì)NSSW L-80SN、GEL-858焊條進(jìn)行熔敷金屬試板焊接,按照AWS A5.5/A5.5M—2006《手工電弧焊用低合金鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)選用的焊條加以試驗(yàn)分析。

    母材為A517Gr.E鋼板,其厚度為20mm。選用母材和焊接材料等強(qiáng)匹配,具體焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

    表3 焊條電弧焊焊接參數(shù)

    熔敷金屬試板在焊接結(jié)束后還需進(jìn)行后熱消氫處理,后熱溫度為260~300℃,后熱時(shí)間為2h。

    (1)熔敷金屬拉伸試驗(yàn) 對(duì)試板熔敷金屬拉伸試樣進(jìn)行加工和拉伸試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。NSSW L-80SN、GEL-858焊接材料伸長(zhǎng)率分別為22.0%、20%,前者對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為800MPa、908MPa,后者對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為742MPa、858MPa,二者的屈強(qiáng)比分別為0.881與0.865。

    表4 熔敷金屬力學(xué)性能

    根據(jù)AWS A5.5/A5.5M—2006規(guī)定,該級(jí)別的焊接材料屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別需要超過(guò)740MPa、830MPa,伸長(zhǎng)率均應(yīng)>14.0%。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,得出NSSW L-80SN、GEL-858所對(duì)應(yīng)的熔敷金屬?gòu)?qiáng)度在相關(guān)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi),同時(shí)伸長(zhǎng)率也超過(guò)了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),這意味著在強(qiáng)度得到保障的同時(shí),塑性也較好。

    (2)熔敷金屬的低溫沖擊性能 對(duì)兩種焊接材料進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn),具體結(jié)果見(jiàn)表5。

    表5 低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

    通過(guò)表5可知,去除最大值與最小值,NSSW L-80SN低溫沖擊吸收能量的平均值為113J,比AWS A5.5/A5.5M—2006標(biāo)準(zhǔn)值27J高,由此可知,NSSW L-80SN焊接材料有著較高的低溫沖擊性能。

    去除最大值與最小值,GEL-858低溫沖擊吸收能量的平均值為79J,同樣也大于標(biāo)準(zhǔn)值27J,不過(guò)相較于NSSW L-80SN而言,GEL-858在沖擊性能方面表現(xiàn)稍差。

    (3)熔敷金屬的化學(xué)成分 利用直讀光譜儀對(duì)兩組熔敷金屬化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可看出,兩種焊接材料P、S含量均很低,使焊縫有著較高的低溫韌性,該熔敷金屬的抗熱裂紋能力得到顯著提升。NSSW L-80SN、GEL-858兩種焊接材料的wC分別為0.04%、0.06%,NSSW L-80SN的C含量更低,冷裂紋敏感系數(shù)就會(huì)進(jìn)一步降低。

    對(duì)表6進(jìn)行分析可知,NSSW L-80SN、GEL-858焊條的wCr分別為0.05%、0.04%;wMn分別為1.46%、1.27%,wNi含量分別為4.63%、2.37%,wMo分別為0.50%、0.45%。NSSW L-80SN中這幾個(gè)元素的占比均高于GEL-858,而Mn可以對(duì)其相變進(jìn)行推遲,Mo則能對(duì)晶粒進(jìn)行細(xì)化[2]。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知,在強(qiáng)度與低溫韌性方面,NSSW L-80SN表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

    表6 熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

    (4)熔敷金屬擴(kuò)散氫試驗(yàn) 采用氣相色譜法對(duì)NSSW L-80SN、GEL-858熔敷金屬展開(kāi)擴(kuò)散氫試驗(yàn),結(jié)果顯示NSSW L-80SN焊接材料擴(kuò)散氫含量更少,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

