超大厚度低溫鋼焊接接頭的性能

胡冰 任鶴

摘要：通過對超大厚度16MnD低溫鋼焊接工藝的研究，合理制定焊接參數，找到滿足-40℃沖擊要求的焊接接頭。完成滿足ASMEIX卷標準的焊接工藝評定，有效提高壓縮機MCL機殼法蘭厚度，對于16MnD材料，機殼焊接厚度由200mm增大到399mm。

關鍵詞：超大厚度;低溫沖擊;焊接工藝

0? 引言

目前，高轉速、高壓比、大流量成為離心壓縮機的發展趨勢，由于現代工業的大規模生產需求，從而使離心式壓縮機向大型化的總體發展趨勢。國內離心壓縮機的高科技和特殊產品不能滿足國內需求。此外，我國和外國之間在技術水平質量和配套設施方面仍有差距。石油化工生產規模的不斷擴大，離心式壓縮機將面臨大規模的新問題。為了滿足定子剛度的要求，臥式分離式壓縮機殼體中分離式法蘭的厚度逐漸增大。另外，由于有些壓縮機在低溫下使用，因此需要使用低溫鋼。低溫鋼主要用于生產設備的儲存和運輸的液化氣體。因此，這些鋼最重要的特性是耐低溫脆性。低溫容器通常被稱為液化石油氣船，液氨，液氧液氮生產、儲存容器和輸電線路和設備在寒冷地區使用。為此本課題以低溫鋼16MnD材料為研究對象，通過合理選取焊接參數并通過嚴格的過程控制手段，得到滿足使用要求的焊接工藝參數，并完成300mm厚焊接試板的焊接工藝評定，使產品最大焊縫厚度覆蓋達到399mm，滿足了壓縮機中分面法蘭使用要求。

1? 試驗材料與方法

試驗母材為16MnD，符合NB/T47009-2017標準。焊接材料為CHW-55C1，規格ф1.2mm。焊接試板尺寸為500×400×300mm3，采用水平位置焊接，由于焊接試板較厚，為適當的減少焊接量，選用了雙面U型坡口，坡口及拼裝示意圖見圖1。

2? 焊接及熱處理工藝

采用水平熔化焊和水平對接的氣體保護焊，保護氣體為80%Ar+20%CO2，保護氣體流量15-20L/min。

選用兩組不同的焊接參數作為對比試驗，焊接線能量分別為22kJ/cm和27.6kJ/cm。為了保證焊接接頭的質量，焊接前要預熱50℃，并嚴格控制焊接過程中夾層溫度小于150℃。焊后熱處理溫度600-620℃[1]。焊接坡口形式見圖1要求。

3? 試驗結果與分析

為充分驗證試驗所選用的焊接參數是否合理，本研究從焊接接頭的力學性能和微觀組織兩個方面來分析。

3.1 不同焊接參數下力學性能試驗結果分析

針對兩組不同工藝參數，分別作了拉伸試驗、-40℃沖擊試驗，試驗結果見表2，可以看出在試驗所選擇線能量的范圍內，當線能量為22kJ/cm時，焊接接頭的力學性能是最好的。焊縫的抗拉強度535MPa，和線金屬拉伸試樣被摧毀，這證明了焊接接頭的抗拉強度高，這是相關焊接材料和焊接參數。此外，焊縫的平均沖擊功率為181J，熱影響區平均沖擊功率為160J，均遠大于母材要求，-40℃低溫沖擊值滿足工況使用要求。

