焊接热输入对12MnNiVR钢接头组织与性能影响

2024-01-11王锟艺刘兆龙刘坤范益李伟邹家生

江苏科技大学学报(自然科学版) 2024年6期

摘要：采用气电立焊对12MnNiVR钢进行焊接，分析了焊接热输入对接头的微观组织和力学性能的影响，重点研究了焊接接头的冲击韧性.结果表明：焊缝组织主要为针状铁素体和粒状贝氏体，存在马氏体-奥氏体（M-A）组元，粗晶热影响区组织为板条铁素体，夹杂物为TiN.随着焊接热输入的增加，针状铁素体和板条铁素体逐渐转变为块状铁素体，且块状铁素体尺寸逐渐增大，M-A组元数量和尺寸也增加.焊缝显微硬度和热影响区最高显微硬度随着焊接热输入的增加而降低.焊接接头的拉伸和弯曲性能均满足标准，冲击韧性随着焊接热输入的增加而降低，焊缝处冲击断口呈现韧窝特征，随着焊接热输入的增加，热影响区处冲击断口的断裂方式由韧性断裂转变为准解理断裂.厚度为21.5 mm的12MnNiVR钢焊接热输入宜控制在100 kJ/cm以下，以保证接头在具有良好的综合力学性能的同时兼顾较高的生产效率.

关键词： 12MnNiVR钢；气电立焊；焊接热输入；组织；力学性能

中图分类号：TG446"" 文献标志码：A"""" 文章编号：1673-4807（2024）06-052-06

收稿日期： 2023-03-22"" 修回日期： 2021-04-29

基金项目：国家自然科学基金项目（52105351）；江苏省自然科学基金项目（BK20210890）

作者简介：王锟艺（1997—），男，硕士研究生

*通信作者：刘坤（1989—），男，博士，讲师，研究方向为焊接冶金与特种焊接技术. E-mail： liu_kun@163.com

引文格式：王锟艺，刘兆龙，刘坤，等.焊接热输入对12MnNiVR钢接头组织与性能影响［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2024，38（6）：52-57.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.06.008.

Influence of welding heat input on microstructureand properties of 12MnNiVR steel joints

WANG Kunyi¹， LIU Zhaolong²， LIU Kun^1*， FAN Yi³， LI Wei^1，3， ZOU Jiasheng¹

（1.School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co. Ltd.， Shanghai 200137， China）

（3.Jiangsu Key Laboratory for Premium Steel Materials， Nanjing Iron amp; Steel Co. Ltd.， Nanjing 210035， China）

Abstract：We weld 12MnNiVR steel by gas-electric vertical welding method and study the influence of welding heat input on the microstructure and mechanical properties of the joint and focus on the impact toughness of the joints. The results show that the microstructure of weld is mainly composed of acicular ferrite and granular bainite. Martensite-Austenite （M-A） components are also observed. The microstructure of the coarse-grained heat-affected zone is lath ferrite， and the inclusions are identified as TiN. With increasing welding heat input， acicular ferrite and lath ferrite gradually transform into massive ferrite. The size of massive ferrite increases gradually and the number and size of M-A components also increas. The microhardness of the weld seam and the maximum microhardness of the heat-affected zone both decrease with increasing welding heat input. The tensile and bending properties of the joints meet the standards. The impact toughness decreases with increasing welding heat input and the impact fracture at the weld seam presents dimple characteristics. With increasing welding heat input， the fracture mode of the impact fracture at the heat affected zone changes from ductile fracture to quasi cleavage fracture. Finally， this paper proposes that the welding heat input of 12MnNiVR steel with a thickness of 21.5 mm should be controlled below 100 kJ/cm to ensure that the joint has good comprehensive mechanical properties and high production efficiency.

Key words：12MnNiVR steel， gas-electric vertical welding， welding heat input， microstructure， mechanical properties

从2004年起，我国就开始在沿海地区分三期兴建石油储备基地，国内大多采用地面建造的大型和超大型石油储罐进行石油储备^［¹^］，且储罐材料大多采用12MnNiVR钢种.12MnNiVR钢具有强度较高、冲击韧性较好和接头力学性能优异等优点^［^2-3^］，广泛应用于大型和超大型石油储罐的建造^［4^］.石油储罐建造对焊接接头质量要求很高，因此，开展对12MnNiVR钢焊接接头组织和性能的相关研究，对于石油储罐焊接制造具有重要意义.

