苗 龍

(遼寧紅沿河核電有限公司， 大連 116319)

16MnDR鋼是在原主要強(qiáng)化元素錳、硅不變的基礎(chǔ)上，通過添加微量合金元素鈮、鎳、釩等，以及采用高純潔凈鋼的冶煉方法、微合金化等措施冶煉出來的鋼，該鋼具有足夠的強(qiáng)度和優(yōu)良的低溫韌性。目前，16MnDR鋼通常用于液化石油氣、液氨、液氧、液氮等相關(guān)生產(chǎn)儲存容器、輸送管道以及寒冷地區(qū)服役設(shè)備，最低使用溫度可達(dá)-40 ℃，在壓力容器、制冷、化工設(shè)備、車輛等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是，16MnDR鋼低溫壓力容器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且壁厚較厚，焊接過程中容易出現(xiàn)焊縫與熱影響區(qū)組織不均勻的情況，且焊后存在較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋。尤其在16MnDR鋼低溫容器局部焊縫返修過程中，預(yù)熱和焊后熱處理條件有限，無法達(dá)到制造過程中的整體熱處理效果，更加劇了上述問題的產(chǎn)生[4-6]。

某16MnDR鋼低溫壓力容器，厚40 mm，接頭坡口為60°的V形坡口，鈍邊8 mm，對接間隙0～1 mm。該低溫壓力容器在返修后出現(xiàn)裂紋，返修時先通過機(jī)械打磨的方式消除缺陷，后采用鎢極氬弧焊進(jìn)行返修，焊絲牌號為H09MnDR，直徑為1.6 mm，焊接電流為80～120 A，焊前預(yù)熱和焊后熱處理均采用局部加熱方式。母材和焊絲化學(xué)成分如表1和表2所示，焊接坡口和焊后局部熱處理工藝如圖1和圖2所示。

表1 16MnDR鋼低溫壓力容器母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of base metal of 16MnDR steel low temperature pressure vessel (mass fraction) %

表2 焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the welding wire (mass fraction) %

圖1 焊接坡口示意圖Fig.1 Diagram of welding groove

圖2 焊后局部熱處理工藝Fig.2 Local heat treatment process after welding

筆者對開裂16MnDR鋼低溫壓力容器進(jìn)行了理化檢驗，以期找出返修后裂紋產(chǎn)生的原因，避免同類缺陷再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

圖3為補(bǔ)焊部位的內(nèi)、外壁宏觀形貌?？梢娊萜鞯撞客獗诖嬖谝惶庨L度約為200 mm的補(bǔ)焊焊縫，補(bǔ)焊附近存在近似橢圓(長軸約為700 mm、短軸約為400 mm)的明顯加熱痕跡，加熱區(qū)域呈現(xiàn)不同的顏色，應(yīng)為加熱不均勻所致。

圖3 焊縫返修后外壁和內(nèi)壁宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of a) outer wall and b) inner wall after repaired weld

1.2 殘余應(yīng)力測試

依據(jù)ASTM E837—2002StandardTestMethodforDeterminingResidualStressesbytheHole-drillingStrain-gageMethod,在低溫壓力容器補(bǔ)焊位置附近鉆取一個孔徑為2.0 mm，孔深為(2.0～2.5) mm的小孔，然后在小孔處黏貼上應(yīng)變片，通過測量線應(yīng)變從而計算出孔壁原有的殘余應(yīng)力值，測試流程如圖4所示。結(jié)果表明補(bǔ)焊位置背面焊縫及熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力較大，最大為265 MPa，為拉應(yīng)力，已接近于16MnDR鋼的屈服強(qiáng)度，局部應(yīng)力過大。

圖4 殘余應(yīng)力測試流程圖Fig.4 Flow chart of residual stress test

1.3 金相檢驗

圖5為母材和返修處焊縫顯微組織形貌，可見母材顯微組織為鐵素體+呈帶狀和塊狀分布的珠光體，返修處焊縫顯微組織為貝氏體+鐵素體，大部分鐵素體沿柱狀晶界析出，晶內(nèi)有細(xì)小針狀鐵素體和粒狀貝氏體，有輕微的過熱魏氏組織，表明補(bǔ)焊工藝存在焊接熱輸入過高現(xiàn)象。

