冷 菊

(清遠(yuǎn)市互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展促進(jìn)中心，廣東 清遠(yuǎn) 511518)

1 引 言

隨著我國能源、石油、化工等行業(yè)的飛速發(fā)展，國家戰(zhàn)略石油儲備量增加，10萬m3及以上大型原油儲罐用高性能鋼板的需求量逐步加大[1]。在早期原油儲罐的建造中，由于鋼板較薄，只需要輸入較低的線能量就能很好地完成焊接任務(wù)。對于厚板的焊接，為了保證焊接質(zhì)量與生產(chǎn)效率，需采用大線能量焊接。但是，焊接線能量過大將導(dǎo)致焊接接頭的機(jī)械性能出現(xiàn)顯著惡化，從而容易引起斷裂等工程安全問題[2,3]。

焊接過程中，焊縫兩側(cè)未熔化的處于固態(tài)的母材發(fā)生明顯的組織與性能變化的區(qū)域稱為焊接熱影響區(qū)。焊接熱影響區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的焊接熱循環(huán)過程，其中產(chǎn)生了一系列的物理和化學(xué)變化，包括微觀組織的形態(tài)改變、晶粒的粗化、二次相變、微合金碳氮化物的溶解并再析出過程，以及產(chǎn)生熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力與體積變形等，這些都將嚴(yán)重影響焊接熱影響區(qū)乃至焊接接頭的質(zhì)量，尤其是強(qiáng)度和韌性[4]。影響的因素主要有大線能量焊接導(dǎo)致的粗晶脆化、組織脆化、析出脆化、熱應(yīng)變時效脆化、氫脆化及石墨脆化等，而粗晶脆化是造成焊接接頭強(qiáng)度和韌性降低的最重要原因。因此，本文采用大線能量對原油儲罐用鋼12MnNiVR進(jìn)行焊接，通過對焊接接頭微觀組織觀察和力學(xué)性能分析，探究焊接接頭機(jī)械性能惡化的機(jī)理，進(jìn)而指導(dǎo)后續(xù)的焊接工藝以及鋼板合金化。

2 焊接過程

焊接所用鋼板材料為兩塊原油儲罐用鋼12MnNiVR，其熱處理工藝為760℃直接淬火然后640℃回火。焊接方法為V形坡口氣電立焊，焊接電流為360A，焊接電壓為40V，焊絲采用DW-S60G，直徑為1.6mm，焊接時間為305s，焊接熱輸入為100kJ/cm。

3 分析方法

按照GB/T 2651—2008標(biāo)準(zhǔn)截取焊接接頭拉伸試樣，通過電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為20℃，速率為1mm/min。按照GB/T 2650—2008標(biāo)準(zhǔn)截取焊接接頭沖擊試樣，通過全自動擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行V形缺口沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-15℃，擺錘刀刃2mm。沖擊試驗(yàn)前用4%的硝酸酒精溶液對焊接接頭進(jìn)行腐蝕，然后通過金相腐蝕相貌確定試驗(yàn)位置，試驗(yàn)位置分別為焊縫金屬中線、焊接熔合線及向外0.5mm的焊接熱影響區(qū)、基體金屬。

對焊接接頭各區(qū)域切割取樣，通過熱鑲嵌方式得到焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)金相試樣，通過金相顯微鏡和場發(fā)射掃描電鏡觀察各區(qū)域組織演變過程。將焊接接頭拉伸試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)后的斷口試樣進(jìn)行保護(hù)，通過場發(fā)射掃描電鏡觀察斷口形貌。

4 結(jié)果分析與討論

焊接接頭金相微觀組織的演變過程如圖1所示。由圖1(a)可見，由于焊接時造成熔池內(nèi)溫度梯度較大，界面生長速度較慢，焊縫結(jié)晶形態(tài)為胞狀的晶體，內(nèi)部分布著細(xì)小的珠光體組織與滲碳體，鐵素體呈細(xì)小的多邊形狀均勻分布在晶體內(nèi)，此外還有呈針狀的鐵素體分布于其中，這兩種鐵素體能有效捕捉裂紋，保證了裂紋擴(kuò)散時能吸收大部分的能量，并使裂紋擴(kuò)展的路徑蜿蜒曲折，同時形成二次裂紋，有效分散能量[5]，使得這部分的韌性較高。此外，珠光體的形成也有效提高了其強(qiáng)度，焊縫區(qū)域性能較為優(yōu)良。