在实际生产中，气电立焊由于具有生产效率高、焊接成本低以及便于操作等优点^［⁵^］，成为了12MnNiVR钢储罐的主要焊接方法.在气电立焊的主要工艺参数中，焊接热输入是影响焊接效率和接头性能的重要因素^［⁶^］，合理的焊接热输入是获得接头良好成型和优异性能的关键参数.适当的增大焊接热输入有利于提升焊接效率，节约生产成本，但如果焊接热输入过大，容易导致焊缝和热影响区力学性能降低.文献［7］研究了焊接热输入对高性能桥梁钢接头组织和性能的影响，指出随着焊接热输入的增加，焊缝柱状晶粗化，热影响区晶粒尺寸增大，焊接接头抗拉强度和屈服强度下降，冲击韧性大幅降低，接头的脆性明显增大.文献［8］研究了焊接热输入对800 MPa级HSLA钢焊接接头组织及性能的影响，发现随着焊接热输入的增加，粗晶热影响区粒状贝氏体占比增多，板条块亚结构由平行分布的细长条状向粗大块状转变，焊缝金属的冲击韧性先增加后降低.文献［9］研究了焊接热输入对热轧耐候钢接头组织和性能的影响，发现屈服强度随着热输入的增加而降低，拉伸试样均断裂在混合晶粒热影响区.混合晶粒热影响区由多边形和等轴铁素体组成，微观结构随着热输入的增加而变得粗大.

焊接热输入对焊接接头的组织和性能有着最为直接和重要的影响.文中通过采用不同的焊接热输入对12MnNiVR钢进行气电立焊，研究热输入对接头组织和性能的影响规律，分析焊接接头组织和性能之间的联系，重点研究了焊接接头的冲击韧性及断裂机理.

1 试验

1.1 试验材料

试验所选用的母材为12MnNiVR钢，钢板厚度为21.5 mm，其化学成分和力学性能^［¹⁰^］见表1和表2.焊材采用DW-S1LG焊丝，直径为1.6 mm，熔敷金属化学成分见表3.

1.2 试验方法

采用气电立焊的方法焊接试板，气电立焊焊接设备为上海兆锋机电设备有限公司的YS-EGW-V垂直立焊系统（林肯DC600电源、LF-72送丝机和控制箱），在气电立焊中焊接速度的选择与坡口尺寸密切相关，通过改变焊接速度可实现不同热输入的调整.气电立焊工艺参数见表4，试板坡口尺寸如图1.焊接试件尺寸及要求均按照NB/T 47014-2023《承压设备焊接工艺评定》标准执行，冲击试样的缺口开在焊缝中心、熔合线、熔合线+2 mm的位置^［¹¹^］.

利用CMT5205电子万能材料试验机、SANS摆锤式冲击试验机进行试件的拉伸、弯曲和冲击试验.焊缝、热影响区的金相试样经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，利用ZEISS Axio Oberver倒置金相显微镜观察组织特征。通过KB30SR-FA（Basic）全自动维氏硬度计测量材料的硬度，采用ZEISS Merlin Compact型场发射扫描电子显微镜观察析出相、夹杂物和冲击断口形貌.

2 结果分析及讨论

2.1 焊接接头微观结构分析

焊后24 h后对焊缝表面进行着色渗透检测.焊缝表面检验结果表明：焊接接头成型良好，没有发现未熔合、未焊透、气孔、咬边、裂纹等缺陷.图2为焊接接头宏观特征，可以看出试板在焊接后，接头熔合良好，无肉眼可见气孔、裂纹等缺陷.

不同热输入的焊缝金相组织如图3（a）、（c）和（e）.热输入为100 kJ/cm的焊缝金属由针状铁素体和粒状贝氏体组成，随着焊接热输入的增加，焊缝金属中针状铁素体逐渐减少，出现块状铁素体，且块状铁素体的尺寸随着热输入的增加而变得粗大.由图3（b）、（d）和（f）可知焊缝中均存在一定数量的M-A组元，随着焊接热输入的增加，M-A组元的形态从点状、长条状逐渐向块状转变，即M-A组元的数量和尺寸逐渐增加.

不同热输入焊接接头的靠熔合线侧热影响区金相组织如图4（a）、（c）和（e）.热输入为100 kJ/cm的组织中基体主要为粒状贝氏体，存在侧板条铁素体，随着热输入的增加，侧板条铁素体转变为块状铁素体，且块状铁素体的尺寸随着热输入的增加而逐渐增大.由图4（b）、（d）和（f）可知，热输入为100 kJ/cm的粗晶热影响区组织为板条铁素体和粒状贝氏体，随着热输入的增加，板条铁素体消失，出现块状铁素体，粒状贝氏体逐渐以束状存在.

图5为粗晶热影响区夹杂物面扫元素分布及能谱分析.从图5（a）可以看出，在贝氏体板条中形成了一个菱形夹杂物，而由图5（b）夹杂物能谱分析和表5夹杂物的化学成分可知夹杂物的主要元素为C、N、Ti，其中Ti含量最高达65.33%.结合面扫元素分布推测该夹杂物为TiN，Ti能够与N元素结合，形成稳定的高温第二相粒子TiN.弥散分布的TiN粒子可以有效阻碍奥氏体晶粒长大，增加晶内针状铁素体的形核密度.

