焊接線能量對高壓容器的爆破安全性影響分析

蘇開明， 秦平， 邵飛翔， 李旭東

（凱邁（洛陽）氣源有限公司，河南洛陽471003）

0 引言

氣瓶的爆破安全性是氣瓶的一項重要指標，在氣瓶規范中會被單獨提出來進行批次性試驗,以保證氣瓶使用過程中的安全[1]。

鎢極氬弧焊是鋼制薄壁高壓容器成型的一種重要方法，其焊接過程是焊件的受熱過程，施加到焊件上的熱量大小與分布狀態影響熔池金屬的凝固、相變過程，并影響熱影響區金屬顯微組織的轉變。影響焊接的參數主要包括焊接電流、焊接速度、保護氣流量等[2]。

1 原理

本文的研究過程選用一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼作為高壓容器的原材料，該材料是通過奧氏體→馬氏體→時效馬氏體進行組織轉變的，該鋼在固溶過程中，銅、鈮等元素融入奧氏體晶粒中，冷卻后將獲得過飽和的銅、鈮的馬氏體，得到第一次強化，接著在時效過程中，過飽和的銅、鈮等元素析出，使基體得到再一次強化[3-5]。

原材料先經固溶處理后加工成零件，然后通過鎢極氬弧焊進行零件焊接，焊縫探傷合格后進行時效處理，得到強化的氣瓶。當進行到零件焊接時，在焊縫成形的同時，其附近的母材經受了一次熱處理（焊接高溫），形成了一個組織和性能極不均勻的焊接熱影響區，熱影響區中靠近焊縫的區域被加熱到Ac1溫度以上時，熔合線區域開始轉變為奧氏體，稍遠一點的組織被加熱到As（低于Ac1）以上，則轉變為馬氏體和逆轉奧氏體，這些逆轉奧氏體彌散分布在馬氏體的基體上，微觀表現為晶粒粗大，且不能經過隨后的時效而強化[3-4]。

氣瓶焊接后可采用重新固溶+時效的處理方式來強化焊縫，通過鉬、銅、鋁、鈦等元素與鉻、鎳元素間的匹配，使固溶后基體、焊縫及熱影響區組織轉變為均勻的板條狀馬氏體組織，再經時效處理析出強化相[3.5]。

2 試環焊接、試驗分析

2.1 試環焊接、試驗

氣瓶的焊接成形過程屬于特殊過程，直接用氣瓶進行試驗成本較高，本文先采用“通過焊接試片，輸入不同的焊接線能量焊接，從力學性能和微觀組織上進行對比”的方法，對焊接線能量對材料的參數影響進行分析，然后再進行氣瓶焊接并進行爆破試驗。將同批次同狀態的氣瓶焊接試環分成4組，輸入不同的焊接線能量焊接，然后進行理化分析對比，試驗過程如下：1）將加工的試環按表1所示的4組參數進行焊接，焊接線能量情況為：3組＞2組＞4組＞1組，然后加工成拉伸試片；2）將拉伸試片進行520℃時效處理后，對試片進行力學性能測試，結果見表2，斷裂情況見圖1～圖2；3）對試片的焊接熱影響區的組織進行微觀觀察，見圖3～圖4。

表1 焊接參數

表2 焊接試片拉伸數據

圖1 拉伸試驗情況（左為1組、右為2組）

圖2 拉伸試驗情況（左為3組、右為4組）

圖3 焊接試片熱影響區組織（左為1組、右為2組）

圖4 焊接試片熱影響區組織（左為3組、右為4組）

2.2 試環焊接、試驗分析結論

1）如表2所示，焊接線能量輸入大小對σb、σ0.2影響不大，對δ的影響較大，而且有焊接線能量越大δ越低的趨勢。同時觀察斷口情況，從圖1～圖2中可以看出，1組拉斷面為傾斜斷口，具有一定延展性，2組和3組的斷面為垂直斷口，趨于脆性斷裂，說明焊接線能量大的試片延展性較差。