圖1(b)為熔合線處的微觀組織，該區(qū)域相比焊縫金屬晶粒明顯粗化，如圖中黑色虛線所圍區(qū)域所示，出現(xiàn)了帶狀珠光體組織，與部分滲碳體在鐵素體周圍出現(xiàn)，鐵素體晶粒較為細(xì)小并呈無序的多邊形狀。部分區(qū)域可見少量大顆粒的滲碳體，這造成強(qiáng)度與韌性的相對降低，而且多邊形鐵素體雖然相較板條貝氏體能有效阻止裂紋擴(kuò)展，但是裂紋經(jīng)過多邊形鐵素體時直接貫穿晶粒[6]。

圖1(c)為熔合線外0.5mm粗晶熱影響區(qū)的顯微組織，可以看出，此區(qū)域由于受到大的焊接熱輸入的影響，導(dǎo)致焊接熱循環(huán)的冷卻過程時間增長，從而使奧氏體有足夠的時間粗化長大，最后奧氏體晶粒粗大，導(dǎo)致區(qū)域強(qiáng)韌性的降低。此外，如其中黑色箭頭所示，微觀組織主要由大部分上貝氏體與顆粒狀貝氏體組成，晶界上形成粗大的板條貝氏體，一個晶粒內(nèi)幾個不同位向的板條貝氏體交錯在一起，有的甚至貫穿整個奧氏體晶粒，此外還能看見側(cè)板條鐵素體在晶界上形成。裂紋經(jīng)過此區(qū)域的板條貝氏體時直接沿著板條擴(kuò)展，能量吸收較少，裂紋很容易擴(kuò)展，因此這部分區(qū)域韌性較差，結(jié)果造成焊接接頭局部脆性區(qū)在此出現(xiàn)。

圖1(d)為基體金屬的微觀組織，由于該鋼板回火溫度較高，淬火時產(chǎn)生的馬氏體中含碳過飽和的鐵素體中大量細(xì)小的滲碳體脫溶，聚集成大的θ-碳化物并富集在鐵素體內(nèi)與晶界上。與此同時，鐵素體也發(fā)生再結(jié)晶，長大成為不規(guī)則的粗粒狀鐵素體，最后形成回火索氏體[7]。此外，部分馬氏體中滲碳體并沒有完全脫溶，還能看到部分區(qū)域細(xì)小彌散的滲碳體，周圍有保留原馬氏體位向的板條鐵素體，構(gòu)成回火馬氏體組織。該區(qū)域由大量的回火索氏體與少量的回火馬氏體組成，調(diào)質(zhì)處理后部分回火馬氏體保證了較高的強(qiáng)度，而回火索氏體保證了良好的韌性，因此基體金屬性能優(yōu)良，各方面性能都滿足要求[8]。

圖1 焊接接頭金相微觀組織演變過程

焊接接頭場發(fā)射掃描電鏡微觀組織的演變過程如圖2所示。從圖2(a)可以明顯看到許多小的針狀與多邊形狀的鐵素體，并且有珠光體在鐵素體周圍形成。圖2(b)主要由類似等軸鐵素體與珠光體組成，彌散分布的白色細(xì)小顆粒為滲碳體，這部分區(qū)域的珠光體放大如圖2(b)的右上角所示，珠光體層片清晰可見。由圖2(c)可以清晰地觀察到一個奧氏體晶粒內(nèi)兩組不同位向的板條貝氏體交互在一起，貫穿整個奧氏體晶粒，鐵素體板條間夾有短小針狀的滲碳體。從圖2(d)可以觀察到細(xì)小彌散分布的碳化物，與板條狀的鐵素體構(gòu)成回火馬氏體。另外，白色虛線所圍為粗大的顆粒狀θ-碳化物，并且周圍分布著由顆粒狀的鐵素體構(gòu)成的回火索氏體。

