壓力容器用鋼焊接接頭組織與性能研究

黎麗，戴偉，吉光，孫書(shū)剛，李娜，李徐

1.南通理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 江蘇南通 226001

2.萬(wàn)高（南通）電機(jī)制造有限公司 江蘇南通 226010

1 序言

在壓力容器制造過(guò)程中，焊接接頭是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，壓力容器的質(zhì)量水平和使用壽命直接由其質(zhì)量決定。Q345R是由GB 713—1997《鍋爐用鋼板》中的16Mng、19Mng和GB 6654—1996《壓力容器用鋼板》中的16MnR等合并而成，屈服強(qiáng)度為265～345MPa，具有強(qiáng)度高、韌性高、冷成形性和焊接性能好、冷脆轉(zhuǎn)變溫度低和耐蝕性強(qiáng)等綜合力學(xué)性能和工藝性能。Q345R壓力容器用鋼具有優(yōu)良的性能，實(shí)際生產(chǎn)中除了對(duì)生產(chǎn)原料做出改變，還可以?xún)?yōu)化工藝過(guò)程，由單一的焊接工藝[1]轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)或兩個(gè)以上焊接工藝[2]的組合。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)Q345R鋼板焊接進(jìn)行了大量研究，但針對(duì)Q345R鋼板組合焊接技術(shù)的研究較少。因此，本文主要研究組合焊工藝下Q345R鋼焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

Q345R鋼板廣泛應(yīng)用于塔器、換熱器、加氫裝置等壓力容器，是目前我國(guó)應(yīng)用最廣泛、消耗量最大的壓力容器專(zhuān)用鋼板。本試驗(yàn)選用Q345R鋼為母材，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)覆腝345R鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2.2 焊接材料的選擇

Q345R鋼的抗拉強(qiáng)度為460～640MPa，根據(jù)等強(qiáng)度要求，應(yīng)采用抗拉強(qiáng)度在500MPa左右的焊條或焊絲。低溫焊接時(shí)，容易出現(xiàn)脆硬組織，形成表面裂紋。因此，低溫焊接、厚板材焊接時(shí)通常使用預(yù)熱的方法，防止形成脆硬組織、產(chǎn)生焊接裂紋[3]。焊絲選用TIG-50，焊條選用TL-507，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 焊接材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2.3 焊接工藝及參數(shù)的選擇

本文研究關(guān)于Q345R鋼采用多種焊接工藝組合焊接，以提高焊接效率并獲得質(zhì)量可靠的焊接接頭為前提，制定相關(guān)焊接參數(shù)，具體見(jiàn)表3。

表3 Q345R鋼焊接參數(shù)

2.4 焊接過(guò)程

將母材Q345R鋼加工成400mm×125mm×48mm的板材，X形坡口，坡口角度為60°，組對(duì)間隙為2～3mm，接頭形式為對(duì)接接頭，如圖1所示。采用多層多道焊，GTAW先焊，焊接層數(shù)為20層，SMAW焊接層數(shù)為10層。焊前需要采取電加熱方式，將工件預(yù)熱到60℃，以防止焊接過(guò)程中形成脆硬組織、產(chǎn)生裂紋。焊接接頭宏觀形貌如圖2所示。

圖1 焊接接頭形式

圖2 焊接接頭宏觀形貌

3 結(jié)果與分析

3.1 Q345R鋼焊接接頭顯微組織分析

利用金相顯微鏡對(duì)焊接接頭顯微組織進(jìn)行觀察。焊接接頭不同區(qū)域顯微組織如圖3所示。圖3表明，在Q345R鋼母材中因P元素的影響而促進(jìn)了母材偏析。母材中的先共析鐵素體在富磷貧碳區(qū)，形成鐵素體帶，在鐵素體兩側(cè)富碳區(qū)形成珠光體帶，從而形成母材中所見(jiàn)的帶狀組織[4]。Q345R鋼焊接接頭的熱影響區(qū)是一個(gè)既與母材不同又與焊縫不同的組織區(qū)域。熱影響區(qū)的顯微組織是珠光體在熱循環(huán)階段中發(fā)生轉(zhuǎn)變的細(xì)小鐵素體及珠光體和未來(lái)得及相變的、晶粒較大的鐵素體構(gòu)成。組織中還有沒(méi)發(fā)生相變的鐵素體，因此即使有部分重結(jié)晶過(guò)程，也能看出組織中明顯的帶狀特征。對(duì)焊縫金屬顯微組織的觀察，得出其組織由細(xì)小鐵素體和珠光體組成。