3.2 焊接接頭組織分析

圖2（a）（b）分別為線能量22kJ/cm和27.6kJ/cm時16MnD材料焊縫的金相組織。圖2（a）焊縫的組織鐵素體基體均勻細小，針狀鐵素體的角度分布很多，大部分是呈大角度分布，有利于焊縫的低溫沖擊性能，與焊縫能量的控制密不可分。嚴格控制焊接線能量和層間溫度，且采用直道焊接減小擺動對焊縫組織帶來有利影響。由圖2（b）可以看出，當焊接線能量增加時，由于熱輸入變大，焊縫金屬冷卻速度減小，晶粒尺寸有所長大，焊縫組織粗大。晶界鐵素體減少，而塊狀鐵素體增加，針狀鐵素體減少，因此對低溫沖擊性能帶來不好的影響，由此可見過大焊接線能量對焊縫均勻組織形成不利。此外，當焊接線能量變大時，會加大對合金元素Ni、Mn等的燒損，這兩種元素是焊縫沖擊和抗拉性能主要的影響元素，同樣會對焊縫性能帶來不好的影響[2]。此外，對于熔化極氣體保護焊，焊接線能量超高，會導致氣孔等焊接缺陷增多，嚴重影響焊縫質量。因此，焊接時應杜絕過大的焊接線能量。

4? 焊接工藝評定研究

為滿足日后壓縮機水平法蘭焊縫厚度的需要，依照ASME IX卷焊接工藝評定標準，制備了300mm厚的焊接工藝評定試件，采用線能量為22kJ/cm的工藝要求進行施焊。為全面了解試件各部分力學性能，采取了全厚度分層取樣的方法，焊接工藝評定取樣為10層，每層厚度均為25mm，每層分別取拉伸、側彎、沖擊試樣進行試驗。取樣示意圖見圖3。

分別按照ASMEIX QW-150、QW-160、QW-170標準進行各力學性能試驗，其中抗拉強度在497-553MPa，塑斷于母材。各層的抗拉強度整體差別不大，在試板中心部位抗拉強度較高，兩側稍低。這與焊接試板選用雙面U型坡口有關，焊接時從試板中心部位開始，然后逐層向上焊接，這樣焊接后一層時的熱過程會對前一道焊縫產生一種類似于正火的作用，會細化前一道焊縫的晶粒，這樣會對前一道的焊縫形成均勻細小的組織帶來良好的影響，但這種積極的影響必須靠控制焊接線能量和層間溫度來實現。如果焊接線能量超高，伴隨著很大的焊接熱輸入，這樣后一道焊縫會對前一道焊縫帶來過熱的影響，不利于焊縫的組織與性能。此外，隨著整個焊接試板焊縫層數增加，焊接熱過程持續作用于試板，試板始終處于保溫緩冷的狀態，有效減少焊接裂紋傾向，同樣有利于焊縫形成均勻的組織。因此在實際產品焊接中，控制焊接線能量是有效提升產品焊接質量的途徑。此外，側彎180°結果全部合格，證明試驗所選用的線能量較為合理，不產生焊接缺陷的同時，焊接接頭的延伸率較好;焊接接頭-40℃沖擊功均滿足要求，證明所選用的焊接參數較為合理，過高的焊接熱輸入會顯著降低焊接接頭的低溫沖擊性能。本試驗通過制定合理的焊接參數使困擾低溫鋼焊接接頭低溫沖擊難題得到解決。綜合拉伸、彎曲、沖擊的試驗結果，依照ASMEIX卷標準，焊接工藝評定合格。

5? 結論

16MnD材料焊接選擇熔化極氣體保護焊，線能量為22kJ/cm時，-40℃焊縫沖擊功平均值達到181J，性能良好，應杜絕過大的焊接線能量輸入。合理選擇焊接參數，加強工藝控制，完成ASME IX卷標準的焊接工藝合格證，使產品最大焊縫厚度可達到399mm。

參考文獻：

[1]張茂龍，丁必學，樊建明.大厚度焊接接頭不同厚度部位焊縫縱向力學性能差異性試驗[J].焊接，2003（4）：12-16.

[2]王學敏，舒偉，鄭超超，等.低碳微合金鋼中TixO-MnS型復合夾雜對焊接熱影響區微觀組織相變的影響[J].北京科技大學學報，2011，33（8）：958-964.