16MnDR钢低温压力容器焊接接头缺陷原因分析

苗龙

辽宁红沿河核电有限公司 辽宁大连 116319

1 序言

16MnDR钢是在主要强化元素Mn、Si的基础上，通过添加微量的Nb、Ni、V等合金元素，以及冶金质量的改善、高纯洁净钢的冶炼方法、微合金化以及控轧、控冷等措施，使得该钢种具有足够的强度和优良的低温韧性。目前，16MnDR钢通常用于液化石油气、液氨、液氧、液氮等相关生产储存容器、输送管道以及寒冷地区服役设备制造，最低使用温度可达-40℃，在压力容器、制冷、化工设备、车辆等行业得到了广泛的应用[1-3]。但是，16MnDR钢低温压力容器结构复杂，且壁厚较厚，焊接过程中容易出现焊缝与热影响区组织不均匀，且焊后存在较多应力，导致焊缝出现裂纹等缺陷[4-5]。本文针对16MnDR钢低温压力容器在制造过程中出现焊接缺陷后进行组织性能分析，通过分析找出缺陷产生的原因，为避免同类问题及设备的安全使用提供有效依据。

2 理化检验

（1）试验材料 该压力容器材料为某国产16MnDR钢，厚度为40mm。接头为60°V形坡口，钝边为8mm，对接间隙为0~1mm。接头采用焊条电弧焊打底，埋弧焊填充盖面，外口采用碳弧气刨清根，砂轮打磨干净后采用埋弧焊填充。焊丝牌号为H09MnDR，直径为1.6mm，焊接电流为80~120A。母材和焊丝化学成分见表1、表2，焊接坡口、焊前预热和焊后热处理工艺分别如图1、图2所示。

对焊接接头缺陷开展宏观检查，然后通过机械方式将缺陷接头取下，分别开展金相检测、硬度试验和裂纹打开后的断口微观观察等试验，测试标准分别为GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》、GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》和JY/T 010—1996《分析型扫描电子显微镜方法通则》。

（2）宏观检测 图3为缺陷部位的内壁观察结果。罐体外壁有油漆保护，油漆完整，外壁及底座均未见腐蚀、变形等现象。所有接头内壁均未发现有腐蚀痕迹，焊缝亦未发现有咬边、密集气孔、夹渣及裂纹等缺陷。

表1 16MnDR钢化学成分 (质量分数) （%）

表2 H09MnDR焊丝化学成分(质量分数) （%）

图1 焊接坡口

图2 热处理工艺

图3 缺陷部位内壁情况

（3）金相检测 图4为正常部位处的焊缝组织情况。母材组织基本上为铁素体及呈带状和块状分布的珠光体，焊缝组织为贝氏体+铁素体，大部分铁素体沿柱状晶界析出，晶内有细小针状铁素体和粒状贝氏体。

图5~图7为缺陷接头处的金相检测情况。接头处存在两处裂纹缺陷，裂纹位于打底焊道底部位置，此处处于焊接热循环反复加热的部位，裂纹大体沿熔合线平行扩展，在未混合熔化区有非金属夹杂物重熔后产生的球滴状物质和显微孔穴，为典型的焊缝金属液化裂纹[6]。

图4 接头正常处金相检验

图5 裂纹

图6 未熔合

图7 气孔

（4）硬度检测 图8为接头的硬度试验位置和试验结果。结果表明：焊接接头显微硬度较为均匀，未见明显异常情况。

图8 缺陷接头显微硬度检测结果

（5）微观观察和能谱分析 图9和图10为裂纹打开后的微观观察和能谱分析结果。打开后的断口整体上可见不连续的裂纹形貌，断口呈现树枝晶形貌特征，断口上有液相沿晶界面凝固的痕迹，为典型的焊缝金属液化裂纹特征。能谱分析结果表明：裂纹内部含有低熔点的S元素。

图9 裂纹打开后的微观观察结果

图10 裂纹处能谱分析结果

3 分析与讨论

理化分析得知，母材和焊丝的化学成分均满足标准要求。母材组织为铁素体及呈带状和块状分布的珠光体，焊缝组织为贝氏体+铁素体，大部分铁素体沿柱状晶界析出，晶内有细小针状铁素体和粒状贝氏体。接头硬度较为均匀，未见明显异常情况。

接头缺陷的种类较多，分别为气孔、缩孔、未熔合和裂纹缺陷。上述缺陷在接头焊缝横截面的位置分布较为统一，均分布在打底焊道底部多层焊缝的层间位置以及打底焊道母材和焊缝金属侧壁位置，此处为外口碳弧气刨清根位置。碳弧气刨主要是利用碳棒或石墨与工件间产生的电弧将金属熔化，并用压缩空气将其吹掉，实现在金属表面上加工沟槽的方法。碳弧气刨操作时常会出现操作不当导致夹碳、粘渣、刨槽不正和深浅不匀等缺陷，进而很容易在后续焊接过程中产生气孔、缩孔以及未熔合等缺陷。同时，打底焊道底部多层焊缝的层间位置处于焊接热循环反复加热，容易使焊缝中的低熔点物质S等在重复温度较高的环境下发生晶界液化，形成裂纹。本次裂纹的形貌大体沿熔合线平行扩展，在未混合熔化区有非金属夹杂物重熔后产生的球滴状物质和显微孔穴，裂纹打开后的断口呈现树枝晶形貌特征，断口上有开裂后液相沿晶界面凝固的痕迹，为典型的焊缝金属液化裂纹特征。

4 结束语

打底焊道部位存在较多的低熔点物质S以及其他杂质，上述物质在焊接中过高热输入量的热循环反复加热的环境下发生晶界液化，形成裂纹、气孔等缺陷。建议严格控制焊接工艺，尤其是打底焊道工序中碳弧气刨及清理工作，应保证焊道间不能残留锈、油脂、水分等物质。同时，进行打底焊道焊接时，应严格按照焊接工艺控制焊接热输入量，防止过高的焊接热输入量导致打底焊道底部多层焊缝的层间位置出现低熔点物质的熔化，进而形成裂纹。