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        壓力容器不銹鋼焊縫的力學(xué)性能研究

        2021-11-02 08:38:54張義磊馬燕銘
        化工裝備技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼力學(xué)性能焊縫

        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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō),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(guò)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(jiàn),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??;臨界熱影響區(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn),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(guò)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(lái)看,焊縫區(qū)各個(gè)組織都產(chǎn)生了變形,但并沒(méi)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(yǔ)

        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(guò)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。

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