圖6為裂紋在焊縫中的位置和其微觀形貌?？梢娏鸭y位于封底焊道底部位置，該處是焊接熱循環(huán)反復(fù)加熱的部位，裂紋大體沿熔合線平行擴(kuò)展，在未混合熔化區(qū)有非金屬夾雜物重熔后產(chǎn)生的球滴狀物質(zhì)和顯微孔洞，為典型的焊縫金屬液化裂紋。

圖5 焊縫返修后母材和焊縫處顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of a) base metal and b) weld after repaired weld

圖6 裂紋形貌Fig.6 The a) macro and b) micro morphology of the crack

1.4 顯微硬度測試

圖7為返修后焊縫的顯微硬度測試位置和測試結(jié)果，表明返修后焊縫硬度偏高，最高達(dá)334 HV5，其他焊縫位置顯微硬度較為均勻，未見明顯異常情況。

圖7 焊縫處顯微硬度測試位置和測試結(jié)果Fig.7 Microhardness test a) positions and b) results at weld

1.5 微觀分析

圖8為裂紋打開后的微觀形貌，斷口上可見不連續(xù)的裂紋形貌，斷口呈樹枝晶形貌特征，斷口上有液相沿晶界面凝固的痕跡，為典型的焊縫金屬液化裂紋特征。

圖8 裂紋打開后形貌Fig.8 Morphology after crack opening: a) at low magnification; b) at high magnification

2 分析與討論

母材和焊絲的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，母材顯微組織為鐵素體+呈帶狀和塊狀分布的珠光體，返修后的焊縫顯微組織為貝氏體+鐵素體，大部分鐵素體沿柱狀晶界析出，晶內(nèi)有細(xì)小針狀鐵素體和粒狀貝氏體，有輕微的過熱魏氏組織。并且，返修部位存在明顯的加熱不均勻現(xiàn)象，焊縫的硬度較高，且補(bǔ)焊位置背面焊縫和熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力已接近于母材的屈服強(qiáng)度。由以上理化檢驗結(jié)果可知，返修操作工藝控制不當(dāng)。

返修裂紋大體沿熔合線平行擴(kuò)展，在未混合熔化區(qū)有非金屬夾雜物重熔后產(chǎn)生的球滴狀物質(zhì)，裂紋打開后的斷口呈樹枝晶形貌特征，斷口上有開裂后低熔點液相沿晶界面凝固的痕跡，為典型的焊縫金屬液化裂紋特征。裂紋分布在封底焊道底部多層焊縫的層間位置，此處為外口碳弧氣刨清根位置。碳弧氣刨主要是利用碳棒或石墨與工件間產(chǎn)生的電弧將金屬熔化，并用壓縮空氣將其吹掉，實現(xiàn)在金屬表面上加工溝槽的方法。碳化氣刨操作時常會出現(xiàn)操作不當(dāng)導(dǎo)致夾碳、黏渣、刨槽不正和深淺不勻等缺陷，進(jìn)而很容易在后續(xù)焊接過程中產(chǎn)生氣孔、縮孔以及未熔合等缺陷。同時，本次返修過程中存在焊接熱輸入較大的情況，容易使焊縫中的低熔點物質(zhì)在返修溫度較高的環(huán)境下發(fā)生晶界液化。并且焊接預(yù)熱和焊后熱處理均采用局部加熱方法，導(dǎo)致補(bǔ)焊處接頭位置應(yīng)力過大，從而形成裂紋。

3 結(jié)論及建議

該16MnDR鋼低溫壓力容器焊縫返修后產(chǎn)生的裂紋為典型的焊縫金屬液化裂紋。返修操作工藝控制不當(dāng)，使得補(bǔ)焊處顯微組織異常，補(bǔ)焊處硬度過高、殘余應(yīng)力過大，導(dǎo)致裂紋在封底焊道底部多層焊縫的層間位置產(chǎn)生。

建議嚴(yán)格控制焊接工藝，尤其是封底焊道工序中碳弧氣刨及清理工作，應(yīng)保證焊道間不能殘留銹、油脂、水分等物質(zhì)。同時，進(jìn)行封底焊道焊接時，應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝控制焊接熱輸入，防止過高的焊接熱輸入導(dǎo)致封底焊道底部多層焊縫的層間位置出現(xiàn)低熔點物質(zhì)的熔化，從而形成裂紋。