焊接电源种类对21/4Cr-1Mo钢焊缝金属韧性的影响

刘义君

(长沙力元新材料有限责任公司，湖南 长沙 410100)

焊接电源种类对21/4Cr-1Mo钢焊缝金属韧性的影响

刘义君

(长沙力元新材料有限责任公司，湖南 长沙 410100)

21／4Cr-1Mo钢是在高温、高压下工作的压力容器钢种，石油精炼的反应器、热交换器等压力容器多使用21／4Cr-1Mo钢。由于临氢高压设备工作条件的苛刻，对材料和焊接接头要求很高，特别是低温韧性。以往国内对耐热钢多采用直流焊条电弧焊和直流埋弧焊，国外不少焊材制造商研制的焊接材料虽可交直流两用，但多推荐用交流焊接。为寻求提高焊缝金属韧性的途径，以21／4Cr-1Mo钢焊接为例，分别采用焊条电弧焊、埋弧焊及相应的焊接材料，用直流反接与交流两种焊接电流进行焊接，通过对焊缝金属的性能试验发现，采用直流反接和交流焊接，其化学成分、焊缝金属的抗拉强度没有明显差别，但交流焊接的焊缝金属冲击韧性较直流有明显提高。试验结果表明，这主要是由于焊缝金属的一次组织形态和多层焊再热作用使细晶区扩大，改善了焊缝韧性。

21／4Cr-1Mo钢、直流焊接、交流焊接、焊缝金属韧性

0 前言

21／4Cr-1Mo钢是在高温高压下工作的压力容器的代表钢种，石油精炼的反应器、热交换器等压力容器多使用该钢种。由于临氢高压设备工作条件苛刻，对材料和焊接接头要求很高，特别是低温韧性。以往国内对耐热钢多采用直流焊条电弧焊和直流埋弧焊，国外不少的焊材制造商研制的焊接材料虽可交直流两用，但多推荐用交流焊接。为寻求提高焊缝金属韧性的途径，在此就不同电源种类对焊缝金属韧性的影响进行了试验。

1 试验用板材和焊接材料

目前，在焊接Cr-Mo抗氢钢的焊接材料方面，大部分以国外品牌为主，主要有日本神钢、德国蒂森和法国沙福等焊材厂商。在此选用日本神钢板材及其焊接材料进行了试验。试验板材符合ASME SA387 CL 22的要求；焊条CMA-106N相当于AWS A5.5 E9016-B3，可交直流两用，埋弧焊US-521S×PF-200相当于AWS A5.23 F9P2-EG-B3，也可交直流两用，试验用板材和焊接材料规格如表1所示。

2 试验焊接规范和热处理方式

试件分别用交流电源和直流电源进行焊接，采用相同的坡口型式，多层多道焊。焊接规范如表2所示，焊后300℃×1 h消氢处理，然后进行无损检测，对合格的焊缝金属进行焊后消除应力处理。

3 焊缝金属的各项性能检验

焊缝金属化学成分如表3所示，力学性能如表4所示。

由表3可知，不管采用哪种焊接方法或哪种电源类型焊接，其焊缝金属化学成分相差不明显。

由表4试验可知，不同电源类型对焊接接头强度影响不大，但采用上述焊材无论焊条电弧焊还是埋弧焊，交流焊缝金属冲击韧性值较直流明显提高。

表1 板材和焊接材料规格

表2 焊接规范及热处理制度

表3 焊缝金属的化学成分%

表4 力学性能

以埋弧焊为例，在不同温度下焊缝的冲击功见表5。图1为采用直流、交流两种焊接方法的冲击功随温度的变化情况。由表5、图1可知，随着温度降低埋弧焊冲击功逐渐降低，且有明显的转折区；在相同的温度下，交流焊的低温韧性较直流反接低温韧性稍高。

