焊接热输入对厚壁20MnNiMo钢焊缝性能的影响

王强，麻永林，陈重毅，邢淑清

（内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头 014010）

试（实）验研究

焊接热输入对厚壁20MnNiMo钢焊缝性能的影响

王强，麻永林，陈重毅，邢淑清

（内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头 014010）

为了研究国产特厚20MnNiMo钢焊接中的最佳焊接热输入以及在焊接过程和相应的热处理过程中20MnNiMo钢力学性能及组织性能的变化状况，实验选取了焊接热输入线能量分别为2.46、2.78和3.09 kJ/mm进行实验。实验表明：20MnNiMo钢焊接接头断裂位置都是在焊接热影响区，并且随着焊接热输入的增大，试样的平均抗拉强度先减小再增大；随着与20MnNiMo钢焊缝的逐渐远离，金相组织的变化为由回火贝氏体、针状铁素体和先共析铁素体逐渐过渡到回火贝氏体，再到铁素体和回火贝氏体组织以及母材的回火索氏体组织。

20MnNiMo 钢 焊接热输入 金相组织

20mnNiMo钢是我国参照美国SA-508GrⅢ钢为蓝本，在18MnMoNb的基础上添加质量分数为0.6%～0.9%的Ni研制而成的。20MnNiMo钢主要成分C、Mn、Ni、Mo的含量与美国的SA-508GrⅢ钢大致相同，不同之处在于20MnNiMo钢采用Nb作为细晶强化元素，SA-508GrⅢ钢采用V作为细晶强化元素。随着国产20MnNiMo钢的研制成功，使得这种钢材的价格大幅下降，也为这种钢的的大面积使用提供了可能。[1-2]我国最新出版的NB/T47008—2010《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》标准中新增了20MnNiMo钢，正式确立了20MnNiMo钢成为承压类设备制造的标准钢号。

20mnNiMo钢作为新型的压力容器用钢，与通常用于压力容器制造用所选用的16MnR钢相比，具有更为优良的高温强度、抗疲劳强度、抗低温冲击性能，且具有更高的抵抗应力释放和层下裂纹扩展能力。但20MnNiMo钢难以保证在特厚截面上的组织均匀性和性能稳定性，使得焊接接头成为整个设备的薄弱环节。因此需要对20MnNiMo钢的焊接质量控制进一步深入研究。本次试验主要针对厚壁20MnNiMo钢在不同的焊接热输入状况下的焊缝性能进行对比，找到不同焊接热输入对20MnNiMo钢焊缝区域的影响规律，为确定焊接过程中选用合理的热输入提供依据。

1 试验材料及方法

本次试验材料20MnNiMo钢取自国内某钢厂，其化学成分与力学性能分别如表1和表2所示。本次试验所选用的焊丝与熔敷金属的化学成分见表3。

表1 化学成分%

表2 力学性能

表3 焊丝与熔敷金属化学成分%

焊接试验在中国第二重型机械集团进行，本次试验选取的20MnNiMo钢研究对象尺寸为500 mm× 380 mm×100 mm（如下页图1所示）。试验所选用的焊接设备为大型窄间隙埋弧焊机，焊机的型号为ESAB。焊接过程中控制层间温度≤250℃。焊后立即进行消氢处理，消氢处理的工艺为300～350℃，恒温2 h。然后采用缓慢冷却的方式将工件冷却至室温，并且在工件焊接完成24 h后进行超声波检测，探伤依据NB/T47013.3—2015《承压设备无损检测》进行，合格标准为Ⅰ级。只有经过探伤合格后的工件方可进行试验，以确保焊接缺陷不影响试验结果。沿着长度方向对接焊接，焊接表面如图2所示。

图1 焊件

图2 焊缝上表面

2 焊接热输入的确定及焊缝区域的性能测定方法

根据现场实际生产状况的效率及焊接质量的需要，本次焊接试验共选取了三种不同的焊接热输入作为试验对象。这三种不同的焊接热输入分别为2.46 kJ/mm、2.78 kJ/mm和3.09 kJ/mm。

对20MnNiMo钢的试验焊接接头分别进行金相、弯曲、冲击和拉伸等试验，具体位置如图3所示。

图3 试验采样位置布置

3 试验结果及分析

3.1 焊接接头拉伸试验

采用不同的焊接热输入对20MnNiMo钢进行焊接实验，并对焊接完的试样进行焊接接头拉伸试验，取样位置如图4所示。对于不同热输入工艺下的拉伸试验结果如表4所示。

由以上的试验结果可以看出当焊接热输入为2.78 kJ/mm时，20MnNiMo钢的抗拉强度下降最为明显。本次试验是针对厚壁的20MnNiMo钢进行焊接性能的研究，工件在焊接完毕后必须进行焊后消除应力退火。消除应力退火是以消除因冷加工或者切削加工及热加工后快冷而引起的残余应力为目的的。消除应力退火处理可以避免因为残余应力导致的变形、开裂或者随后处理的困难[3-4]。通常在焊后热处理过程中，材料的力学性能可能有所下降，因此本次实验选取抗拉强度降低最明显的工件（热输入为2.78 kJ/mm）作为研究对象，进一步研究不同热处理温度对20Mn-NiMo钢力学性能的影响。

图4 拉伸试验取样位置（mm）

表4 不同焊接热输入状态下的拉伸试验结果

目前，通常对碳钢和低合金钢所采用的低温退火温度为550～650℃，高合金钢和高速钢消除应力退火温度为600～750℃。20MnNiMo钢属于低合金高强钢，本次试验分别选取550℃、570℃和600℃作为消除应力退火的温度。表5是热处理完成后试样的拉伸试验结果。

