焊接热输入对CHE607QR焊条焊缝金属低温冲击性能的影响

2018-07-02

电焊机 2018年6期

（四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自贡643000）

0 前言

球形容器因其表面积最小、质量轻、受力均匀、占地面积小、建造方便、节省费用等优点，在石油、化工、冶金、城市燃气、轻工、航空航天和核能等行业广泛用于储存液化石油气（LPG）、液化天然气（LNG）乙烯、丙烯、丙烷、丁烷、液氨、液氧等液化气体和氧气、氮气、核气、天然气和城市煤气等。随着我国石油、化学工业和钢铁材料工业的快速发展，特别是球罐建造技术的进步，球形容器建造呈现出高压、大型化发展趋势。

近年来，大型球形容器建造用钢板已实现国产化，但其配套的焊接材料仍依赖进口，造成国产球形容器建造用焊材长期受制于人，不仅价格高，而且采购周期长，影响建造施工进度。本研究试验焊条为07MnNiMoDR－50℃钢制球罐配套用低合金高强钢焊条，牌号CHE607QR（型号E6215－N5 P），通过改变焊接热输入，研究其对焊条CHE607QR对接焊缝金属－50℃、－60℃低温冲击性能的影响，对工程应用具有一定的指导意义[1]。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验母材

试验用母材为江阴兴澄特种钢铁材料有限公司生产的07MnNiMoDR钢板。钢板厚48 mm，其化学成分和力学性能如表1、表2所示。

表1 钢板化学成分 %

表2 钢板力学性能、弯曲性能

1.1.2 试验焊条

试验焊条牌号CHE607QR，规格φ4.0，其化学成分和熔敷金属性能如表3、表4所示。

表3 焊条熔敷金属化学成分 %

表4 焊条熔敷金属力学性能[热处理：（580±15）℃×6 h]

1.2 试验设备

试验设备包括：美特斯ZBC 3302－C摆锤式冲击试验机；微机控制电液伺服万能试验机；天津泰斯特SX－4－10箱式电阻炉；上海世禄仪器 66/68红外测温仪；时代逆变ZX7－400焊机；电子显微镜。

1.3 试验方法[2]

采用不对称X型坡口，坡口角度30°+30°，试验焊条CHE607QR在380℃烘焙1 h，立向上焊接。试板组对要求如图1所示，实验方案如表5所示，焊后对试板先进行（200±15）℃×1 h 热处理后，再进行（580±15）℃×6 h焊后热处理，在热处理后的试板上截取焊缝冲击试样。冲击试样轴线位于1/4T处。

图1 坡口形式及冲击取样位置

表5 试验实施方案[3]

2 试验结果分析

2.1 不同焊接线能量对焊缝低温冲击性能的影响

分别按GB/T 2650－2008《焊接接头冲击试验方法》、GB/T 229－2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》研究焊条熔敷金属力学性能，其结果见图2、表6。

图2 不同焊接线能量对焊缝低温冲击性能的影响

由表6可知，随着焊接线能量由11 kJ/cm增加到49 kJ/cm，在所选实验方案范围内，焊缝拉伸强度随着热输入量的增加呈下降趋势；焊缝金属－50℃和－60℃冲击韧性随着热输入量的增加呈先增加后下降趋势；当焊接热输入为49 kJ/cm时，焊缝金属拉伸强度及－50℃、－60℃冲击韧性值下降幅度较大；当焊接热输入小于等于35 kJ/cm时，焊缝金属综合力学性能良好[4]。

2.2 不同热输入量对金相组织的影响

焊接条件与表5相同，分别从对应试板上截取一个试样进行金相分析，实验结果如图3所示。

由金相检测结果可知，不同线能量的焊缝组织均为针状铁素体+少量贝氏体，随着线能量的增加，晶粒呈长大趋势。当焊接线能量为11 kJ/cm时，焊缝组织细小均匀且位错密度较高，焊缝强度较高；随着焊接线能量的增加，晶粒逐渐长大的同时位错密度降低，焊缝强度下降且焊缝低温冲击值上升，当焊接线能量大于28 kJ/cm时，焊缝组织晶粒继续长大且组织均匀性下降，焊缝强度及低温冲击值均下降[6]。

表6 不同焊接线能量下焊缝低温冲击性能

图3 焊缝金相组织

2.3 球形容器工程中焊接热输入的控制

试验数据表明，球形容器用低合金高强钢焊条CHE607QR在焊接线能量为11～35kJ/cm时，可获得较好的综合力学性能。焊接质量涉及球形容器运行的安全性，由于球形容器建造施工焊接工作量大，焊工实行计件工资，所以普遍采用大线能量以提高单位时间的熔敷金属量，但线能量过大容易造成接头和热影响区组织过热，产生过热组织而导致其脆化，降低焊缝和热影响区的硬度和韧性，CHE607QR焊条在焊接线能量超过40 kJ/cm时，焊缝熔敷金属的拉伸强度为要求值下限，但仍满足设计要求值；当线能量超过49 kJ/cm时，焊缝熔敷金属的拉伸强度不能满足设计要求。因此，建议球形容器用低合金高强钢焊条CHE607QR的最大焊接线能量为35 kJ/cm。