焊接热输入对08Ni3DR低温钢焊接接头组织及性能的影响

郭有田

(四川石油天然气建设工程有限责任公司容器制造厂 四川 内江 641000)

0 引 言

随着我国国民经济的不断发展，目前石油天然气等能源的需求量还在稳步增长，世界各国在全球范围内争夺能源资源，在很大程度上也影响了世界的格局和发展的走向[1]。石油化工、化肥、城市煤气的工艺设备，低温装置设备或压力容器如未稳定凝析油低温球罐、H2S浓缩塔、甲醇洗涤塔、CO2塔等，这些容器或装置往往在-80～-100 ℃范围内使气体液化，最低使用温度为-100 ℃[2]。这些装置用钢一般采用Ni含量3.5%的低温钢，国内牌号为08Ni3DR的低温钢，ASME牌号为SA203E。

由于08Ni3DR低温钢作为低温容器装置的主体材料，长期服役于-100 ℃的低温环境，为保障低温容器的安全性，对08Ni3DR低温钢的焊接工艺参数对组织性能影响进行研究有着十分重要的意义[3]。本文通过不同焊接热输入规范参数下焊接接头的组织和性能试验，分析工艺参数对焊缝和热影响区组织和性能的影响，选择出性能满足标准技术要求的30 mm厚08Ni3DR低温钢焊接的工艺参数。

1 试验方案

焊接试验在厚度为30 mm的平板上进行，采用X形坡口，坡口尺寸如图1所示，正面采用药皮焊条电弧焊(SMAW)，背面采用埋弧自动焊(SAW)。SMAW焊接厚度约为11 mm，SAW焊接厚度约为19 mm。SMAW选用牌号为CHL107R的国产焊条，分别采用两种热输入：q1

α=60°±2°，b=2.0±0.5 mm，p=0.5±0.5 mm，h=0～2.25 mm，δ=30 mm,SMAW≈11 mm，SAW≈19 mm图1 试件焊接坡口尺寸示意图

表1 试件的焊接规范参数

2 试验结果及分析

2.1 热输入对拉伸性能的影响

从试件的焊缝部位取样进行拉伸试验，试验结果见表2。

表2 试件焊缝金属拉伸性能试验结果

焊接热输入对焊缝金属拉伸性能的影响如图2所示，从图2可见，四种试件的拉伸性能均满足标准要求，但焊接热输入(即焊接电流、焊接电压和焊接速度)的变化对焊缝金属拉伸性能有一定影响[4]。

从试件的焊缝部位取样化学成分试验，试验结果见表3。

图2 焊接热输入对焊缝拉伸性能的影响

表3 试件焊缝金属的化学成分试验结果

对于SMAW焊条电弧焊试件，采用相同国产焊条焊接的W1和W2焊缝试板，随着热输入的增加，即q2>q1，W2的屈服强度和抗拉强度均高于W1试件，延伸率较W1试件偏低。对于埋弧SAW焊缝试件W3和W4，随着热输入的增加，W4试件较W3试件屈服点略有下降，但抗拉强度有所升高，延伸率减小。

2.2 对焊接接头低温冲击韧性的影响

不同焊接热输入下，试件焊缝和热影响区的低温冲击功见表4。热输入对焊缝和热影响区韧性的影响如图3所示。

表4 焊缝和热影响区低温冲击试验结果

图3 冲击功变化规律

由表4和图3可以看出，两种焊接方法下，虽然焊缝和热影响区的冲击功均满足标准要求，但焊缝和焊接热影响区的韧性随焊接热输入呈线性变化[5]，随着热输入的增大，焊缝金属和热影响区的冲击吸收功均有所降低，如W1焊缝金属冲击功平均值为135 J，当热输入增大到27 KJ/cm时，即W2焊缝金属的冲击功平均值为80 J，冲击功降低幅度较大，埋弧自动焊试件的冲击功也符合此规律。另外热影响区的冲击功平均值均略高于焊缝区冲击功，因此，为了使焊缝获得较高的低温冲击韧性，则必须严格控制热输入的大小。

2.3 热输入对硬度的影响

试件焊接接头的维氏硬度试验在HVS-50的数显维氏硬度试验仪下进行，维氏硬度的试验结果见表5，维氏硬度试验值的对比曲线如图4所示。

表5 焊接接头维氏硬度(HV10)测试结果

图4 维氏硬度值对比曲线

从维氏硬度试验数据和对比曲线可以看出，同种焊接工艺及不同焊接热输入的焊接接头维氏硬度值都在250 HV10以内，符合标准要求，这表明对于国产焊材采用不同的焊接工艺对其硬度的影响不大。随着焊接热输入的增加，焊缝和热影响区的硬度随之增大，母材没有明显变化，且焊缝和热影响区的维氏硬度值均超过了母材的维氏硬度值[6]，说明焊缝区的合金元素的过渡使维氏硬度有所增加，各区域的平均硬度值随道间温度的升高而降低。平均硬度值也是随热输入的减小而降低。大热输入焊接会引起焊缝及热影响区晶粒边界碳化物聚集，导致焊接接头维氏硬度值呈现出热影响区母材焊缝的规律。因此，采用不超过最大热输入时的参数均可以保证焊接接头力学性能的稳定性。

3 焊接接头显微组织分析

采用两种焊接方法的不同热输入的四块焊接试件的工艺试验，分别切取试样，并加工成金相试样，进行研磨抛光，使用4%的硝酸酒精对其进行侵蚀，在德国徕卡DMIRM金相显微镜和图像分析系统下观察其显微组织。试件焊接接头的显微组织分析结果如图5和图6所示。

对不同热输入的SMAW金相组织图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)进行对比，可以看出，W1焊缝和热影响区金相组织均为针状铁素体和粒状贝氏体。热输入较大的W2焊缝和热影响区金相组织为针状铁素体、粒状贝氏体以及块状铁素体，热影响区的块状铁素体较多，W2焊接接头金相组织的晶粒度大于W1的晶粒度，从而说明随着SMAW热输入的增大，使冷却速度较慢，块状铁素体增多，晶粒变得更加粗大，导致其材料的强度高、韧性低[1]。

图5 SMAW焊接接头的显微组织(400×)

图6 SAW焊接接头的显微组织(400×)

对不同热输入的SMAW金相组织图6(a)、图6(b)、图6(c)和图6(d)进行对比，可以看出，W3的焊接接头的焊缝和热影响区金相组织为块状铁素体、针状铁素体和粒状贝氏体。热输入较大的W4焊缝金相组织中出现少量的魏氏组织，热影响区的块状铁素体组织较多。魏氏组织是可使材料的强度和韧性降低，因此说明较大的热输入产生了有害的魏氏组织，同时金相组织的晶粒也增大，导致焊缝材料的强度高及韧性低。

4 结 论

1)厚度为30 mm的08Ni3DR低温钢焊接时随着热输入的增大，SMAW焊缝材料的屈服强度和抗拉强度增加，伸长率降低。SAW焊缝材料的屈服强度略有降低，抗拉强度增加，延伸率下降。随着热输入的增大，焊缝和热影响区的低温冲击吸收功均有所降低。随着热输入的增大，焊缝的硬度和热影响区的硬度值均出现了升高。

2)在试验条件下，08Ni3DR低温钢SMAW焊接热输入在10 KJ/cm，SAW焊接热输入在18 KJ/cm时，焊接接头的综合力学性能较好并符合标准要求。