    表7 熔敷金屬擴(kuò)散氫試驗(yàn)結(jié)果

    (5)熔敷金屬試驗(yàn)分析結(jié)論 通過(guò)熔敷金屬試驗(yàn)可得出以下結(jié)論。

    1)通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以得出,所選的兩種焊接材料,在拉伸性能方面都能滿足要求,NSSW L-80SN焊接材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與母材已經(jīng)非常相近,從等強(qiáng)匹配角度來(lái)看,NSSW L-80SN性能更加符合要求。

    2)通過(guò)沖擊性能試驗(yàn)可知,這兩種焊接材料也能滿足最低標(biāo)準(zhǔn)要求,但NSSW L-80SN焊接材料的整體性能也要優(yōu)于GEL-858焊接材料。

    3)通過(guò)擴(kuò)散氫試驗(yàn)可以得知,NSSW L-80SN擴(kuò)散氫含量較低。

    4)綜合以上分析可知,NSSW L-80SN的綜合性能整體優(yōu)良。

    4 焊接工藝試驗(yàn)

    選用NSSW L-80SN焊接材料,根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn),對(duì)不同熱輸入條件進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。試板尺寸:800mm×150mm×10mm,坡口深度、角度分別為8mm、60°,鈍邊尺寸為2mm,根部間隙為0~1mm(見(jiàn)圖1)。

    圖1 坡口尺寸

    不同的熱輸入[1]對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)見(jiàn)表8。由于A517Gr.E鋼強(qiáng)度高,焊接過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋,因此需使用陶瓷電加熱片均勻預(yù)熱。按照過(guò)往焊接經(jīng)驗(yàn),試板最低預(yù)熱溫度為150℃、道間溫度為150~200℃。焊接完成后進(jìn)行熱處理,溫度在550℃左右,時(shí)間為120min。

    表8 A517Gr.E鋼焊接參數(shù)

    先焊接試板正面,背面清根,打磨后再焊接背面。為避免產(chǎn)生變形,試板背面加卡馬,在用碳弧氣刨進(jìn)行清根時(shí)需要注意,試板溫度為150~200℃。在打磨時(shí)要將氧化層清理干凈,直到露出金屬光澤。

    5 試板無(wú)損檢測(cè)和試驗(yàn)取樣類型

    在試板熱處理后72h進(jìn)行磁粉與超聲波檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè),均符合要求。如圖2~圖6所示,按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試板進(jìn)行取樣,試樣類型為宏觀腐蝕、硬度、橫向拉伸、側(cè)面彎曲和沖擊試樣(小尺寸試樣55mm×10mm×5mm)。

    圖2 試樣取樣位置示意

    圖3 接頭低溫沖擊試樣

    圖4 接頭拉伸試樣

    圖5 接頭彎曲試樣

    圖6 接頭宏觀金相和硬度試樣

    6 試驗(yàn)結(jié)果及分析

    6.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

    A517Gr.E鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。由表9可知,當(dāng)熱輸入分別為8kJ/cm、13kJ/cm、18kJ/cm、23kJ/cm時(shí),4組焊接接頭對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度分別為845MPa、844MPa、840MPa、812MPa,發(fā)生斷裂的位置都在母材,表明焊縫比母材的強(qiáng)度高,與A517Gr.E鋼力學(xué)性能是一致的,等強(qiáng)匹配。焊接熱循環(huán)對(duì)母材起到一定程度的軟化作用,母材的軟化可以降低熱影響區(qū)的強(qiáng)度。

    A517Gr.E鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度≥795MPa,從表9可看出,接頭抗拉強(qiáng)度各數(shù)值和均值都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。在熱輸入增加時(shí),接頭強(qiáng)度值沒(méi)有發(fā)生太大改變,但是從整體來(lái)看,接頭抗拉強(qiáng)度值呈現(xiàn)出下降之勢(shì)。

