压力容器用钢焊接接头组织与性能研究

黎丽，戴伟，吉光，孙书刚，李娜，李徐

1.南通理工学院机械工程学院 江苏南通 226001

2.万高（南通）电机制造有限公司 江苏南通 226010

1 序言

在压力容器制造过程中，焊接接头是影响产品质量的关键因素，压力容器的质量水平和使用寿命直接由其质量决定。Q345R是由GB 713—1997《锅炉用钢板》中的16Mng、19Mng和GB 6654—1996《压力容器用钢板》中的16MnR等合并而成，屈服强度为265～345MPa，具有强度高、韧性高、冷成形性和焊接性能好、冷脆转变温度低和耐蚀性强等综合力学性能和工艺性能。Q345R压力容器用钢具有优良的性能，实际生产中除了对生产原料做出改变，还可以优化工艺过程，由单一的焊接工艺[1]转变为两个或两个以上焊接工艺[2]的组合。虽然国内外对Q345R钢板焊接进行了大量研究，但针对Q345R钢板组合焊接技术的研究较少。因此，本文主要研究组合焊工艺下Q345R钢焊接接头的显微组织和力学性能。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

Q345R钢板广泛应用于塔器、换热器、加氢装置等压力容器，是目前我国应用最广泛、消耗量最大的压力容器专用钢板。本试验选用Q345R钢为母材，其化学成分见表1。

表1 试验母材Q345R钢化学成分（质量分数）（%）

2.2 焊接材料的选择

Q345R钢的抗拉强度为460～640MPa，根据等强度要求，应采用抗拉强度在500MPa左右的焊条或焊丝。低温焊接时，容易出现脆硬组织，形成表面裂纹。因此，低温焊接、厚板材焊接时通常使用预热的方法，防止形成脆硬组织、产生焊接裂纹[3]。焊丝选用TIG-50，焊条选用TL-507，其化学成分见表2。

表2 焊接材料的化学成分（质量分数）（%）

2.3 焊接工艺及参数的选择

本文研究关于Q345R钢采用多种焊接工艺组合焊接，以提高焊接效率并获得质量可靠的焊接接头为前提，制定相关焊接参数，具体见表3。

表3 Q345R钢焊接参数

2.4 焊接过程

将母材Q345R钢加工成400mm×125mm×48mm的板材，X形坡口，坡口角度为60°，组对间隙为2～3mm，接头形式为对接接头，如图1所示。采用多层多道焊，GTAW先焊，焊接层数为20层，SMAW焊接层数为10层。焊前需要采取电加热方式，将工件预热到60℃，以防止焊接过程中形成脆硬组织、产生裂纹。焊接接头宏观形貌如图2所示。

图1 焊接接头形式

图2 焊接接头宏观形貌

3 结果与分析

3.1 Q345R钢焊接接头显微组织分析

利用金相显微镜对焊接接头显微组织进行观察。焊接接头不同区域显微组织如图3所示。图3表明，在Q345R钢母材中因P元素的影响而促进了母材偏析。母材中的先共析铁素体在富磷贫碳区，形成铁素体带，在铁素体两侧富碳区形成珠光体带，从而形成母材中所见的带状组织[4]。Q345R钢焊接接头的热影响区是一个既与母材不同又与焊缝不同的组织区域。热影响区的显微组织是珠光体在热循环阶段中发生转变的细小铁素体及珠光体和未来得及相变的、晶粒较大的铁素体构成。组织中还有没发生相变的铁素体，因此即使有部分重结晶过程，也能看出组织中明显的带状特征。对焊缝金属显微组织的观察，得出其组织由细小铁素体和珠光体组成。

3.2 焊接接头力学性能试验

为了保证拉伸试验结果的准确性，采用2个标准试样（见图4）做拉伸试验，并取抗拉强度的平均值。焊接接头的抗拉强度平均值为555MPa，并且均断裂在焊缝处，见表4。根据拉伸试验获得的结果，判断出这种焊接接头的拉伸力学性能是合格的。

图4 拉伸试样形状及尺寸

表4 焊接接头拉伸试验结果

对Q345R钢焊接接头的上表面与下表面的冲击性能进行试验，结果见表5。

表5 焊接接头的冲击试验结果

焊接接头各区域均以铁素体组织为主，铁素体强度较低，塑韧性较好。因此，焊接接头各区域力学性能都比较接近。焊缝区组织晶粒细小，珠光体沿铁素体晶界弥散分布，在厚板的多层多道焊过程中，后一道焊缝对前一道焊缝有重新加热作用，相当于进行一次正火和重结晶退火处理，由此使得焊缝区晶粒及组织细化，且趋于均匀，强度和塑性都有一定程度提高。相比于SMAW，GTAW焊缝的晶粒更为细小、均匀，且晶内含有针状铁素体，可以改善冲击性能。

3.3 焊接接头维氏硬度检测

硬度检测所需的时间很短，并且也不必准备特殊试样，能够有效地保证试验材料的完整性。由于选用焊接材料的化学成分和物理性能都有着很大的不同，因此需要对焊接接头的GTAW面、SMAW面和焊接根部分别进行维氏硬度检测，结果见表6。

表6 焊接接头硬度检测结果（HV10）

由表6 可知焊缝区域硬度值最高，平均值达到189H V10，热影响区硬度次之，平均值约185HV10，母材硬度最低，平均值约为145HV10。焊接接头由母材到热影响区硬度值升高，造成这样的硬度差异的原因主要在于焊接中复杂的热循环，在进行整体焊接的过程中产生大量高温，使得热影响区中正火区出现细小的铁素体，晶粒细小，因此在此区域里热影响区的硬度比较高；因为靠近母材的那一侧热影响区存在部分相变区域，既存在细小晶粒又含有粗大的晶粒，所以比母材硬度要高；在焊缝区根部的硬度要小于其他两个面的硬度，这是由于焊接时持续的热输入使得根部的晶粒发生长大粗化导致的。

4 结束语

本文采用GTAW＋SMAW焊接工艺，以TIG-50、TL-507作为焊接材料对Q345R钢板进行焊接，得到Q345R钢焊接接头后，分析其微观组织和力学性能。通过金相组织观察，得到Q345R钢母材组织是由铁素体＋珠光体组成，呈带状组织分布；焊缝区显微组织主要由细小铁素体＋珠光体组成；热影响区的显微组织为铁素体＋珠光体。获得的焊接接头具有良好的质量，拉伸、冲击等力学性能合格。通过硬度检测，发现Q345R钢焊接接头焊缝区平均硬度值最高，热影响区平均硬度次之，母材的平均硬度最低。