壓力容器不銹鋼焊縫的力學性能研究

張義磊 馬燕銘 陸 斌

（泰安市特種設備檢驗研究院）

0 引言

焊接是壓力容器制造過程中重要的加工工藝，焊縫的質量和性能對于化工設備的可靠性和安全性有著重要影響[1]。由于焊接主要以熱源輸出為主，接頭存在典型的熱影響區域，使得該位置晶粒粗大，材質出現脆性趨勢，容易產生沖擊薄弱區[2]。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能，但由于合金元素的特殊性，其焊接性能與普通低碳鋼相比較差，焊后發生微裂紋的傾向較嚴重[3]。因此，需要對焊縫的力學性能進行研究和分析。

沖擊韌性和強度是體現壓力容器力學性能的重要參數，也是衡量焊縫抵抗外部載荷能力的指標。通過對焊縫薄弱區進行力學性能測試，可得出熱影響區相關參數的變化規律[4]，有利于后期對結構進行優化或者加強。文中對壓力容器對接焊縫試樣進行沖擊性能試驗，這對整個焊接工藝的可靠性評估有著重要的作用。

1 沖擊性能研究

1.1 性能分析

為了研究不銹鋼材質壓力容器的焊接性能，對焊縫試樣進行沖擊試驗，得到了不同位置的焊縫缺口。對試驗結果進行分析后可知，當沖斷口在焊縫熔合線位置時，斷口的尖端始終不超出焊縫中心7 mm區域。熱影響區是由多種復雜組織共同組成的，使得接頭力學性能不穩定，粗大晶粒的分布規律直接影響接頭可承載的極限強度和韌性[5]。一般來說，熱影響區對接頭在疲勞載荷下的抵抗力影響較大，晶粒的分布特性與接頭抗沖擊能力和硬度有著一定的內在聯系。

1.2 組織特性

通過對試樣的截取、打磨、拋光和腐蝕，可得出不銹鋼焊縫接頭的母材區、熱影響區和焊縫區的金相組織情況，如圖1所示。從圖1可以看出，母材中的主要成分為鐵素體，間隔著少量的碳化物，正火處理后，晶粒組織較為細小，結構分布均勻；熱影響區的金相組織相對復雜，既有尚未發生奧氏體化的增大鐵素體，又有晶粒粗大的鐵素體，不同位置的鐵素體差異非常顯著，此外，熱影響區還存在分散結構的貝氏體、板條貝氏體；焊縫區的鐵素體主要為粒狀、塊狀，還有少量的針狀鐵素體分布在晶界外部，碳化物相對分布均勻。由此可見，焊縫區相對于熱影響區表現出了更好的塑形和韌性。

圖1 不同焊縫區域金相組織

1.3 硬度分析

為了研究焊縫的抗壓特性，對焊縫進行顯微硬度分析，采用HVC-1000A2/D2顯微硬度儀沿著軸向測量不同位置的顯微硬度，得出焊縫的硬度變化規律，如圖2所示。從圖2可以看出：當距離熔合線位置不同時，各點的維氏硬度具有顯著差別；由于焊縫填充材料的力學性能良好，焊縫區的材料強度和硬度最大，且穩定性良好；由于熱影響區組織復雜，金相成分較多，其在亞臨界熱影響區的強度和顯微硬度最低，且低于母材；在熱影響區的正火區范圍內，顯微硬度與母材差別較小；臨界熱影響區內存在細化的晶粒，因此硬度值處于焊縫區和母材區之間。綜上所述，通過對亞臨界熱影響區進行焊后熱處理，可確保焊縫強度不低于母材。

圖2 硬度變化規律

1.4 沖擊斷口形貌

在焊縫接頭的不同位置加工上缺口，并對試樣進行沖擊試驗，其斷口的形貌如圖3所示。通過對母材、亞臨界熱影響區、臨界熱影響區和焊縫區斷口形貌進行研究后可知，母材區的韌窩相比熱影響區更明顯，這是因為母材區的塑性相對更好，其內間隔的撕裂韌帶狀態更顯著；焊縫區與母材區的形貌顯著區別，具有多種形貌，包括解理面、韌性撕裂脊和韌窩等，這些形貌共存又相互隔離，使斷口表現出了良好的韌性和塑性。

圖3 不同焊縫區域沖擊斷口形貌

2 溫度對焊縫性能的影響

2.1 對抗沖擊性的影響

根據焊接原理可知，溫度對焊縫接頭的組織形貌有著關鍵的影響，決定了晶粒成長和變粗的熱量[6]。通過測試可以得出焊縫區的沖擊吸收熱能隨著熱輸入量的變化規律，如圖4所示。從圖4可以看出：隨著焊接熱流增大，沖擊韌性表現出先增大后減小的趨勢，因此在特定的溫度下可有效提升材料抗沖擊能力。對于粗大晶粒而言，為熱源輸入能量為20 kJ/cm時，所對應的沖擊能量只有17 J，材料表現出脆性，但總體的差異并不大；當熱源輸入能量為25 kJ/cm時，沖擊能量達到最大值（24 J）。焊接熱量是影響沖擊韌性的關鍵因素，需要滿足壓力容器相關標準。

圖4 沖擊吸收能量分布曲線

2.2 對硬度的影響

不同熱輸入情況下，焊縫區的平均顯微硬度變化規律如圖5所示。從圖5可以看出：隨著焊接熱輸入增大，材料硬度值呈減小趨勢，當焊縫的熱輸入超過50 kJ/cm時，顯微硬度在一定范圍內保持穩定。由此可見，為了確保焊縫性能良好，可控制焊接參數，使其熱源輸入能量維持在25 kJ/cm左右。

圖5 硬度分布規律

本次研究的不銹鋼材質含碳量相對較低，因此，在焊接熱輸入較小時，焊縫組織內的粗大晶粒形式主要表現為粒狀貝氏體、板條貝氏體以及鐵素體，為相對均衡的復合組織。當熱輸入較大時，組織內將形成含量較多的多邊形鐵素體、粗大的粒狀貝氏體等硬脆相，這些組織的變化均伴隨著奧氏體化過程；板條貝氏體隨著熱量增大逐漸轉化為粒狀，且鐵素體的比例也隨之增大，使得硬度顯著降低。從金相組織的形貌來看，焊縫區各個組織都產生了變形，但并沒有發生質的變化，保持更多的板條貝氏體是提升焊縫接頭力學性能的重要手段和方法。

3 結語

傳統的不銹鋼焊接方法以經驗為主，受到焊接工藝優化不當，檢測方式不足等因素影響，導致焊縫質量難以保證。通過對不銹鋼壓力容器焊縫接頭力學性能進行試驗研究，能夠得到沖擊韌性和硬度變化的機理，從而為焊縫結構和焊接參數的改善提供重要依據。為了確保不銹鋼焊縫接頭具有較好的沖擊韌性，應細化熱影響區的顯微組織，使得晶界排列更為密集。