304LN钢制容器MAG焊焊接接头性能研究.pdf

第 卷第 期压力容器 年 月 ：檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐 试 验 研 究 钢制容器 焊焊接接头性能研究郝增龙，焦帅杰，王国佛，韩莹，张胜鹏，富泉，黄上甫，马健朝，（哈尔滨威尔焊接有限责任公司，哈尔滨 ；哈尔滨焊接研究所有限公司，哈尔滨 ；武汉重型机床集团有限公司，武汉 ）摘要：针对 不锈钢制容器对国产自动化焊接材料的迫切需求，研制了 奥氏体不锈钢焊丝，对其熔化极活性气体保护焊（）的熔敷金属及 对接接头进行了试验研究。结果表明，焊态及去应力热处理态熔敷金属组织均为奥氏体柱状晶，不含铁素体组织，熔敷金属具有良好的强度和塑性，尤其是其 冲击值达到 以上，冲击断裂特征为典型的韧性断裂；焊接修复情况下长时间或多次的去应力热处理对熔敷金属的力学性能无明显影响；该焊丝得到的对接接头焊接质量良好，其拉伸、冲击及弯曲等力学性能满足承压设备焊接工艺评定的要求，并且接头具有较强的抗晶间腐蚀能力；该焊丝能够用于 类压力容器的焊接。关键词：奥氏体不锈钢；熔敷金属；焊接接头；低温冲击韧性；去应力热处理中图分类号：；文献标志码：，（，；，；，）：，（），；，：；收稿日期：修稿日期：引言奥氏体不锈钢具有良好的低温性能，在低温下一般不发生脆化，是低温环境中常用的材料 。低温用奥氏体不锈钢一般采用含氮钢，奥氏体不锈钢是一种超低碳中氮型奥氏体不锈钢 ，其具有优良的低温韧性及良好的耐蚀性，在液氮储罐、液化天然气（）船罐及大型 ，低温设备的建造中得到广泛的应用，其设计使用温度通常为 。低温环境对材料和焊接接头的低温冲击韧性要求严格，以防止发生低温脆性断裂而失效 ，一些行业中对低温下的冲击韧性提出了更高的指标要求。如对铬镍奥氏体不锈钢大型低温风洞项目要求 ，；国际热核聚变试验堆项目要求 ，；均高于我国 压力容器 标准中规定的 ，的要求。通常情况下奥氏体不锈钢母材的低温性能优良，而焊接接头的低温冲击韧性相对于母材较差 ，奥氏体不锈钢焊缝相比其母材具有更高的脆化敏感性 ，研制出高性能的配套焊材对我国低温事业的发展至关重要。目前，国内外对奥氏体不锈钢的低温韧性已做了较多研究，铁素体组织对奥氏体不锈钢的低温韧性有害，在冲击过程中裂纹会在 铁素体与奥氏体的界面优先开裂 ；另外，铁素体在焊后热处理过程中或在高温下运行会析出脆性 相，从而恶化不锈钢焊接接头的塑性和韧性 。闵晓峰等 对 用低温高韧性焊材的选用开展了研究，熔敷金属为全奥氏体或奥氏体 极少量 铁素体的焊材的低温韧性更为优异。因此，从提高奥氏体不锈钢焊缝韧性的角度出发，需要尽量降低组织中的 铁素体含量。等 研究了不同比例 保护气体对奥氏体不锈钢焊缝冲击韧性的影响，结果表明，随着 比例的增加，焊缝金属中夹杂物的数量增多、尺寸增大，焊缝的冲击韧性降低。本文对 焊丝 焊熔敷金属的组织和性能进行系统的试验研究，最终获得了性能优异的 奥氏体不锈钢 焊接头，为国内大型低温设备的制造提供技术支撑。试验材料及方法某公司进行了低温 钢用 焊丝的研制，焊丝成分如表 所示。为获得良好的低温冲击性能，添加了较多的 元素。奥氏体不锈钢焊接有较高的热裂纹敏感性倾向，为防止焊接热裂纹的产生，焊丝冶炼时采取了两种措施：一是严格控制焊丝中 ，杂质元素的含量，避免形成晶间的低熔点化合物而导致金属凝固过程中开裂；二是提高焊丝中 元素的含量，具有良好的脱 作用，两者优先结合生成高熔点的 ，减小 形成低熔点硫化镍的倾向，避免产生热裂纹 ，。焊接过程中采用 的混合保护气体，活性气体的加入起到改善含镍较高的奥氏体液态金属的流动性、增大熔深的作用，同时考虑到过多的 会损害焊缝的力学性能，因此该混合气体配比能够兼顾焊接工艺性和性能。