摘 要： 采用氣電立焊對(duì)12MnNiVR鋼進(jìn)行焊接，分析了焊接熱輸入對(duì)接頭的微觀組織和力學(xué)性能的影響，重點(diǎn)研究了焊接接頭的沖擊韌性.結(jié)果表明：焊縫組織主要為針狀鐵素體和粒狀貝氏體，存在馬氏體-奧氏體（M-A）組元，粗晶熱影響區(qū)組織為板條鐵素體，夾雜物為T(mén)iN.隨著焊接熱輸入的增加，針狀鐵素體和板條鐵素體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀鐵素體，且塊狀鐵素體尺寸逐漸增大，M-A組元數(shù)量和尺寸也增加.焊縫顯微硬度和熱影響區(qū)最高顯微硬度隨著焊接熱輸入的增加而降低.焊接接頭的拉伸和彎曲性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)，沖擊韌性隨著焊接熱輸入的增加而降低，焊縫處沖擊斷口呈現(xiàn)韌窩特征，隨著焊接熱輸入的增加，熱影響區(qū)處沖擊斷口的斷裂方式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂.厚度為21.5 mm的12MnNiVR鋼焊接熱輸入宜控制在100 kJ/cm以下，以保證接頭在具有良好的綜合力學(xué)性能的同時(shí)兼顧較高的生產(chǎn)效率.

關(guān)鍵詞： 12MnNiVR鋼；氣電立焊；焊接熱輸入；組織；力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG446"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""" 文章編號(hào)：1673-4807（2024）06-052-06

收稿日期： 2023-03-22"" 修回日期： 2021-04-29

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52105351）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20210890）

作者簡(jiǎn)介： 王錕藝（1997—），男，碩士研究生

*通信作者： 劉坤（1989—），男，博士，講師，研究方向?yàn)楹附右苯鹋c特種焊接技術(shù). E-mail： liu_kun@163.com

引文格式： 王錕藝，劉兆龍，劉坤，等.焊接熱輸入對(duì)12MnNiVR鋼接頭組織與性能影響［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，38（6）：52-57.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.06.008.

Influence of welding heat input on microstructureand properties of 12MnNiVR steel joints

WANG Kunyi¹， LIU Zhaolong²， LIU Kun^1*， FAN Yi³， LI Wei^1，3， ZOU Jiasheng¹

（1.School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co. Ltd.， Shanghai 200137， China）

（3.Jiangsu Key Laboratory for Premium Steel Materials， Nanjing Iron amp; Steel Co. Ltd.， Nanjing 210035， China）

Abstract：We weld 12MnNiVR steel by gas-electric vertical welding method and study the influence of welding heat input on the microstructure and mechanical properties of the joint and focus on the impact toughness of the joints. The results show that the microstructure of weld is mainly composed of acicular ferrite and granular bainite. Martensite-Austenite （M-A） components are also observed. The microstructure of the coarse-grained heat-affected zone is lath ferrite， and the inclusions are identified as TiN. With increasing welding heat input， acicular ferrite and lath ferrite gradually transform into massive ferrite. The size of massive ferrite increases gradually and the number and size of M-A components also increas. The microhardness of the weld seam and the maximum microhardness of the heat-affected zone both decrease with increasing welding heat input. The tensile and bending properties of the joints meet the standards. The impact toughness decreases with increasing welding heat input and the impact fracture at the weld seam presents dimple characteristics. With increasing welding heat input， the fracture mode of the impact fracture at the heat affected zone changes from ductile fracture to quasi cleavage fracture. Finally， this paper proposes that the welding heat input of 12MnNiVR steel with a thickness of 21.5 mm should be controlled below 100 kJ/cm to ensure that the joint has good comprehensive mechanical properties and high production efficiency.

Key words：12MnNiVR steel， gas-electric vertical welding， welding heat input， microstructure， mechanical properties

從2004年起，我國(guó)就開(kāi)始在沿海地區(qū)分三期興建石油儲(chǔ)備基地，國(guó)內(nèi)大多采用地面建造的大型和超大型石油儲(chǔ)罐進(jìn)行石油儲(chǔ)備^［1］，且儲(chǔ)罐材料大多采用12MnNiVR鋼種.12MnNiVR鋼具有強(qiáng)度較高、沖擊韌性較好和接頭力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)^［2-3］，廣泛應(yīng)用于大型和超大型石油儲(chǔ)罐的建造^［4］.石油儲(chǔ)罐建造對(duì)焊接接頭質(zhì)量要求很高，因此，開(kāi)展對(duì)12MnNiVR鋼焊接接頭組織和性能的相關(guān)研究，對(duì)于石油儲(chǔ)罐焊接制造具有重要意義.

