郭有田

(四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司容器制造廠 四川 內(nèi)江 641000)

0 引 言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)，世界各國(guó)在全球范圍內(nèi)爭(zhēng)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(shè)備，低溫裝置設(shè)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(nèi)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(guó)內(nèi)牌號(hào)為08Ni3DR的低溫鋼，ASME牌號(hào)為SA203E。

由于08Ni3DR低溫鋼作為低溫容器裝置的主體材料，長(zhǎng)期服役于-100 ℃的低溫環(huán)境，為保障低溫容器的安全性，對(duì)08Ni3DR低溫鋼的焊接工藝參數(shù)對(duì)組織性能影響進(jìn)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(shù)下焊接接頭的組織和性能試驗(yàn)，分析工藝參數(shù)對(duì)焊縫和熱影響區(qū)組織和性能的影響，選擇出性能滿足標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求的30 mm厚08Ni3DR低溫鋼焊接的工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)方案

焊接試驗(yàn)在厚度為30 mm的平板上進(jìn)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(dòng)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(hào)為CHL107R的國(guó)產(chǎn)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(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱輸入對(duì)拉伸性能的影響

從試件的焊縫部位取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 試件焊縫金屬拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

焊接熱輸入對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(xué)成分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖2 焊接熱輸入對(duì)焊縫拉伸性能的影響

表3 試件焊縫金屬的化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于SMAW焊條電弧焊試件，采用相同國(guó)產(chǎn)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于W1試件，延伸率較W1試件偏低。對(duì)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(diǎn)略有下降，但抗拉強(qiáng)度有所升高，延伸率減小。

2.2 對(duì)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(duì)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(yàn)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)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?zèng)_擊功平均值為135 J，當(dāng)熱輸入增大到27 KJ/cm時(shí)，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(dòng)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(yán)格控制熱輸入的大小。

2.3 熱輸入對(duì)硬度的影響

試件焊接接頭的維氏硬度試驗(yàn)在HVS-50的數(shù)顯維氏硬度試驗(yàn)儀下進(jìn)行，維氏硬度的試驗(yàn)結(jié)果見表5，維氏硬度試驗(yàn)值的對(duì)比曲線如圖4所示。

表5 焊接接頭維氏硬度(HV10)測(cè)試結(jié)果

圖4 維氏硬度值對(duì)比曲線

從維氏硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)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(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，這表明對(duì)于國(guó)產(chǎn)焊材采用不同的焊接工藝對(duì)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(huì)引起焊縫及熱影響區(qū)晶粒邊界碳化物聚集，導(dǎo)致焊接接頭維氏硬度值呈現(xiàn)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(shí)的參數(shù)均可以保證焊接接頭力學(xué)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(yàn)，分別切取試樣，并加工成金相試樣，進(jìn)行研磨拋光，使用4%的硝酸酒精對(duì)其進(jìn)行侵蝕，在德國(guó)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(jié)果如圖5和圖6所示。

對(duì)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(jìn)行對(duì)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(dǎo)致其材料的強(qiáng)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(duì)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(jìn)行對(duì)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(xiàn)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(qiáng)度和韌性降低，因此說明較大的熱輸入產(chǎn)生了有害的魏氏組織，同時(shí)金相組織的晶粒也增大，導(dǎo)致焊縫材料的強(qiáng)度高及韌性低。

4 結(jié) 論

1)厚度為30 mm的08Ni3DR低溫鋼焊接時(shí)隨著熱輸入的增大，SMAW焊縫材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)率降低。SAW焊縫材料的屈服強(qiáng)度略有降低，抗拉強(qiáng)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(xiàn)了升高。

2)在試驗(yàn)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(shí)，焊接接頭的綜合力學(xué)性能較好并符合標(biāo)準(zhǔn)要求。