    表9 A517Gr.E鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果

    熱輸入增加,熔深、熔寬增加,熔化母材也相應(yīng)增加,母材熔化面積變大,稀釋率也在一定程度上提高。同時(shí)熱輸入的改變會(huì)在一定程度上決定焊縫冷卻速度。熱輸入增加時(shí),焊縫的冷卻速度變慢,淬硬組織程度減少,對(duì)焊縫金屬?gòu)?qiáng)化起到消極影響。相對(duì)高焊接熱輸入增加了焊后組織的粗度,柱狀晶區(qū)所占的寬度增加,柱狀晶整體形狀也變大,從而降低了接頭強(qiáng)度。

    熱輸入提高,Mn、Cr等合金元素[3]的固溶強(qiáng)化影響變小,降低了焊接接頭抗拉強(qiáng)度。熔敷金屬的Ni含量比母材高許多,Ni是奧氏體最基本的構(gòu)成元素之一,它通過(guò)限制過(guò)冷奧氏體的高溫變化來(lái)提升過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性,并在一定程度上抑制了先共析鐵素體的產(chǎn)生,因而當(dāng)熱輸入持續(xù)增加時(shí),接頭的抗拉強(qiáng)度基本不會(huì)改變,但綜合來(lái)分析,接頭的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。

    6.2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果及分析

    A517Gr.E鋼沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。熱輸入對(duì)接頭沖擊吸收能量的影響如圖7所示。根據(jù)表10可知,A517Gr.E鋼焊接接頭焊縫區(qū)域的-45℃沖擊性能較差,焊縫中心的沖擊吸收能量是整體區(qū)域中最小的部分。根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn),熱輸入為23kJ/cm時(shí),沖擊吸收能量驗(yàn)收值為30J,因此不合格。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于焊縫金屬一直處于熱循環(huán)狀態(tài)中,當(dāng)熔池形成晶核后,會(huì)以其為中心,向焊縫進(jìn)行擴(kuò)張。在熔合線周圍,熔池金屬結(jié)晶從母材聯(lián)生出柱狀晶體,它具有較高的位向性,在外界沖擊的情況下,將出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,開(kāi)裂方向主要是沿著晶界,因此低溫沖擊性能非常差。

    圖7 熱輸入對(duì)接頭沖擊吸收能量的影響

    表10 A517Gr.E鋼沖擊試驗(yàn)結(jié)果

    在熔合線+1mm(熔合區(qū))處,當(dāng)熱輸入分別為8kJ/cm、13kJ/cm、18kJ/cm、23kJ/cm時(shí),熔合線區(qū)域?qū)?yīng)的-45℃沖擊吸收能量數(shù)值分別為75.5J、91.2J、73J、57.8J,結(jié)果符合ASME標(biāo)準(zhǔn)要求的30J,熔合區(qū)擁有優(yōu)良的性能。

    熔合線+5mm區(qū)域的沖擊吸收能量高于其他區(qū)域,沖擊性能較好。在熱輸入數(shù)值分別為8kJ/cm、13kJ/cm、18kJ/cm、23kJ/cm的情況下,熔合線+5mm區(qū)域?qū)?yīng)的-45℃沖擊吸收能量數(shù)值分別為86J、97.3J、86.2J、72.9J,熱影響區(qū)的性能良好。

    隨著熱輸入的增大,熔池內(nèi)的溫度持續(xù)增加,冷卻速率降低,合金元素?zé)龘p有所增多,熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)變寬,晶粒在原來(lái)基礎(chǔ)上也都變得更加粗大,最終造成韌性降低。

    由表10可看出,在熱處理狀態(tài)下,熱輸入為13kJ/cm時(shí),焊縫中心、熔合線+1mm、熔合線+5mm區(qū)域的沖擊性能最佳,熱處理后組織變得細(xì)小均勻,柱狀晶尺寸明顯變小,晶界面積增加,提高了接頭的沖擊性能。