表 试验用 焊丝化学成分 元素 数值 熔敷金属试板采用母材为 厚的 钢板，焊丝直径为 ，力学性能试样的制备参照 焊接材料的检验 第 部分：钢、镍及镍合金熔敷金属力学性能试样的制备及检验 中的试件类型 ，使用上述焊丝分别在 母材坡口面及垫板上堆焊 厚的隔离层，并在坡口内进行多层多道焊接，主要焊接工艺参数如表 所示，焊缝横截面中心部位的宏观形貌见图 。多层多道焊缝成形良好，具有明显的趾状熔深，且未出现裂纹、夹渣、未熔合等焊接缺陷。焊后进行去应力热处理，升温速率 ，加热至 并保温 ，随后炉冷，降温至 以下出炉空冷。表 熔敷金属试板的主要焊接工艺参数 参数焊接电流 电弧电压 焊接速度 （）道间温度 保护气体气体流量 （）数值 郝增龙，等：钢制容器 焊焊接接头性能研究图 焊缝横截面宏观形貌 对接焊接接头试板采用 ，试板规格为 ，母材的化学成分和力学性 能 分 别 如 表 、表 所 示。使 用 上 述 焊丝焊接试板，坡口形式为 形，钝边为 ，坡口角度为 ，根部间隙为 ，采用多层多道焊，焊接位置为平焊，焊接接头如图所示，焊接工艺参数如表 所示。针对设备长期运行在极端温度交变的工况，考虑高低温度循环对焊接接头低温韧性的影响，按照设备制造方的要求对焊材进行 次深冷循环处理，深冷处理的具体工艺为：将试样降温至液氮温区，并完全冷透后（不起泡），在液氮中浸泡 ，取出后完全恢复至室温，然后放置 为一次深冷处理，上述流程循环 次。表 试板化学成分 元素 数值 表 试板力学性能 项目室温拉伸屈服强度 抗拉强度 断后伸长率（）冲击吸收能量 数值 ，选用 铁素体分析仪，在焊态熔敷金属上表面测量铁素体数 。选取焊态及 热处理态熔敷金属的横截面，采用 型光学显微镜观察熔敷金属的微观组织，并分别进行熔敷金属的拉伸和冲击试验，再利用 型扫描电子显微镜对熔敷金属冲击试样断口进行观察。图 焊接接头示意 表 对接焊接接头试板的主要焊接工艺参数 参数焊接电流 电弧电压 焊接速度 （）道间温度 保护气体气体流量 （）数值 熔敷金属试验结果及分析 熔敷金属化学成分分析熔敷金属的化学成分如表 所示。由于焊接时保护气体中加入了 以改善铁水的流动性，焊接时 在电弧作用下会分解产生 和 ，其中 会继续与 反应生成 和 ，造成熔敷金属增 、增 ，对冲击性能产生不利影响，因此，应限制保护气体中 的含量。表 焊丝熔敷金属化学成分 元素 数值 ，根据 图 中铬当量（）及镍当量（）的计算公式，分别见式（）、式（），由 焊丝熔敷金属的化学成分计算出 ，可知组织位于单一奥氏体相区。另外，采用磁性法测得的焊态熔敷金属的铁素体数 也为 ，初步推测熔敷金属为纯奥氏体组织，组织中不存在 铁素体。（）（）熔敷金属显微组织分析图 为 焊丝熔敷金属的组织。（）焊态组织（）去应力热处理态组织图 焊丝熔敷金属微观组织 可以看出，焊态及 热处理态熔敷金属的组织均为单一奥氏体组织，与计算法及磁性法的分析结果相一致，熔敷金属的组织形态呈现柱状晶，由于焊接时采用较小的焊接热输入并严格控制层间温度，获得了较细的焊缝组织，有利于抑制裂纹的形核和扩展，提高材料的抗脆断能力。熔敷金属中含有较高的 ，等元素，提高了奥氏体的稳定性，铬镍当量比 ，因此焊缝的凝固模式为 模式，在凝固过程中，首先从液相中析出奥氏体相并稳定存在，凝固完成后为全奥氏体相，经 热处理后，组织中未见析出相，避免 析出相造成组织脆化。此外，面心立方晶格的奥氏体组织的低温脆化倾向远小于体心立方晶格的 铁素体组织，因此，具有单一奥氏体组织的熔敷金属的低温韧性更为优异。熔敷金属力学性能分析表 为焊态及 热处理态熔敷金属力学性能测试结果，焊态熔敷金属的屈服强度为 、抗拉强度为 ，屈强比为 ，热处理态熔敷金属的屈服强度为 、抗拉强度为 ，屈强比为 ；熔敷金属的断后伸长率均为 左右，经次深冷循环处理后 ，均为 左右。