ASTMA765鋼焊接接頭低溫性能

胡冰

摘要：針對離心壓氣機殼用ASTM A765鋼的低溫工況，研究了改性材料的焊接工藝及焊后熱處理工藝。研究了拉伸性試驗、低溫沖擊試驗和金相觀察、焊接參數和焊后熱處理工藝對焊接接頭性能的影響。試驗結論顯示，采用HS09MnNiDR焊絲焊接的ASTM A765鋼可滿足-46℃低溫工況的使用要求。

關鍵詞：ASTM A765;低溫沖擊;焊接工藝

0 ?引言

近年來，為滿足壓縮機出口項目的要求，美標材料的應用越來越廣泛。為此本課題以美標材料ASTM A765 Grade II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[1]，得到滿足使用要求的焊接工藝，滿足-46℃低溫工況的使用要求。

1 ?試驗材料與方法

試驗母材為ASTM A765 Grade II，滿足ASTM A765標準，其化學成分及力學性能件表1。焊接材料為HS09MnNiDR，AWS A5.28 ER80S-Ni3標準的規(guī)范是ф1.2毫米，其化學成分如表2中列出。使用熔融金屬電弧焊、水平對接焊，80%Ar+20%CO2。

2 ?焊接及熱處理工藝

本試驗選用的焊接試板尺寸為500×400×40mm3，采用水平位置焊接，45°X型坡口。由于ASTM A765 Grade II屬于低合金鋼，其Ni元素含量較低，且要應用在-46℃低溫工況中，屬于低Ni低溫鋼，因此為保證焊接接頭的低溫沖擊性能，選擇了含Ni元素較多的焊絲，這樣可以彌補焊接過程中Ni元素的燒損，它可以有效地增加鎳的焊接接頭的內容，這有利于低溫影響焊接接頭的性能。另外，為了保證焊接接頭的性能和焊接效率，必須合理選擇焊接參數。具體工藝參數見表3。對于熔化極氣體保護焊，為保證焊接效率，焊接電流應足夠大以保證產生噴射過渡，而對于低溫鋼焊接接頭，過大的焊接電流、電壓會導致合金元素燒損、組織粗大等現象，不利于焊縫沖擊性能，因此，試驗所選適合的線能量為22.7kJ/cm，在保證噴射過渡的同時，可以有效降低過大熱輸入對焊接接頭帶來的不良影響。此外，為了保證焊接接頭的低溫沖擊性能，焊接過程中中間層之間的溫度應嚴格控制在150℃以下。為了控制和消除焊接后殘余應力的影響，在590-610℃下進行了4-5小時的應力消除熱處理。

3 ?試驗結果與分析

3.1 力學性能試驗結果分析

對焊接樣品進行拉伸、沖擊、硬度試驗。拉伸試驗表明，焊縫的平均拉伸強度為505MPa，斷裂部位在基體金屬中，表明焊縫強度高。焊接接頭的沖擊試驗結果在表4列出。焊接中心的平均沖擊能量是131J以及熱影響區(qū)是230J。可見，焊接接頭的沖擊功都非常高，這與試驗選用較小的線能量有很大關系，較小的線能量可以細化焊縫組織。同時，為確保焊縫組織的細小均勻，焊接預熱溫度不宜過高。高預熱溫度會降低焊接冷卻速度，使焊接結構容易粗糙。焊縫平均硬度為180HBW，熱影響區(qū)的硬度平均值為161HBW，母材為151HBW。焊縫及熱影響區(qū)的硬度比母材稍高一些但均滿足NACE MR0175標準對低合金鋼在酸性環(huán)境下的使用要求。

3.2 焊接接頭組織分析

圖1（a）（b）分別為ASTM A765鋼焊縫和熱影響區(qū)的金相組織。圖1（a）焊縫的組織為鐵素體，顯微組織均勻、小，有大量針狀鐵素體，角度分布大，有利于焊縫的低溫沖擊性能，且采用直道焊接減小擺動對焊縫組織帶來有利影響。由圖1（b）可以看出，熱影響區(qū)位置出現馬氏體，馬氏體組織的形態(tài)和受熱影響有關，離焊縫近的部位由于熔合區(qū)內溫度梯度高[2]，組織嚴重長大，故得到粗大的馬氏體，而在熔合區(qū)以外的正火區(qū)的部位由于受到焊接熱循環(huán)的影響，結果得到的馬氏體結構非常細。在不同的冷卻速度和線性能源、貝氏體和馬氏體形成一個混合結構。雖然該區(qū)域組織粗細不同，但特征上都是屬馬氏體。這種共存組織會導致在正火區(qū)（細晶區(qū)）沖擊功數值的提升，正火區(qū)的組織是熱影響區(qū)性能較好的區(qū)域。

4 ?結論

ASTM A765鋼焊接選擇熔化極氣體保護焊，HS09MnNiDR焊絲，線能量為22.7kJ/cm時，-46℃焊縫沖擊功平均值是可以達到131J，而熱影響區(qū)沖擊功平均值則可以達到230J，滿足-46℃低溫工況使用要求。ASTM A765鋼焊接接頭抗拉強度達到505MPa，試樣于母材斷裂，滿足壓縮機機殼制造要求。

參考文獻：

[1]尹士科.焊接材料及接頭組織性能[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[2]劉建平，李博，白雪峰，等.焊后熱處理對高溫合金異種材料焊接組織的影響[J].沈陽工業(yè)大學學報：2014，36（6）：651-656.