    熱輸入會(huì)對(duì)組織產(chǎn)生影響,熱輸入增加,組織結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生改變,對(duì)金相圖[2]進(jìn)行分析,焊縫中心的組織為灰黑色珠光體與白色鐵素體,隨著熱輸入持續(xù)增長(zhǎng),相應(yīng)的熔池冷卻速度就會(huì)有所減緩,組織就會(huì)發(fā)育,粒狀貝氏體規(guī)模增長(zhǎng),同時(shí)針狀鐵素體規(guī)模會(huì)降低。相反,多邊形鐵素體晶粒則明顯增長(zhǎng),當(dāng)熱輸入增長(zhǎng)至13kJ/cm時(shí),焊縫沖擊吸收能量有所提高,這與針狀鐵素體減少有一定關(guān)系,多邊形鐵素體長(zhǎng)大顯著。針狀鐵素體在晶粒之間呈現(xiàn)出相互交錯(cuò)式、大角度分布,能夠明顯增加焊縫的韌性與強(qiáng)度。在23kJ/cm的熱輸入下,沖擊吸收能量最小,這與焊縫組織開(kāi)始增長(zhǎng)關(guān)系密切,因?yàn)槔鋮s速度顯著下降,使得針狀鐵素體[4]數(shù)量進(jìn)一步降低,進(jìn)而使得焊縫的韌性變差。

    對(duì)熔合線、熔合線外區(qū)域低溫沖擊性能而言,主要的影響因素包括熱循環(huán)、組織及其構(gòu)成。母材中的2%Ni元素可以發(fā)揮較佳的穩(wěn)定效應(yīng),另外Cr、Ni等元素則能產(chǎn)生淬硬組織元素。試驗(yàn)顯示,熱輸入下降,接頭在高溫環(huán)境下的停留時(shí)間就越短,此時(shí)組織規(guī)模也就越小,相應(yīng)的低溫沖擊性能表現(xiàn)的就越佳。在熱輸入持續(xù)增長(zhǎng)下,原來(lái)奧氏體晶粒開(kāi)始明顯增長(zhǎng),由此構(gòu)成粗晶體,這種奧氏體在冷卻過(guò)程中會(huì)被分解,進(jìn)而構(gòu)成粗大組織[5],這樣就會(huì)產(chǎn)生較差的低溫沖擊性能。

    6.3 彎曲試驗(yàn)結(jié)果及分析

    A517Gr.E鋼側(cè)面彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,試樣的被彎曲面與彎曲面的焊縫、熔合線都沒(méi)有氣孔、裂紋、夾渣等不連續(xù)缺陷,角部也沒(méi)有觀察到不連續(xù)缺陷。

    圖8 A517Gr.E鋼側(cè)面彎曲試驗(yàn)結(jié)果

    A517Gr.E鋼焊接接頭塑性與彎曲性能都能滿足ASME 規(guī)范要求。側(cè)面彎曲試驗(yàn)結(jié)果顯示:第一,焊接材料焊接性好,不容易出現(xiàn)氣孔;第二,熔合效果佳,有著均勻性的焊道;第三,焊接接頭的熱影響區(qū)、母材的彎曲性能整體較佳,有著良好的塑性,熱輸入變化對(duì)塑性、彎曲性能的影響整體不顯著。

    6.4 接頭宏觀形貌

    宏觀腐蝕試樣通過(guò)5.0%濃度的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕試驗(yàn),焊道清晰呈現(xiàn),沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷,如圖9所示。

    圖9 A517Gr.E鋼宏觀腐蝕試驗(yàn)

    6.5 硬度試驗(yàn)結(jié)果及分析

    強(qiáng)度和硬度有很大的關(guān)聯(lián)性。若接頭的硬度很高,則強(qiáng)度也會(huì)很高。

    在熱輸入分別為8kJ/cm、13kJ/cm、18kJ/cm、23kJ/cm的情況下,焊縫中心、熱影響區(qū)、母材的硬度值如圖10所示。每組焊接接頭的硬度最大值在熱影響區(qū)位置。在8kJ/cm的熱輸入下,此時(shí)熱影響區(qū)硬度最高,達(dá)到361HV10;而在23kJ/cm的熱輸入下,其焊縫的硬度值僅為238HV10,硬度最低。母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)域的硬度都隨熱輸入增加而有所下降。

