壓力容器用鋼焊接接頭組織與性能研究

黎麗，戴偉，吉光，孫書剛，李娜，李徐

1.南通理工學院機械工程學院 江蘇南通 226001

2.萬高（南通）電機制造有限公司 江蘇南通 226010

1 序言

在壓力容器制造過程中，焊接接頭是影響產品質量的關鍵因素，壓力容器的質量水平和使用壽命直接由其質量決定。Q345R是由GB 713—1997《鍋爐用鋼板》中的16Mng、19Mng和GB 6654—1996《壓力容器用鋼板》中的16MnR等合并而成，屈服強度為265～345MPa，具有強度高、韌性高、冷成形性和焊接性能好、冷脆轉變溫度低和耐蝕性強等綜合力學性能和工藝性能。Q345R壓力容器用鋼具有優良的性能，實際生產中除了對生產原料做出改變，還可以優化工藝過程，由單一的焊接工藝[1]轉變為兩個或兩個以上焊接工藝[2]的組合。雖然國內外對Q345R鋼板焊接進行了大量研究，但針對Q345R鋼板組合焊接技術的研究較少。因此，本文主要研究組合焊工藝下Q345R鋼焊接接頭的顯微組織和力學性能。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

Q345R鋼板廣泛應用于塔器、換熱器、加氫裝置等壓力容器，是目前我國應用最廣泛、消耗量最大的壓力容器專用鋼板。本試驗選用Q345R鋼為母材，其化學成分見表1。

表1 試驗母材Q345R鋼化學成分（質量分數）（%）

2.2 焊接材料的選擇

Q345R鋼的抗拉強度為460～640MPa，根據等強度要求，應采用抗拉強度在500MPa左右的焊條或焊絲。低溫焊接時，容易出現脆硬組織，形成表面裂紋。因此，低溫焊接、厚板材焊接時通常使用預熱的方法，防止形成脆硬組織、產生焊接裂紋[3]。焊絲選用TIG-50，焊條選用TL-507，其化學成分見表2。

表2 焊接材料的化學成分（質量分數）（%）

2.3 焊接工藝及參數的選擇

本文研究關于Q345R鋼采用多種焊接工藝組合焊接，以提高焊接效率并獲得質量可靠的焊接接頭為前提，制定相關焊接參數，具體見表3。

表3 Q345R鋼焊接參數

2.4 焊接過程

將母材Q345R鋼加工成400mm×125mm×48mm的板材，X形坡口，坡口角度為60°，組對間隙為2～3mm，接頭形式為對接接頭，如圖1所示。采用多層多道焊，GTAW先焊，焊接層數為20層，SMAW焊接層數為10層。焊前需要采取電加熱方式，將工件預熱到60℃，以防止焊接過程中形成脆硬組織、產生裂紋。焊接接頭宏觀形貌如圖2所示。

圖1 焊接接頭形式

圖2 焊接接頭宏觀形貌

3 結果與分析

3.1 Q345R鋼焊接接頭顯微組織分析

利用金相顯微鏡對焊接接頭顯微組織進行觀察。焊接接頭不同區域顯微組織如圖3所示。圖3表明，在Q345R鋼母材中因P元素的影響而促進了母材偏析。母材中的先共析鐵素體在富磷貧碳區，形成鐵素體帶，在鐵素體兩側富碳區形成珠光體帶，從而形成母材中所見的帶狀組織[4]。Q345R鋼焊接接頭的熱影響區是一個既與母材不同又與焊縫不同的組織區域。熱影響區的顯微組織是珠光體在熱循環階段中發生轉變的細小鐵素體及珠光體和未來得及相變的、晶粒較大的鐵素體構成。組織中還有沒發生相變的鐵素體，因此即使有部分重結晶過程，也能看出組織中明顯的帶狀特征。對焊縫金屬顯微組織的觀察，得出其組織由細小鐵素體和珠光體組成。

3.2 焊接接頭力學性能試驗

為了保證拉伸試驗結果的準確性，采用2個標準試樣（見圖4）做拉伸試驗，并取抗拉強度的平均值。焊接接頭的抗拉強度平均值為555MPa，并且均斷裂在焊縫處，見表4。根據拉伸試驗獲得的結果，判斷出這種焊接接頭的拉伸力學性能是合格的。

圖4 拉伸試樣形狀及尺寸

表4 焊接接頭拉伸試驗結果

對Q345R鋼焊接接頭的上表面與下表面的沖擊性能進行試驗，結果見表5。

表5 焊接接頭的沖擊試驗結果

焊接接頭各區域均以鐵素體組織為主，鐵素體強度較低，塑韌性較好。因此，焊接接頭各區域力學性能都比較接近。焊縫區組織晶粒細小，珠光體沿鐵素體晶界彌散分布，在厚板的多層多道焊過程中，后一道焊縫對前一道焊縫有重新加熱作用，相當于進行一次正火和重結晶退火處理，由此使得焊縫區晶粒及組織細化，且趨于均勻，強度和塑性都有一定程度提高。相比于SMAW，GTAW焊縫的晶粒更為細小、均勻，且晶內含有針狀鐵素體，可以改善沖擊性能。

3.3 焊接接頭維氏硬度檢測

硬度檢測所需的時間很短，并且也不必準備特殊試樣，能夠有效地保證試驗材料的完整性。由于選用焊接材料的化學成分和物理性能都有著很大的不同，因此需要對焊接接頭的GTAW面、SMAW面和焊接根部分別進行維氏硬度檢測，結果見表6。

表6 焊接接頭硬度檢測結果（HV10）

由表6 可知焊縫區域硬度值最高，平均值達到189H V10，熱影響區硬度次之，平均值約185HV10，母材硬度最低，平均值約為145HV10。焊接接頭由母材到熱影響區硬度值升高，造成這樣的硬度差異的原因主要在于焊接中復雜的熱循環，在進行整體焊接的過程中產生大量高溫，使得熱影響區中正火區出現細小的鐵素體，晶粒細小，因此在此區域里熱影響區的硬度比較高；因為靠近母材的那一側熱影響區存在部分相變區域，既存在細小晶粒又含有粗大的晶粒，所以比母材硬度要高；在焊縫區根部的硬度要小于其他兩個面的硬度，這是由于焊接時持續的熱輸入使得根部的晶粒發生長大粗化導致的。

4 結束語

本文采用GTAW＋SMAW焊接工藝，以TIG-50、TL-507作為焊接材料對Q345R鋼板進行焊接，得到Q345R鋼焊接接頭后，分析其微觀組織和力學性能。通過金相組織觀察，得到Q345R鋼母材組織是由鐵素體＋珠光體組成，呈帶狀組織分布；焊縫區顯微組織主要由細小鐵素體＋珠光體組成；熱影響區的顯微組織為鐵素體＋珠光體。獲得的焊接接頭具有良好的質量，拉伸、沖擊等力學性能合格。通過硬度檢測，發現Q345R鋼焊接接頭焊縫區平均硬度值最高，熱影響區平均硬度次之，母材的平均硬度最低。