2.2 焊接接头力学性能

表6为焊接接头拉伸和弯曲试验结果，焊接热输入从100 kJ/cm增加至130 kJ/cm时，焊接接头平均抗拉强度从676.5 MPa降低至629.5 MPa，降幅6.9%，当焊接热输入为120 kJ/cm时，接头平均抗拉强度为654.5 MPa，断裂位置均在母材处.3种热输入焊接接头的抗拉强度均高于610 MPa，满足对应等级压力容器的性能要求.根据标准AWS B4.0M-2000（R2010），当板厚大于12 mm时需用侧弯来代替正弯和反弯，本试验中试板板厚为21.5 mm，所以要进行侧弯试验.由表6可知，3种热输入的侧弯试样完好，角度均达到180°，无缺陷.

按照GB/T 713.6-2003《承压设备用钢板和钢带第6部分：调质高强度钢》标准12MnNiVR钢需满足在-20 ℃下焊接接头冲击吸收功≥47 J，从图6可知3种热输入在焊缝中心处的冲击吸收功均满足标准，并且随着焊接热输入的增加而降低，焊接热输入由100 kJ/cm增加至130 kJ/cm时，冲击吸收功由176.5 J降低至82.1 J，降幅53.5%.3种热输入最低冲击吸收功的冲击位置均在熔合线处，并且仅有100 kJ/cm热输入时冲击吸收功才大于47 J.也就意味着仅有100 kJ/cm热输入满足-20 ℃焊接接头冲击吸收功≥47 J.

焊接接头显微硬度结果如图7，焊接热输入从100 kJ/cm增加至130 kJ/cm时，焊缝显微硬度从221.9HV10降低至190.1HV10，降幅16.7%，当焊接热输入为120 kJ/cm时，焊缝显微硬度为212.5HV10.热影响区的性能常用热影响区（一般在熔合区）的最高硬度来判断，热输入为100 kJ/cm的热影响区最高显微硬度在距离熔合线2 mm处，为212.7HV10；热输入为120 kJ/cm的热影响区最高显微硬度在距离熔合线1 mm处，为210.3HV10；热输入为130 kJ/cm的热影响区最高显微硬度在距离熔合线3 mm处，为204.7HV10.

而由于焊接热影响区中存在不完全重结晶区，该区组织发生了部分重结晶，奥氏体化过程没有完成，碳化物没有完全溶解，得到的成分低于平衡成分的奥氏体.在冷却时，较高的温度使未饱和的奥氏体分解为奥氏体分解产物、碳化物和未溶解的铁素体，并且组织大小不均匀，对延性变形的抗力减小，其次在温度的影响下，组织中通过相变的位错密度和控制控轧也降低，减弱母材在热力学轧制工艺获得的加工硬化作用，出现硬度下降的情况^［¹²^］，之后又因为位置逐渐向母材趋近，硬度开始增加.热输入为100 kJ/cm的显微硬度谷值在距离熔合线6 mm处，为177.7HV10；热输入为120 kJ/cm的显微硬度谷值在距离熔合线5 mm处，为181.7HV10；热输入为130 kJ/cm的显微硬度谷值在距离熔合线7 mm处，为176HV10（图7）.

2.3 接头冲击断口分析

不同热输入的焊缝中心处冲击断口形貌如图8（a）、（d）和（g），断口形貌主要由韧窝组成，热输入为100 kJ/cm的断口形貌具有明显的等轴韧窝特征，热输入120 kJ/cm为拉长型抛物线状韧窝，韧窝细小，具有较好的冲击韧性，热输入为130 kJ/cm表现出延性韧窝，延性韧窝依靠微孔聚集型机理产生.这是因为焊缝组织中的针状铁素体和粒状贝氏体细小均匀，有利于降低焊缝的各向异性，提高焊缝的强度及塑韧性^［¹³^］.

由图8（b）、（e）和（h）可知熔合线处的断口形貌以准解理形貌特征为主，热输入为100 kJ/cm的断口形貌存在着少量韧窝，且和130 kJ/cm的断口形貌可以清楚地看到解理台阶、解理刻面和撕裂棱，解理刻面上有少量河流花样，这些现象与冲击结果吻合.这是由于熔合线一侧为焊缝，另一侧为粗晶热影响区，焊缝中的针状铁素体与粗晶热影响区中的板条铁素体存在着组织与性能的差异，板条铁素体中铁素体板条之间的组织为珠光体或其他第二相（M-A组元、马氏体、碳化物或残余奥氏体）^［¹⁴^］，这些硬质相会导致解理裂纹的形成及扩展，且随着热输入的增加，板条铁素体逐渐转变为粗大的块状铁素体，粗大的块状铁素体也会降低熔合线处的冲击韧性.