圖2 焊接接頭場發(fā)射掃描電鏡微觀組織演變過程

全厚度拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)歷100kJ/cm熱輸入的焊接接頭拉伸試樣屈服強(qiáng)度平均值為475MPa，未達(dá)到GB 19189—2011所要求的490MPa，強(qiáng)度值較低。拉伸斷裂部位均出現(xiàn)在焊接熔合線往外一點(diǎn)的粗晶熱影響區(qū)附近區(qū)域，距焊接熔合線距離平均為0.5mm。拉伸試樣斷口形貌如圖3所示，韌性斷裂的等軸韌窩占據(jù)了絕大部分面積，但是韌窩尺寸小且深度淺。由圖3(a)可見，斷口表面出現(xiàn)了明顯的準(zhǔn)解理斷裂，其特征為凹盆內(nèi)存在許多為斷裂源的微孔，四周有呈放射狀的短小彎曲河流狀花樣，再往上為平坦的剪切表面，外圍呈韌性斷裂的撕裂棱，其為解理斷裂與韌窩斷裂的過渡，所以此區(qū)域準(zhǔn)解理面的出現(xiàn)導(dǎo)致材料強(qiáng)度、韌性降低。從圖3(b)可以看出，韌窩尺寸比較小且深度較淺，說明析出物或者夾雜物數(shù)量較多，導(dǎo)致韌性相對較低。

圖3 焊接接頭拉伸試樣斷口形貌

沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，在焊縫金屬中線、焊接熔合線及向外0.5mm的焊接熱影響區(qū)、基體金屬位置中，焊接熔合線向外0.5mm位置沖擊功最低，平均值為38J，說明此處韌性較差，易于發(fā)生斷裂。沖擊試樣斷口形貌如圖4所示，此區(qū)域斷口表面形貌特征為大部分面積表現(xiàn)為解理斷裂，而且扇形花樣與河流狀花樣的解理面面積分?jǐn)?shù)高，僅有小部分面積的韌性斷裂帶。結(jié)合金相組織分析，此區(qū)域微觀組織由粗大的板條貝氏體與顆粒狀貝氏體組成，而裂紋在板條貝氏體中沒有轉(zhuǎn)向以直線的形式擴(kuò)展，最后停止于板條貝氏體之間的界面上，解理面的大小與擴(kuò)展路徑有關(guān)，而在板條貝氏體中以直線傳播結(jié)果形成大的解理面。該區(qū)域粗大晶粒和大解理面比例較其他區(qū)域顯著增加，所以導(dǎo)致此區(qū)域韌性急劇降低。

圖4 焊接接頭沖擊試樣斷口形貌

5 結(jié)束語

本文通過對大線能量焊接12MnNiVR原油儲罐用鋼焊接接頭微觀組織的觀察，對焊接接頭屈服強(qiáng)度、沖擊韌性等機(jī)械性能進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

(1)大線能量焊接對焊接接頭熱影響區(qū)影響較大，較顯著位置為焊接熔合線0.5mm附近。該區(qū)域屈服強(qiáng)度和沖擊韌性明顯降低，使焊接接頭該位置成為局部脆性區(qū)域，因此易斷裂、發(fā)生機(jī)械故障。

(2)大線能量焊接使焊接接頭長時間經(jīng)受熱循環(huán)作用，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)晶粒急劇粗化， 生成粗大的板條貝氏體與少量顆粒狀貝氏體等不良組織。板條貝氏體之間互為小角晶界，裂紋沿著板條直接擴(kuò)展，不能有效分散能量，導(dǎo)致這部分區(qū)域韌性惡化。沖擊斷口形貌表現(xiàn)為脆性斷裂的大解理面， 河流狀花樣密度低， 導(dǎo)致該區(qū)域強(qiáng)度和韌性進(jìn)一步劣化，因此達(dá)不到合格的機(jī)械性能要求。