在實(shí)際生產(chǎn)中，氣電立焊由于具有生產(chǎn)效率高、焊接成本低以及便于操作等優(yōu)點(diǎn)^［5］，成為了12MnNiVR鋼儲(chǔ)罐的主要焊接方法.在氣電立焊的主要工藝參數(shù)中，焊接熱輸入是影響焊接效率和接頭性能的重要因素^［6］，合理的焊接熱輸入是獲得接頭良好成型和優(yōu)異性能的關(guān)鍵參數(shù).適當(dāng)?shù)脑龃蠛附訜彷斎胗欣谔嵘附有?，?jié)約生產(chǎn)成本，但如果焊接熱輸入過(guò)大，容易導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)力學(xué)性能降低.文獻(xiàn)［7］研究了焊接熱輸入對(duì)高性能橋梁鋼接頭組織和性能的影響，指出隨著焊接熱輸入的增加，焊縫柱狀晶粗化，熱影響區(qū)晶粒尺寸增大，焊接接頭抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，沖擊韌性大幅降低，接頭的脆性明顯增大.文獻(xiàn)［8］研究了焊接熱輸入對(duì)800 MPa級(jí)HSLA鋼焊接接頭組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著焊接熱輸入的增加，粗晶熱影響區(qū)粒狀貝氏體占比增多，板條塊亞結(jié)構(gòu)由平行分布的細(xì)長(zhǎng)條狀向粗大塊狀轉(zhuǎn)變，焊縫金屬的沖擊韌性先增加后降低.文獻(xiàn)［9］研究了焊接熱輸入對(duì)熱軋耐候鋼接頭組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度隨著熱輸入的增加而降低，拉伸試樣均斷裂在混合晶粒熱影響區(qū).混合晶粒熱影響區(qū)由多邊形和等軸鐵素體組成，微觀結(jié)構(gòu)隨著熱輸入的增加而變得粗大.

焊接熱輸入對(duì)焊接接頭的組織和性能有著最為直接和重要的影響.文中通過(guò)采用不同的焊接熱輸入對(duì)12MnNiVR鋼進(jìn)行氣電立焊，研究熱輸入對(duì)接頭組織和性能的影響規(guī)律，分析焊接接頭組織和性能之間的聯(lián)系，重點(diǎn)研究了焊接接頭的沖擊韌性及斷裂機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選用的母材為12MnNiVR鋼，鋼板厚度為21.5 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能^［10］見(jiàn)表1和表2.焊材采用DW-S1LG焊絲，直徑為1.6 mm，熔敷金屬化學(xué)成分見(jiàn)表3.

1.2 試驗(yàn)方法

采用氣電立焊的方法焊接試板，氣電立焊焊接設(shè)備為上海兆鋒機(jī)電設(shè)備有限公司的YS-EGW-V垂直立焊系統(tǒng)（林肯DC600電源、LF-72送絲機(jī)和控制箱），在氣電立焊中焊接速度的選擇與坡口尺寸密切相關(guān)，通過(guò)改變焊接速度可實(shí)現(xiàn)不同熱輸入的調(diào)整.氣電立焊工藝參數(shù)見(jiàn)表4，試板坡口尺寸如圖1.焊接試件尺寸及要求均按照NB/T 47014-2023《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，沖擊試樣的缺口開(kāi)在焊縫中心、熔合線、熔合線+2 mm的位置^［11］.

利用CMT5205電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、SANS擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試件的拉伸、彎曲和沖擊試驗(yàn).焊縫、熱影響區(qū)的金相試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，利用ZEISS Axio Oberver倒置金相顯微鏡觀察組織特征。通過(guò)KB30SR-FA（Basic）全自動(dòng)維氏硬度計(jì)測(cè)量材料的硬度，采用ZEISS Merlin Compact型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察析出相、夾雜物和沖擊斷口形貌.

2 結(jié)果分析及討論

2.1 焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)分析

焊后24 h后對(duì)焊縫表面進(jìn)行著色滲透檢測(cè).焊縫表面檢驗(yàn)結(jié)果表明：焊接接頭成型良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)未熔合、未焊透、氣孔、咬邊、裂紋等缺陷.圖2為焊接接頭宏觀特征，可以看出試板在焊接后，接頭熔合良好，無(wú)肉眼可見(jiàn)氣孔、裂紋等缺陷.

不同熱輸入的焊縫金相組織如圖3（a）、（c）和（e）.熱輸入為100 kJ/cm的焊縫金屬由針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成，隨著焊接熱輸入的增加，焊縫金屬中針狀鐵素體逐漸減少，出現(xiàn)塊狀鐵素體，且塊狀鐵素體的尺寸隨著熱輸入的增加而變得粗大.由圖3（b）、（d）和（f）可知焊縫中均存在一定數(shù)量的M-A組元，隨著焊接熱輸入的增加，M-A組元的形態(tài)從點(diǎn)狀、長(zhǎng)條狀逐漸向塊狀轉(zhuǎn)變，即M-A組元的數(shù)量和尺寸逐漸增加.