2）通過圖3～圖4的焊接熱影響區的微觀組織圖片對比，發現組織粗大情況基本可排序為：3組＞2組＞4組＞1組，焊接線能量較大的2、3組焊接試片熱影響區組織比1組正常焊接的熱影響區組織要粗大，焊接能量略大的4組試片的熱影響區組織僅比1組略差，說明焊接線能量的輸入對試片的熱影響區組織結構會產生影響，焊接線能量越大，組織晶粒粗大越明顯。

3 氣瓶焊接、爆破試驗分析

3.1 氣瓶焊接、爆破試驗

本文分析的氣瓶整體設計為球形結構，內部承壓，受力均勻，氣瓶零件用固溶處理后的馬氏體沉淀硬化不銹鋼加工而成，然后采用氬弧焊接成型，焊接完成并經探傷合格后，通過真空時效處理進行機械性能強化，其中氣瓶壁厚經設計計算，可以滿足25 MPa的爆破壓力。

用同批次同狀態的氣瓶零件分成3組進行焊接，輸入不同的焊接線能量焊接成型，先進行爆破安全性試驗，然后進行理化分析對比。試驗過程如下：1）將同批次同狀態的氣瓶零件按表3所示的3組參數進行焊接，焊接線能量情況為：2組=3組＞1組；2）先對3組進行固溶，然后將1組、2組和3組進行520℃時效處理后，進行爆破安全試驗，結果見表4；3）對2組的破裂處（熱影響區）取樣進行電鏡掃描，斷口源區和擴展區形貌如圖5所示，然后對2組（瓶體、熱影響區和焊縫）、3組（熱影響區和焊縫）和1組（熱影響區和焊縫）取樣進行金相組織觀察，結果見圖6～圖9。

表3 焊接基本參數表

表4 爆破安全性試驗情況 MPa

圖5 斷口形貌（左為斷口源區、右為斷口擴展區）

圖6 2組金相組織（瓶體）

3.2 氣瓶焊接、爆破試驗分析結論

圖7 2組金相組織（左為焊縫、右為熱影響區）

圖8 1組金相組織（左為焊縫、右為熱影響區）

圖9 3組金相組織（左為焊縫、右為熱影響區）

1）通過掃描電鏡對斷口形貌進行觀察發現，2組的斷口源區呈明顯的解理脆性斷裂特征，無塑性變形，擴展區形貌為沿晶特征；觀察其金相組織發現，瓶體為均勻細小的馬氏體組織，焊縫為粗大的鑄態組織，熱影響區組織為馬氏體組織，但與瓶體相比明顯粗大，說明焊接過程輸入了大量熱能，導致焊縫的熱影響區組織明顯粗大化，降低了焊縫熱影響區的塑性，產生低應力脆性斷裂，爆破壓力小于設計要求。

2）1組比2組的焊接線能量小，其熱影響區組織為馬氏體組織，金相組織較均勻，明顯優于2組，爆破壓力滿足設計要求。

3）3組與2組相比，其經過再次固溶后基體、焊縫及熱影響區組織轉變為均勻的板條狀馬氏體組織，再經時效處理析出強化相，使強度進一步提高，其焊縫及熱影響區組織較2組大大細化，焊縫的鑄態組織基本消失，接近于瓶體的組織形態，強化相分布也更加均勻，爆破壓力比1組和2組更高。

4 結論

1）在保證焊縫成形的要求下，若焊接線能量小，則晶粒細，強度高，塑性好，氣瓶的爆破壓力相對高；若焊接線能量大，則晶粒粗大，強度、塑性變差，氣瓶的爆破壓力相對低。

2）生產過程中，在保證爆破安全性和焊縫成形的基礎上，為焊接、熱處理工藝流程的設計供了一種參考依據。

3）為高壓容器焊接后爆破安全性試驗不合格的解決方案提供了一種參考依據。