4 试验结果分析和讨论

焊缝金属的韧性主要取决于焊缝金属的化学成分及其组织，由上述试验数据可以看出，不同电源类型的焊缝金属化学成分没有明显差异，因此影响焊缝金属韧性的主要因素为焊缝金属的组织，为了讨论不同电源对焊缝金属组织的影响进行了如下分析。

表5 不同温度下埋弧焊焊缝金属的冲击韧性

4.1 不同电源类型焊接的焊缝金属宏观断面检查

不同电源类型焊接的焊缝金属横断面的宏观金相如图2所示，测量了四种电源类型的焊缝熔深和熔宽，其数值如表6所示。经过对比发现，同种焊接方法，不同电流类型，交流焊接的熔宽比直流焊接的大，熔深较浅。不同熔深不仅影响结晶方向，也影响多层多道焊后续焊道对前道的再热作用范围。

图1 焊接接头的系列冲击功曲线

图2 宏观金相

焊接方法熔宽熔深SMAW(DCEP) SMAW(AC) SAW(DCEP) SAW(AC) 12.0 12.5 13.5 14.0 4.0 3.8 4.2 4.1

4.2 不同电源类型焊接的焊缝金属的组织

不同电源类型焊接的焊缝金属的组织均为贝氏体回火组织，焊缝粗晶区有柱状晶轮廓，交流焊接的柱状晶取向不明显，如图3所示。层间再热区晶粒细化如图4所示。

4.3 电源类型影响焊缝金属韧性的原因

在相同的焊接规范下，采用交流焊接，焊缝金属较直流焊接略宽，熔深略浅。宏观检查照片显示，在多层多道焊时交流焊接的后续焊道对前道的再热作用区域较大，使得焊缝金属二次细化的组织比例提高，从而可提高焊缝韧性。

图3 焊缝柱状晶区组织

由于交流电弧随时间变化而变化，对焊接熔池和熔滴的作用力也随时间变化。这种周期变化的等离子流力和电磁力对熔池液态金属有搅拌作用，新形成的晶粒不断受到冲刷，造成剪应力，这种作用可细化晶粒，并有打乱结晶方向的作用。同时，这种间断的作用力可加速熔滴的脱落，使熔滴以较细的颗粒向熔池过渡，有利于提高焊缝韧性。

图4 层间细晶区(200×)

5 结论

(1)采用交直流两用焊接材料焊接，无论焊条电弧焊还是埋弧焊，无论直流还是交流，其工艺性、化学成分和常规力学性能没有明显差别，但交流焊接焊缝金属低温韧性比直流焊接焊缝金属低温韧性有明显提高。

(2)采用交流焊接改善焊缝韧性的主要原因是多层再热作用。

Effect of welding power source type on 21／4Cr-1Mo steel weld metal ductile

LIU Yi-jun
(Changshan Liyuan New Material Co.，Ltd.，Changsha 410100，China)

21／4Cr-1Mo steel is the typical pressure vessel steel working on high temperature and high pressure，it is widely used on petroleum refining reactors，heat exchangers etc.Because of the extreme operating conditions on high pressure contacting hydrogen，it has high requirements to the material and joints，especially to the low temperature ductile。Formerly the domestic usually accept SMAW(DCEP)and SAW(DCEP)，though many foreign welding consumers provide the welding materials both can be used with AC and DC，They prefer to recommend AC welding.To seek the way to improve weld metal ductile，the article based on 21／4Cr-1Mo steel，using the corresponding welding materials，tested by DCEP and AC，The results show that the chemical equivalents，tensile values are not significant difference between DCEP and AC，but the AKV impact values using AC welding is widely improved than using DCEP welding，this is because of the first microstructure form and the reheats of multi-layers expand the fine grain areas，thus the 21／4Cr-1Mo steel Weld metal ductile using AC welding is widely improved.

21／4Cr-1Mo steel；DC welding；AC welding；weld metal ductile

TG405

B

1001-2303(2011)10-0077-03

2011-08-20

刘义君(1964—)，男，江苏邳县人，工程师，主要从事化工工艺及设备方面的研究工作。