结果表明，焊后 热处理对熔敷金属的拉伸和 冲击性能无明显影响。对 热处理态熔敷金属的力学性能技术指标要求为抗拉强度 ，断后伸长率 ，三次深冷循环处理后冲击吸收能量 ，因此 焊丝熔敷金属的力学性能满足技术要求。表 焊丝熔敷金属力学性能 试样状态室温拉伸抗拉强度 屈服强度 断后伸长率（）冲击吸收能量（深冷 次）焊态 ，（）去应力热处理态 ，（）该熔敷金属在热处理后没有生成对材料塑韧性有害的析出物（见图 （），在热处理后仍能获得优异的力学性能。材料中 含量越高，过饱和的马氏体的晶格畸变程度越严重，在低温下发生马氏体相变时对材料的韧性越不利，而该熔敷金属中的 含量仅为 ，低碳组织将有利于改善材料的低温韧性。另外熔敷金属中含有较高的 ，等元素也是获得良好韧性的有利因素之一。图 示出焊态及 热处理态熔敷金属的冲击断口形貌。可以看出，断口均为韧性断口，未见解理断裂的特征。低倍下观察断口的整体形貌，断口凹凸不平，有较大程度的塑性变郝增龙，等：钢制容器 焊焊接接头性能研究形；在高倍下观察，发现两种熔敷金属的冲击断口形貌无明显差别，断口上存在大量的细小韧窝及撕裂棱，符合韧性断裂的特征，表现出优异的低温冲击性能。另外，在部分韧窝的底部发现了球形析出物，结合 能谱分析，判断此类夹杂物为冶炼或焊接过程中形成的氧化物夹杂，可作为冲击断裂时的裂纹源，促进裂纹的形成和扩展，因此，焊接时在保护气体中仅加入了 左右的，避免形成大量的氧化物而严重损害材料的韧性。（）焊态熔敷金属宏观断口（）焊态熔敷金属微观断口（）去应力热处理态熔敷金属宏观断口（）去应力热处理态熔敷金属微观断口图 熔敷金属 冲击断口形貌 热处理参数对熔敷金属力学性能的影响在实际生产中，为防止产生应力腐蚀裂纹，会进行多次或长时间的去应力热处理，因此有必要研究去应力热处理的次数及保温时间对熔敷金属力学性能的影响。根据实际情况，选择 种热处理工艺进行对比研究，分别为热处理工艺（，次）、热处理工艺（，次）和热处理工艺（），具体热处理工艺参数见图 ，并对 种热处理态的熔敷金属进行了拉伸及 低温冲击测试。熔敷金属的拉伸性能见表 ，在 种热处理条件下熔敷金属的强度及断后伸长率等指标相当，可以看出，去应力热处理的次数及保温时间对熔敷金属的拉伸性能无明显影响。熔敷金属的 冲击性能见表，在种热处理条件下熔敷金属的 低温冲击吸收能量和 次深冷 低温冲击吸收能量均相当，无显著差异，可以看出，去应力热处理的次数及保温时间控制得当，对熔敷金属的低温冲击性能无明显影响。图 种热处理工艺 ，表 不同热处理参数下熔敷金属的拉伸性能 热处理工艺编号温度抗拉强度 屈服强度 断后伸长率 （）断面收缩率 （）室温 室温 室温 表 不同热处理参数下熔敷金属的冲击性能 热处理工艺编号 冲击吸收能量 冲击吸收能量（深冷 次），（），（），（），（），（），（）焊接接头试验结果及分析 无损检测及宏观金相分析 对接试板焊接完成后，分别按照标准 承压设备无损检测 第 部分：射线检测 和 承压设备无损检测 第 部分：渗透检测 对焊缝进行了射线（）、渗透（）无损检测，检测结果均为级。在焊态焊接接头上截取横截面试样后制成宏观金相试样，结果表明，整个观察面上未发现裂纹、气孔、咬边、夹渣、未熔合及未焊透等焊接缺陷，从而能够有效避免低应力断裂的发生。焊接接头力学性能分析按照 承压设备焊接工艺评定 标准的要求，对焊态及 热处理态 焊接接头进行了拉伸、冲击和弯曲试验，试验结果分别见表 、表 ，结果表明完全满足标准及设计技术要求。