表5 拉伸试验结果

由以上试验结果可知，焊接接头断裂位置都是在焊接热影响区，并且随着焊接热输入的增大，试样的平均抗拉强度先减小再增大；同时随着热处理温度的提高，平均抗拉强度先减小再增大。

3.2 焊接接头弯曲性能试验

20mnNiMo钢进行焊接接头弯曲性能试验取样位置如图5所示。分别对热输入为2.46 kJ/mm、2.78 kJ/mm和3.09 kJ/mm的焊缝进行弯曲试验，试验结果如下页表6所示。对焊接热输入为2.78 kJ/mm的焊缝进行不同温度的热处理后的焊缝进行弯曲性能试验，试验结果如下页表7所示。

图5 弯曲性能试验取样位置（mm）

由表6、表7可知，采用不同热输入的工件及采用不同温度退火得到的工件进行弯曲实验，实验完成后工件表面均未发生裂纹等危害性缺陷，焊接接头的弯曲试验结果都通过，弯曲性都能满足使用要求。

表6 弯曲性能试验结果

表7 弯曲性能试验结果

3.3 焊接接头冲击试验

对20MnNiMo钢焊接接头冲击性能试验，取样位置如图6所示，图中T为试样厚度。取样的位置分别为T/4、21 mm，T/2、42 mm，3T/4、63 mm。对于不同热输入工艺下的试验结果如表8所示。对焊接后抗拉强度降低最明显的工件（热输入为2.78 kJ/mm），分别采用不同温度进行退火处理，并对去应力退火后的焊缝进行冲击性能试验，其结果如表9所示。

图6 冲击性能试验取样位置（mm）

由表8、表9可知，采用不同焊接热输入状况下的焊缝以及采用不同温度进行去应力退火的工件，其焊接接头的冲击试验结果都能满足使用要求。

3.4 焊接接头金相组织分析

选取焊接后力学性能变化较大的工件（焊接热输入为2.78 kJ/mm，570℃×15 h进行去应力退火）作为研究对象，对焊接接头进行金相组织分析，结果如图7—图11所示。

由图7—图11可知焊缝的组织是：从焊缝的上部到焊缝的下部都为回火贝氏体、针状铁素体和先共析铁素体；距离焊缝最近的过热区组织主要是回火贝氏体，在试件的中部会出现细晶粒铁素体和细小颗粒回火贝氏体；在过热区和不完全正火区之间的部分为正火区，为回火贝氏体组织；在接近母材的热影响区，即处于上临界和下临界温度之间的不完全正火区，为铁素体和回火贝氏体组织；其母材为典型的回火索氏体组织。

表8 不同焊接热输入状态下冲击性能试验结果

表9 热输入为2.78 kJ/mm工件在不同退火温度处理后的冲击性能试验结果

图7 焊缝组织

4 结论

图8 过热区组织

图9 正火区组织

通过对厚壁20MnNiMo钢焊接接头分别进行拉伸试验、弯曲试验、冲击试验和金相分析，可以看到：焊接接头断裂位置都是在焊接热影响区，并且随着焊接热输入的增大，试样的平均抗拉强度先减小再增大；同样随着热处理温度的提高，平均抗拉强度先减小再增大；焊接接头的弯曲试验结果都通过，弯曲性能满足使用要求。厚壁20MnNiMo钢去应力退火后，从金相观察位置与焊缝的逐渐远离，金相组织由回火贝氏体，针状铁素体和先共析铁素体逐渐过渡到回火贝氏体，再到铁素体和回火贝氏体组织，以及母材的回火索氏体组织。

图10 不完全正火区组织

图11 母材组织

[1]张萌，罗应明.大厚度以轧代锻20MnNiMo钢板的研制开发[J].宽厚板，2011，17（3）：14-16.

[2]陈重毅，麻永林，邢淑清，等.焊接热输入对特厚板20MnNiMo焊接残余应力的影响[J].材料热处理学报，2013（1）：76-79.

[3]刘靖，张双平，韩静涛.压力容器用508-Ⅲ钢焊接热影响区组织分析[J].焊管，2011（7）：23-26.

[4]胡光立，谢希文.钢的热处理（原理和工艺）[M].西安：西北工业大学出版社，2007：40-71.

（编辑：胡玉香）

Effect of Welding Heat Input on Properties of Weld Seam of Thick 20MnNiMo Steel

WANG Qiang,MA Yonglin,CHEN Zhongyi,XING Shuqing
（School of Materials and Metallurgy,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou Inner Mongolia 014010）

In order to study the best welding heat input of the thick 20MnNiMo steel during the welding process,as well as the mechanics performance and organizational performance of the 20MnNiMo steel in welding process and the corresponding heat treatment process,the welding heat input energy of 2.46 kJ/mm,2.78 kJ/kJ/mm and 3.09 mm are selected in this experiment.The results show that the fracture position of 20MnNiMo steel welding joint is all in the welding heat affected zone,and the sample average tensile strength first decreases and then increases with the increase of welding heat input.The microstructure with a increase of the distance from 20MnNiMo steel weld is tempering bainite,acicular ferrite,proeutectoid ferrite,tempering bainite,bainite ferrite,tempering organization,and the parent metal tempered sorbite,successively.

20MnNiMo steel,welding heat input,microstructure

TG406

A

1672-1152（2016）06-0001-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.01

2016-10-21

主要作者简介：王强（1983—），男，内蒙古科技大学在职研究生，工程师，现就职于陕西榆林能源集团横山煤电有限责任公司工程部，长期从事火力发电厂设备检修的管理工作。麻永林（1962—），男，内蒙古科技大学教授，博士生导师。