3.2 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

為了保證拉伸試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣（見(jiàn)圖4）做拉伸試驗(yàn)，并取抗拉強(qiáng)度的平均值。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為555MPa，并且均斷裂在焊縫處，見(jiàn)表4。根據(jù)拉伸試驗(yàn)獲得的結(jié)果，判斷出這種焊接接頭的拉伸力學(xué)性能是合格的。

圖4 拉伸試樣形狀及尺寸

表4 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)Q345R鋼焊接接頭的上表面與下表面的沖擊性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 焊接接頭的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭各區(qū)域均以鐵素體組織為主，鐵素體強(qiáng)度較低，塑韌性較好。因此，焊接接頭各區(qū)域力學(xué)性能都比較接近。焊縫區(qū)組織晶粒細(xì)小，珠光體沿鐵素體晶界彌散分布，在厚板的多層多道焊過(guò)程中，后一道焊縫對(duì)前一道焊縫有重新加熱作用，相當(dāng)于進(jìn)行一次正火和重結(jié)晶退火處理，由此使得焊縫區(qū)晶粒及組織細(xì)化，且趨于均勻，強(qiáng)度和塑性都有一定程度提高。相比于SMAW，GTAW焊縫的晶粒更為細(xì)小、均勻，且晶內(nèi)含有針狀鐵素體，可以改善沖擊性能。

3.3 焊接接頭維氏硬度檢測(cè)

硬度檢測(cè)所需的時(shí)間很短，并且也不必準(zhǔn)備特殊試樣，能夠有效地保證試驗(yàn)材料的完整性。由于選用焊接材料的化學(xué)成分和物理性能都有著很大的不同，因此需要對(duì)焊接接頭的GTAW面、SMAW面和焊接根部分別進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 焊接接頭硬度檢測(cè)結(jié)果（HV10）

由表6 可知焊縫區(qū)域硬度值最高，平均值達(dá)到189H V10，熱影響區(qū)硬度次之，平均值約185HV10，母材硬度最低，平均值約為145HV10。焊接接頭由母材到熱影響區(qū)硬度值升高，造成這樣的硬度差異的原因主要在于焊接中復(fù)雜的熱循環(huán)，在進(jìn)行整體焊接的過(guò)程中產(chǎn)生大量高溫，使得熱影響區(qū)中正火區(qū)出現(xiàn)細(xì)小的鐵素體，晶粒細(xì)小，因此在此區(qū)域里熱影響區(qū)的硬度比較高；因?yàn)榭拷覆牡哪且粋?cè)熱影響區(qū)存在部分相變區(qū)域，既存在細(xì)小晶粒又含有粗大的晶粒，所以比母材硬度要高；在焊縫區(qū)根部的硬度要小于其他兩個(gè)面的硬度，這是由于焊接時(shí)持續(xù)的熱輸入使得根部的晶粒發(fā)生長(zhǎng)大粗化導(dǎo)致的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用GTAW＋SMAW焊接工藝，以TIG-50、TL-507作為焊接材料對(duì)Q345R鋼板進(jìn)行焊接，得到Q345R鋼焊接接頭后，分析其微觀組織和力學(xué)性能。通過(guò)金相組織觀察，得到Q345R鋼母材組織是由鐵素體＋珠光體組成，呈帶狀組織分布；焊縫區(qū)顯微組織主要由細(xì)小鐵素體＋珠光體組成；熱影響區(qū)的顯微組織為鐵素體＋珠光體。獲得的焊接接頭具有良好的質(zhì)量，拉伸、沖擊等力學(xué)性能合格。通過(guò)硬度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)Q345R鋼焊接接頭焊縫區(qū)平均硬度值最高，熱影響區(qū)平均硬度次之，母材的平均硬度最低。