不同熱輸入焊接接頭的靠熔合線側(cè)熱影響區(qū)金相組織如圖4（a）、（c）和（e）.熱輸入為100 kJ/cm的組織中基體主要為粒狀貝氏體，存在側(cè)板條鐵素體，隨著熱輸入的增加，側(cè)板條鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀鐵素體，且塊狀鐵素體的尺寸隨著熱輸入的增加而逐漸增大.由圖4（b）、（d）和（f）可知，熱輸入為100 kJ/cm的粗晶熱影響區(qū)組織為板條鐵素體和粒狀貝氏體，隨著熱輸入的增加，板條鐵素體消失，出現(xiàn)塊狀鐵素體，粒狀貝氏體逐漸以束狀存在.

圖5為粗晶熱影響區(qū)夾雜物面掃元素分布及能譜分析.從圖5（a）可以看出，在貝氏體板條中形成了一個(gè)菱形夾雜物，而由圖5（b）夾雜物能譜分析和表5夾雜物的化學(xué)成分可知夾雜物的主要元素為C、N、Ti，其中Ti含量最高達(dá)65.33%.結(jié)合面掃元素分布推測(cè)該夾雜物為T(mén)iN，Ti能夠與N元素結(jié)合，形成穩(wěn)定的高溫第二相粒子TiN.彌散分布的TiN粒子可以有效阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，增加晶內(nèi)針狀鐵素體的形核密度.

2.2 焊接接頭力學(xué)性能

表6為焊接接頭拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果，焊接熱輸入從100 kJ/cm增加至130 kJ/cm時(shí)，焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度從676.5 MPa降低至629.5 MPa，降幅6.9%，當(dāng)焊接熱輸入為120 kJ/cm時(shí)，接頭平均抗拉強(qiáng)度為654.5 MPa，斷裂位置均在母材處.3種熱輸入焊接接頭的抗拉強(qiáng)度均高于610 MPa，滿足對(duì)應(yīng)等級(jí)壓力容器的性能要求.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AWS B4.0M-2000（R2010），當(dāng)板厚大于12 mm時(shí)需用側(cè)彎來(lái)代替正彎和反彎，本試驗(yàn)中試板板厚為21.5 mm，所以要進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn).由表6可知，3種熱輸入的側(cè)彎試樣完好，角度均達(dá)到180°，無(wú)缺陷.

按照GB/T 713.6-2003《承壓設(shè)備用鋼板和鋼帶 第6部分：調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼》標(biāo)準(zhǔn)12MnNiVR鋼需滿足在-20 ℃下焊接接頭沖擊吸收功≥47 J，從圖6可知3種熱輸入在焊縫中心處的沖擊吸收功均滿足標(biāo)準(zhǔn)，并且隨著焊接熱輸入的增加而降低，焊接熱輸入由100 kJ/cm增加至130 kJ/cm時(shí)，沖擊吸收功由176.5 J降低至82.1 J，降幅53.5%.3種熱輸入最低沖擊吸收功的沖擊位置均在熔合線處，并且僅有100 kJ/cm熱輸入時(shí)沖擊吸收功才大于47 J.也就意味著僅有100 kJ/cm熱輸入滿足-20 ℃焊接接頭沖擊吸收功≥47 J.

焊接接頭顯微硬度結(jié)果如圖7，焊接熱輸入從100 kJ/cm增加至130 kJ/cm時(shí)，焊縫顯微硬度從221.9HV10降低至190.1HV10，降幅16.7%，當(dāng)焊接熱輸入為120 kJ/cm時(shí)，焊縫顯微硬度為212.5HV10.熱影響區(qū)的性能常用熱影響區(qū)（一般在熔合區(qū)）的最高硬度來(lái)判斷，熱輸入為100 kJ/cm的熱影響區(qū)最高顯微硬度在距離熔合線2 mm處，為212.7HV10；熱輸入為120 kJ/cm的熱影響區(qū)最高顯微硬度在距離熔合線1 mm處，為210.3HV10；熱輸入為130 kJ/cm的熱影響區(qū)最高顯微硬度在距離熔合線3 mm處，為204.7HV10.

