压力容器钢焊接接头组织与力学性能的研究
作者 :  渠清团

  【摘要】随着我国压力容器用钢中的16MnDR钢板被国际权威机构ASME纳入到它的材料标准中,16MnDR钢板具有更加广阔的发展前景。本文根据不同的焊丝匹配原则,选取等强焊丝ER49-1、高强焊丝ER69-1,采用混合气体保护焊的方法制备焊接接头,采用金相显微镜、扫描电镜、冲击试验机、显微硬度计对接头的组织与力学性能进行研究。结果表明:ER49-1焊丝焊缝区的显微组织为针状铁素体和先共析铁素体,ER69-1焊丝焊缝区的显微组织为板条贝氏体和马氏体组织,ER49-1断口形貌为韧窝状断口,ER69-1断口为解理断口为主+少量韧窝断口。
  【关键词】压力容器钢 焊接接头 显微组织 力学性能
  Abstract: As a pressure vessel steel, l6MnDR has been brought into ASME standards, it has a more broad prospects for development. Based on the different wires matching principle, ER49-1 and ER69-1 wires were selected. The welded joints were welded by mixed gas shielded arc welding. The microstructure and mechanical properties were studied using metallographic microscope, scanning electron microscopy (SEM) impact tester and microhardness tester. The results show that the microstructure of weld metal using ER49-1 welding wires were mainly composed of intragranular acicular ferrite and grain boundary ferrite. The microstructure of weld metal using ER69-1 welding wire was mainly composed of lath bainite and martensite. Impact fractures of weld metal using ER49-1 welding wires exhibited ductile dimple. The impact fractures of weld metal using ER69-1 welding wire exhibited cleavage fracture and ductile dimple.
  Key words: pressure vessel steel; welded joint; microstructure ; mechanical properties
  一、序言
  锅炉和压力容器用钢板是关系到国计民生的特殊材料,是冶金行业的短线产品。近年来,我国锅炉、压力容器用钢板不仅在产量上具备了一定规模,而且部分企业在质量上也逐步接近发达国家锅炉、压力容器用钢板的水平。16MnDR钢是经特别研制的高性能钢,可以加工成各种形状,并容易进行热加工,主要用于各类压力容器设备制造。16MnDR钢经焊接加工后,其焊接接头的显微组织与力学性能对焊接结构的安全运行具有重要的作用。本文选取两种焊丝,分别为等强匹配、高强匹配,研究焊接接头的显微组织与力学性能,比较不同匹配原则的焊丝对接头力学性能的影响。
  二、试验材料与方法
  试验选用某机械厂提供的16MnDR钢,其化学成分见表1,力学性能见表2。试件接头形式为平板对接接头,焊前加工成V形坡口。本实验采用MAG焊接,保护气体为80%Ar+20%CO2混合气体。焊丝为直径为1.2mm的ER49-1、ER69-1,其化学成分见表3,焊接工艺见表4。选取两种线能量分别为:工艺A—14 kJ/cm,工艺B—20 kJ/cm。
  表1 16MnDR钢化学成分 (wt%)
  Table 1 Chemical composition of 16MnDR (wt%)
  C Mn Si S P Cr Mo V Cu Ni
  0.17 1.31 0.36 0.027 0.012 0.027 0.006 0.0012 0.0084 0.0287 表2 16MnDR钢的力学性能
  Table 2 Mechanical properties of 16MnDR
  屈服点Rm /MPa 抗拉强度Rel /MPa伸长率A/% 冲击功Akv-40℃/J
  ≥372 ≥490 ≥20 ≥34
  表3焊丝化学成分(wt%)
  Table 3 Chemical composition of welding wires (wt%)
  焊丝 C Mn S S P 其余
  ER49-1 0.11 1.85 0.70 0.030 0.030 Cu 0.05
  ER69-1 0.10 1.79 0.58 0.007 0.013 Ni 0.89
  Cu 0.29
  Cr 0.45