    圖10 A517Gr.E鋼硬度試驗(yàn)結(jié)果

    在不同的熱輸入條件下,焊縫底部的硬度最高,上部的硬度比下部低。結(jié)合整體分析得出,相較于18kJ/cm、23kJ/cm的條件下,下部則在8kJ/cm、13kJ/cm時(shí),硬度最高。與母材和熱影響區(qū)比較,中心位置的硬度是很低的。

    A517Gr.E鋼厚度10mm,呈三維散熱狀態(tài),接頭的溫度降低快速,母材含Cr、Mo、Nb等易淬硬合金元素。焊接第一道后,溫度會(huì)迅速上升,在這種狀況下,熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織的概率就會(huì)增大[6]。在進(jìn)行后續(xù)焊接時(shí),試板道間溫度就會(huì)上升。當(dāng)?shù)篱g溫度升高到一定程度后,焊接接頭、尤其是熱影響區(qū)就會(huì)產(chǎn)生底部硬度數(shù)值較大、上部硬度數(shù)值較小的狀況。同時(shí)當(dāng)熱輸入提高時(shí),接頭的溫度降低速度就會(huì)變慢。而當(dāng)熱輸入降低時(shí),溫度降低速度就會(huì)變快。熱輸入與接頭溫度降低速度之間有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系,因而熱輸入為18kJ/cm、23kJ/cm時(shí)比熱輸入為8kJ/cm、13kJ/cm時(shí),會(huì)出現(xiàn)接頭硬度數(shù)值較低的情況。

    焊縫中心位置的硬度值較小。因?yàn)槠鋬?nèi)含的Cr、Mo、Nb等元素很少,出現(xiàn)淬硬組織變少。隨著熱輸入升高,母材和焊縫中心位置的硬度差會(huì)減小。因?yàn)楫?dāng)熱輸入一直上升時(shí),接頭溫度無(wú)法快速下降,所以熱影響區(qū)的硬度最大值就會(huì)變小,接頭的硬度就有了均勻性。

    7 結(jié)束語(yǔ)

    1)4組A517Gr.E鋼的拉伸試樣斷裂位置都在母材,焊縫的抗拉強(qiáng)度比母材的抗拉強(qiáng)度高,焊縫的拉伸性能好。焊縫的強(qiáng)度受焊接材料的化學(xué)成分、熔合比影響,受熱輸入的影響不大,但呈逐漸下降的趨勢(shì)。

    2)焊縫中心位置的沖擊吸收能量與熱輸入有關(guān)。熱輸入增大,沖擊吸收能量就會(huì)產(chǎn)生變化。在熱輸入增大的初期,沖擊吸收能量會(huì)增大,而到了中后期,沖擊吸收能量就會(huì)開(kāi)始下降。

    3)熔合線+1mm處和熔合線+5mm處的沖擊吸收能量都會(huì)隨熱輸入的變化而變化。熱輸入增大時(shí),沖擊吸收能量就會(huì)出現(xiàn)先上升再下降的情況,熔池位置的冷卻速度就會(huì)下降,出現(xiàn)組織晶粒粗大、粗化的情況。

    4)熱影響區(qū)底部硬度較高、上部的硬度較低。出現(xiàn)這種情況,是因?yàn)樵谧鐾旰附庸ぷ鞯牡谝坏拦ば蛑?,溫度?huì)在很短的時(shí)間內(nèi)快速下降,增加了熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織的概率。但是,當(dāng)熱輸入提高時(shí),接頭溫度的降低速度就會(huì)比較慢,而熱輸入降低時(shí),接頭溫度的降低速度就會(huì)比較快。

    5)與焊縫中心相比,母材的硬度更低,因?yàn)闊彷斎胍恢鄙?,接頭的溫度不能在很短的時(shí)間內(nèi)快速下降,所以熱影響區(qū)的硬度最大值是相對(duì)小的,在硬度分布上,接頭硬度分布是比較均勻的。

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