而由于焊接熱影響區(qū)中存在不完全重結(jié)晶區(qū)，該區(qū)組織發(fā)生了部分重結(jié)晶，奧氏體化過(guò)程沒(méi)有完成，碳化物沒(méi)有完全溶解，得到的成分低于平衡成分的奧氏體.在冷卻時(shí)，較高的溫度使未飽和的奧氏體分解為奧氏體分解產(chǎn)物、碳化物和未溶解的鐵素體，并且組織大小不均勻，對(duì)延性變形的抗力減小，其次在溫度的影響下，組織中通過(guò)相變的位錯(cuò)密度和控制控軋也降低，減弱母材在熱力學(xué)軋制工藝獲得的加工硬化作用，出現(xiàn)硬度下降的情況^［12］，之后又因?yàn)槲恢弥饾u向母材趨近，硬度開(kāi)始增加.熱輸入為100 kJ/cm的顯微硬度谷值在距離熔合線6 mm處，為177.7HV10；熱輸入為120 kJ/cm的顯微硬度谷值在距離熔合線5 mm處，為181.7HV10；熱輸入為130 kJ/cm的顯微硬度谷值在距離熔合線7 mm處，為176HV10（圖7）.

2.3 接頭沖擊斷口分析

不同熱輸入的焊縫中心處沖擊斷口形貌如圖8（a）、（d）和（g），斷口形貌主要由韌窩組成，熱輸入為100 kJ/cm的斷口形貌具有明顯的等軸韌窩特征，熱輸入120 kJ/cm為拉長(zhǎng)型拋物線狀韌窩，韌窩細(xì)小，具有較好的沖擊韌性，熱輸入為130 kJ/cm表現(xiàn)出延性韌窩，延性韌窩依靠微孔聚集型機(jī)理產(chǎn)生.這是因?yàn)楹缚p組織中的針狀鐵素體和粒狀貝氏體細(xì)小均勻，有利于降低焊縫的各向異性，提高焊縫的強(qiáng)度及塑韌性^［13］.

由圖8（b）、（e）和（h）可知熔合線處的斷口形貌以準(zhǔn)解理形貌特征為主，熱輸入為100 kJ/cm的斷口形貌存在著少量韌窩，且和130 kJ/cm的斷口形貌可以清楚地看到解理臺(tái)階、解理刻面和撕裂棱，解理刻面上有少量河流花樣，這些現(xiàn)象與沖擊結(jié)果吻合.這是由于熔合線一側(cè)為焊縫，另一側(cè)為粗晶熱影響區(qū)，焊縫中的針狀鐵素體與粗晶熱影響區(qū)中的板條鐵素體存在著組織與性能的差異，板條鐵素體中鐵素體板條之間的組織為珠光體或其他第二相（M-A組元、馬氏體、碳化物或殘余奧氏體）^［14］，這些硬質(zhì)相會(huì)導(dǎo)致解理裂紋的形成及擴(kuò)展，且隨著熱輸入的增加，板條鐵素體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮膲K狀鐵素體，粗大的塊狀鐵素體也會(huì)降低熔合線處的沖擊韌性.

從圖8（c）、（f）和（i）可以看出除了熱輸入為100 kJ/cm的斷口形貌為韌窩以外，熱輸入為120 kJ/cm和130 kJ/cm的斷口形貌均呈現(xiàn)出河流花樣，為準(zhǔn)解理斷裂.這是因?yàn)榇志嵊绊憛^(qū)中板條鐵素體的亞晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和晶粒細(xì)化的作用對(duì)韌性有益^［15］，隨著熱輸入的增加，板條鐵素體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀鐵素體，并且貝氏體呈束狀會(huì)在沖擊試驗(yàn)過(guò)程中作為裂紋源誘導(dǎo)裂紋產(chǎn)生.

3 結(jié)論

（1） 焊縫主要由針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成，存在一定數(shù)量的M-A組元，粗晶熱影響區(qū)中存在板條鐵素體，夾雜物為T(mén)iN.隨著焊接熱輸入的增加，針狀鐵素體和板條鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀鐵素體，且塊狀鐵素體尺寸逐漸增加，M-A組元尺寸和數(shù)量增加.

（2） 焊接熱輸入對(duì)接頭的拉伸和彎曲性能影響較小，接頭的拉伸、彎曲性能均滿足對(duì)應(yīng)等級(jí)壓力容器的性能要求.焊縫顯微硬度和熱影響區(qū)最高顯微硬度隨著焊接熱輸入增大而降低，焊接接頭沖擊韌性隨著焊接熱輸入增加而降低.

（3） 焊縫處沖擊斷口均出現(xiàn)韌窩，具有較好低溫沖擊韌性；在熱影響區(qū)處，由于隨著焊接熱輸入的增加，板條鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮膲K狀鐵素體，導(dǎo)致沖擊韌性較低，斷裂方式由韌性斷裂向準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變.

（4） 采用氣電立焊焊接厚度為21.5 mm的12MnNiVR鋼時(shí)，建議將熱輸入控制在100 kJ/cm以下，焊接接頭在獲得良好綜合力學(xué)性能的同時(shí)可以兼顧較高的生產(chǎn)效率.

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（責(zé)任編輯：顧琳）