从图8（c）、（f）和（i）可以看出除了热输入为100 kJ/cm的断口形貌为韧窝以外，热输入为120 kJ/cm和130 kJ/cm的断口形貌均呈现出河流花样，为准解理断裂.这是因为粗晶热影响区中板条铁素体的亚晶强化、位错强化和晶粒细化的作用对韧性有益^［¹⁵^］，随着热输入的增加，板条铁素体逐渐转变为块状铁素体，并且贝氏体呈束状会在冲击试验过程中作为裂纹源诱导裂纹产生.

3 结论

（1）焊缝主要由针状铁素体和粒状贝氏体组成，存在一定数量的M-A组元，粗晶热影响区中存在板条铁素体，夹杂物为TiN.随着焊接热输入的增加，针状铁素体和板条铁素体转变为块状铁素体，且块状铁素体尺寸逐渐增加，M-A组元尺寸和数量增加.

（2）焊接热输入对接头的拉伸和弯曲性能影响较小，接头的拉伸、弯曲性能均满足对应等级压力容器的性能要求.焊缝显微硬度和热影响区最高显微硬度随着焊接热输入增大而降低，焊接接头冲击韧性随着焊接热输入增加而降低.

（3）焊缝处冲击断口均出现韧窝，具有较好低温冲击韧性；在热影响区处，由于随着焊接热输入的增加，板条铁素体转变为粗大的块状铁素体，导致冲击韧性较低，断裂方式由韧性断裂向准解理断裂转变.

（4）采用气电立焊焊接厚度为21.5 mm的12MnNiVR钢时，建议将热输入控制在100 kJ/cm以下，焊接接头在获得良好综合力学性能的同时可以兼顾较高的生产效率.

参考文献（References）

［1］刘胜赫，董富军，胡振平，等. 新钢大线能量焊接石油储罐用12MnNiVR钢板的研制［J］. 山东冶金， 2021， 43（5）： 21-24.

［2］章小浒，李晓燕. 大焊接线能量储罐用钢的开发与应用［J］. 压力容器， 2003（1）： 16-19.

［3］宋晓亮，欧阳坤，陈钊. 大型原油储罐用12MnNiVR钢板的试制［J］. 宽厚板， 2011， 17（1）： 1-3.

［4］韩阳阳. 石油储罐工程的安装焊接工艺［J］. 中国石油和化工， 2016（增1）：79.

［5］ SASAKI K， SUDA K， MOTOMATSU R， et al. Development of two-electrode electrogas arc welding process［J］. Nippon Steel Technical Report，2004，90：67-74.

［6］孙电强，吕德文，管秀兵，等. 焊接热输入量对调质Q690D钢板焊接性能的影响［J］. 宽厚板， 2021， 27（1）： 17-20.

［7］郝玉朋，李力，高振坤，等. 焊接热输入对高性能桥梁钢接头组织和性能的影响［J］. 高速铁路新材料， 2022， 1（6）： 16-21.

［8］孟满丁，魏金山，安同邦，等. 热输入对800 MPa级HSLA钢焊接接头组织及性能的影响［J］. 热加工工艺，2023，52（23）：35-39，49.

［9］ PENG T E， FU C， QIN Z B， et al. Microstructural characterization and mechanical properties of a Q550W weathering steel welded joint under different heat inputs［J］.Journal of Materials Science，2022，57（34）：16528-16540.

［10］马文强. 大型原油储罐用高强钢12MnNiVR的国产化研究及应用［J］. 长江技术经济， 2020，4（增2）： 32-34.

［11］王凌宇，邹家生，朱治愿，等. 层间温度对ENiCrMo-3镍基焊条熔敷金属组织及性能的影响［J］. 江苏科技大学学报（自然科学版）， 2021， 35（6）： 23-29.

［12］娄宇航. E40钢大热输入焊接接头组织与性能研究［D］.昆明：昆明理工大学， 2012.

［13］李永亮. 700 MPa级高强度汽车大梁钢成分设计与组织控制研究［D］. 北京：北京科技大学， 2017：27-32.

［14］ SOO B K，" HYEON C J， TAE H K ， et al. Effects of Al， Si and N content on the formation of M-A constituent and HAZ toughness of Ti-containing low-carbon steel［J］. Materials Science Forum， 2021， 5994：42-49.

［15］李剑，罗明欢，严伟林. 焊接热输入对SCW550/Q345B异种钢焊接接头组织和性能的影响［J］. 热加工工艺， 2015， 44（11）： 47-49，54.

（责任编辑：顾琳）