  Ti 0.08
  B 0.005
  表4 焊接工艺参数
  Table 4 Welding procedure
  工艺 焊接电流A 焊接电压V 线能量 kJ/cm
  A 195~205 24~26 14   B 235~245 29~31 20
  采用光学显微镜(OLYMPUS-PMG3)对16MnDR钢焊接接头的金相组织进行分析,在摆锤式冲击试验机(JBN-300)上进行冲击试验,在HV-1000型显微硬度测试仪上对焊接接头的显微硬度进行测试,在QuantaTM 250环境扫描电子显微镜对冲击断口表面宏观、微观形貌进行观察。
  三、试验结果与分析
  (一)焊接接头焊缝区显微组织。
  图1为ER49-1、ER69-1焊丝焊接线能量分别为14 kJ/cm和20 kJ/cm焊缝区的显微组织,从图1中可以看出,ER49-1焊丝不同焊接线能量下焊缝区的金相组织主要为晶界铁素体和晶内针状铁素体,随着焊接线能量的增加,焊接线能量为20 kJ/cm时,有上贝氏体组织出现。ER69-1焊丝不同焊接线能量下焊缝区的金相组织为马氏体和贝氏体的混合组织,随着焊接线能量的增加,马氏体、贝氏体板条变的比较粗大。
  图1 焊缝区金相组织
  Figure 1 Microstructure of welded zone
  (二)焊缝区显微硬度。
  图2为ER49-1、ER69-1焊丝焊接线能量分别为14 kJ/cm和20kJ/cm焊接接头的显微硬度,从图2可以看出,ER69-1焊丝在不同的焊接线能量下,焊缝区的显微硬度明显高于ER49-1焊丝,ER69-1焊缝区的显微硬度在300HV以上,ER49-1焊丝在不同的焊接线能量下,焊缝区的显微硬度在200HV以上,这与两种焊丝焊缝区的显微组织相差较大有良好的对应关系。ER69-1焊丝焊缝区的显微组织为马氏体和贝氏体的混合组织,具有较高的显微硬度,其硬度值远高于ER49-1焊丝焊缝区针状铁素体和先共析铁素体的硬度。从熔合线(距焊缝7mm处)到母材(距焊缝12mm处)显微硬度下降显著。
  图2 焊接接头硬度分布
  Figure 2 Microhardness of welded joints
  (三)焊缝区冲击试验。
  图3为ER49-1、ER69-1焊丝不同焊接线能量焊缝区冲击韧性变化曲线,从图3中可以看出随着试验温度的降低,焊缝区的冲击韧性一致降低;ER49-1、ER69-1焊丝随着焊接线能量的增加,各个温度下焊缝区的冲击韧性也一致降低,这说明选择较低的焊接线能量,对提高焊缝低温韧性是有利的;ER49-1焊丝在-40℃、焊接线能量为20kJ/cm时,冲击韧性为85 J/cm2,焊缝区的冲击韧性满足GB3531-2008《低温压力容器用低合金钢钢板》对16MnDR的使用要求;温度在-20℃及以下时,ER49-1焊丝的低温冲击韧性低于小的焊接线能量时ER69-1焊丝,这是由于ER69-1中的马氏体对低温不敏感,在-20℃以上,ER49-1焊丝的焊缝中针状铁素体对裂纹扩展具有良好的阻碍作用,裂纹扩展时路径曲折,需要消耗较多的能量,因此具有较好的低温韧性。
  图3 焊缝区冲击韧性变化曲线
  Figure 3 Relationship between impact toughness and temperature at the location of weld zone
  (四)冲击断口SEM形貌分析。
  冲击断口一般分为三个区域纤维区、放射区、剪切唇三个区域,若材料韧性足够好,放射区可以完全消失,只存在纤维区和剪切唇。
  图4焊缝区冲击断口形貌
  Figure 4 SEM fractographs of weld zone impact fracture
  图4为ER49-1、ER69-1焊丝线能量为14kJ/cm时焊缝区冲击断口的宏观、微观形貌。从图4中可以看出ER49-1焊缝区宏观断口有明显的纤维区和剪切唇,断口不平坦,ER69-1焊丝焊缝区的宏观断口较平坦,观察不到剪切唇。从ER49-1焊缝区微观断口形貌可以看出,ER49-1焊丝断口上可以观察到大小各异的韧窝,表明ER49-1焊丝以韧性断裂为主,ER69-1焊丝断口上以解理断裂为主,可以观察到明显的解理台阶、二次裂纹、河流花样等解理特征,在断口上还可以观察到极少量的韧窝状断口。
  四、结论
  (1) ER49-1焊丝焊缝区的显微组织为针状铁素体和先共析铁素体,ER69-1焊丝焊缝区的显微组织为板条贝氏体和马氏体组织。随着线能量的增加,ER49-1焊丝焊缝区出现上贝氏体组织,ER69-焊丝随着焊接线能量的增加,马氏体、贝氏体板条变的粗大。
  (2) 两种焊丝随着焊接线能量的增加,各个温度下焊缝区的冲击韧性一致降低,说明选择较低的焊接线能量,对提高焊缝低温韧性是有利的。
  (3) 在-20℃及以下,小的焊接线能量时ER69-1焊丝的冲击韧性优于ER49-1焊丝;ER49-1焊丝在焊接线能量为20kJ/cm,-40℃时冲击韧性为85 J/cm2,显示了良好的冲击韧性。
  (4) ER49-1焊丝以韧性断裂为主,ER69-1焊丝断口上以解理断裂为主,可以观察到明显的解理台阶、二次裂纹、河流花样等解理特征,在断口上还可以观察到极少量的韧窝状断口。
  参考文献:
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