表 拉伸和 冲击试验结果 试样状态拉伸性能 断裂位置 冲击吸收能量 焊缝区热影响区焊态 ，母材，母材 ，（），（）去应力热处理态 ，母材，母材 ，（），（）表 横向侧弯试验要求及结果 试样状态试样厚度 弯心直径 弯曲角度 （）结果焊态 件完好，无裂纹去应力热处理态 件完好，无裂纹 晶间腐蚀试验根据技术要求，并按照 金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法 标准中方法 进行晶间腐蚀性能试验，对焊态及 热处理态焊接接头各取 个晶间腐蚀试样，经腐蚀后，件试样正弯 ，件试样背弯 ，试验结果如图 、图 所示。可以看出，试样的受拉面上均未产生因晶间腐蚀引起的裂纹或开裂倾向，说明焊接接头具有较强的抗晶间腐蚀能力。（）正弯（）背弯图 焊态焊接接头晶间腐蚀试样 郝增龙，等：钢制容器 焊焊接接头性能研究（）正弯（）背弯图 热处理态焊接接头晶间腐蚀试样 结论（）研制的 焊丝 焊熔敷金属具有良好的力学性能，满足技术条件的要求；经焊接工艺评定结果合格，接头的抗晶间腐蚀能力较强，已成功用于某大型低温设备的焊接。（）焊态及 热处理态熔敷金属组织均为单相奥氏体，奥氏体组织以柱状晶的形态分布，单一的奥氏体组织有利于获得优异的低温冲击性能。（）熔敷金属焊后于 保温，保温时间及热处理循环次数在合理的范围内对熔敷金属的强度、塑性和低温冲击韧性无明显影响。（）焊态及 热处理态熔敷金属的 冲击断口呈现出大量的韧窝，未见解离断裂特征，表现出典型的韧性断裂形式，两种状态的熔敷金属均具有优异的低温冲击韧性。参考文献：闵晓峰，吴梦先，莫芝林，等 类不锈钢焊材熔敷金属 冲击韧性研究 电焊机，（）：，（）：郭阿宾 应变强化奥氏体不锈钢低温容器用材料弯曲试验研究 杭州：浙江大学，：，王惠颖，孙拥军，米辉耀，等 浅谈液氢储运压力容器的研制 机电产品开发与创新，（）：，（）：韦炜，何志龙，邢子文，等 高压液氢泵研究进展 流体机械，（）：，（）：黄嘉琥，陆戴丁 低温压力容器用不锈钢（二）压力容器，（）：，（），（）：邹大军，胡洪学，黄攀宇 低温风洞不锈钢洞体焊接关键参 数 监 测 与 分 析 系 统 电 焊 机，（）：，（）：黄嘉琥，陆戴丁 低温压力容器用不锈钢（一）压力容器，（）：，（），（）：赖欢，祝长江，陈万华，等 大型低温风洞结构设计关键技术分析 实验流体力学，（）：，（）：，（）：余王伟，陈学东，崔军，等 成形工艺对奥氏体不锈钢焊接接头超低温冲击韧性影响的试验研究 ，压力容器，（）：，（）：，罗雅，鲁艳红 铁素体对 不锈钢冲击韧性的影响 压力容器，（）：，（）：王永强，杨滨，李娜，等 相在核电一回路主管道不锈钢中的脆化机理 金属学报，（）：，（）：闵晓峰，王元兴，吴梦先，等 用高韧性不锈钢焊材选择与性能研究 压力容器，（）：，（）：，（）：曲金光，马春霞 奥氏体不锈钢铅液池裂纹修复 压力容器，（）：，（）：，（）：作者简介：郝增龙（），男，工程师，主要从事焊接材料的研究工作，通信地址：黑龙江省哈尔滨市平房区渤 海 路 号 哈 尔 滨 威 尔 焊 接 有 限 责 任 公 司，：。通信作者：焦帅杰（），男，主要从事高合金焊接材料与焊接工艺的研究工作，通信地址：黑龙江省哈尔滨市平房区渤海路 号哈尔滨威尔焊接有限责任公司，：。本文引用格式：郝增龙，焦帅杰，王国佛，等 钢制容器 焊焊接接头性能研究 压力容器，（）：，（）：（上接第 页）胡牧原，郑百林，贺鹏飞，等 基于非线性本构关系的软管编织增强层等效刚度修正方法研究 力学季刊，（）：，（）：，（）：作者简介：王亚军（），男，研究员，主要从事飞行器设计工作，通信地址：北京市海淀区丰滢东路号院，：。通信作者：周浩洋（），男，研究员，主要研究方向为增压输送系统设计及仿真研究，通信地址：北京市 信箱 分箱 号，：。本文引用格式：王亚军，陈鼎铭，贺启林，等 金属软管轴向静刚度特性试验研究 压力容器，（）：，（）：