焊接熱輸入對CHE607QR焊條焊縫金屬低溫沖擊性能的影響

（四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自貢643000）

0 前言

球形容器因其表面積最小、質(zhì)量輕、受力均勻、占地面積小、建造方便、節(jié)省費用等優(yōu)點，在石油、化工、冶金、城市燃氣、輕工、航空航天和核能等行業(yè)廣泛用于儲存液化石油氣（LPG）、液化天然氣（LNG）乙烯、丙烯、丙烷、丁烷、液氨、液氧等液化氣體和氧氣、氮氣、核氣、天然氣和城市煤氣等。隨著我國石油、化學(xué)工業(yè)和鋼鐵材料工業(yè)的快速發(fā)展，特別是球罐建造技術(shù)的進步，球形容器建造呈現(xiàn)出高壓、大型化發(fā)展趨勢。

近年來，大型球形容器建造用鋼板已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但其配套的焊接材料仍依賴進口，造成國產(chǎn)球形容器建造用焊材長期受制于人，不僅價格高，而且采購周期長，影響建造施工進度。本研究試驗焊條為07MnNiMoDR－50℃鋼制球罐配套用低合金高強鋼焊條，牌號CHE607QR（型號E6215－N5 P），通過改變焊接熱輸入，研究其對焊條CHE607QR對接焊縫金屬－50℃、－60℃低溫沖擊性能的影響，對工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義[1]。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗?zāi)覆?/p>

試驗用母材為江陰興澄特種鋼鐵材料有限公司生產(chǎn)的07MnNiMoDR鋼板。鋼板厚48 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 鋼板化學(xué)成分 %

表2 鋼板力學(xué)性能、彎曲性能

1.1.2 試驗焊條

試驗焊條牌號CHE607QR，規(guī)格φ4.0，其化學(xué)成分和熔敷金屬性能如表3、表4所示。

表3 焊條熔敷金屬化學(xué)成分 %

表4 焊條熔敷金屬力學(xué)性能[熱處理：（580±15）℃×6 h]

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備包括：美特斯ZBC 3302－C擺錘式?jīng)_擊試驗機；微機控制電液伺服萬能試驗機；天津泰斯特SX－4－10箱式電阻爐；上海世祿儀器 66/68紅外測溫儀；時代逆變ZX7－400焊機；電子顯微鏡。

1.3 試驗方法[2]

采用不對稱X型坡口，坡口角度30°+30°，試驗焊條CHE607QR在380℃烘焙1 h，立向上焊接。試板組對要求如圖1所示，實驗方案如表5所示，焊后對試板先進行（200±15）℃×1 h 熱處理后，再進行（580±15）℃×6 h焊后熱處理，在熱處理后的試板上截取焊縫沖擊試樣。沖擊試樣軸線位于1/4T處。

圖1 坡口形式及沖擊取樣位置

表5 試驗實施方案[3]

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同焊接線能量對焊縫低溫沖擊性能的影響

分別按GB/T 2650－2008《焊接接頭沖擊試驗方法》、GB/T 229－2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》研究焊條熔敷金屬力學(xué)性能，其結(jié)果見圖2、表6。

圖2 不同焊接線能量對焊縫低溫沖擊性能的影響

由表6可知，隨著焊接線能量由11 kJ/cm增加到49 kJ/cm，在所選實驗方案范圍內(nèi)，焊縫拉伸強度隨著熱輸入量的增加呈下降趨勢；焊縫金屬－50℃和－60℃沖擊韌性隨著熱輸入量的增加呈先增加后下降趨勢；當(dāng)焊接熱輸入為49 kJ/cm時，焊縫金屬拉伸強度及－50℃、－60℃沖擊韌性值下降幅度較大；當(dāng)焊接熱輸入小于等于35 kJ/cm時，焊縫金屬綜合力學(xué)性能良好[4]。

2.2 不同熱輸入量對金相組織的影響

焊接條件與表5相同，分別從對應(yīng)試板上截取一個試樣進行金相分析，實驗結(jié)果如圖3所示。

由金相檢測結(jié)果可知，不同線能量的焊縫組織均為針狀鐵素體+少量貝氏體，隨著線能量的增加，晶粒呈長大趨勢。當(dāng)焊接線能量為11 kJ/cm時，焊縫組織細小均勻且位錯密度較高，焊縫強度較高；隨著焊接線能量的增加，晶粒逐漸長大的同時位錯密度降低，焊縫強度下降且焊縫低溫沖擊值上升，當(dāng)焊接線能量大于28 kJ/cm時，焊縫組織晶粒繼續(xù)長大且組織均勻性下降，焊縫強度及低溫沖擊值均下降[6]。

表6 不同焊接線能量下焊縫低溫沖擊性能

圖3 焊縫金相組織

2.3 球形容器工程中焊接熱輸入的控制

試驗數(shù)據(jù)表明，球形容器用低合金高強鋼焊條CHE607QR在焊接線能量為11～35kJ/cm時，可獲得較好的綜合力學(xué)性能。焊接質(zhì)量涉及球形容器運行的安全性，由于球形容器建造施工焊接工作量大，焊工實行計件工資，所以普遍采用大線能量以提高單位時間的熔敷金屬量，但線能量過大容易造成接頭和熱影響區(qū)組織過熱，產(chǎn)生過熱組織而導(dǎo)致其脆化，降低焊縫和熱影響區(qū)的硬度和韌性，CHE607QR焊條在焊接線能量超過40 kJ/cm時，焊縫熔敷金屬的拉伸強度為要求值下限，但仍滿足設(shè)計要求值；當(dāng)線能量超過49 kJ/cm時，焊縫熔敷金屬的拉伸強度不能滿足設(shè)計要求。因此，建議球形容器用低合金高強鋼焊條CHE607QR的最大焊接線能量為35 kJ/cm。

3 結(jié)論

（1）球形容器用低合金高強鋼焊條CHE607QR抗大線能量效果好，焊接線能量小于等于35 kJ/cm為宜。

（2）球形容器用低合金高強鋼焊條CHE607QR焊條綜合力學(xué)性能優(yōu)良，完全滿足球形容器的焊接。

[1]陳玉喜，劉亮，張華軍，等.焊接熱輸入對低合金高強鋼焊縫組織和韌性的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2015，49（3）：306－309.

[2]杜麗影，邱保文，薛歡，等.焊接線能量對海洋平臺用鋼斷裂韌性的影響[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2015，27（2）：24－26

[3]付魁軍，及玉梅，王佳驥，等.微合金元素對大線能量焊接用船板性能影響的試驗研究[C].全國焊接學(xué)術(shù)會議，2010.

[4]章小滸，李曉燕.大焊接線能量儲罐用鋼的開發(fā)與應(yīng)用[J].壓力容器，2003，20（1）：16－19.

[5]夏佃秀，尚成嘉，孫衛(wèi)華，等.低合金高強鋼大熱輸入焊接熱影響區(qū)組織性能[J].焊接學(xué)報，2011，32（4）：83－86.