不同熱輸入條件下A517Gr.E鋼焊接工藝及接頭性能研究

高祥樓，杜高峰

南通振華重型裝備制造有限公司 江蘇南通 226000

1 序言

我公司ASME資質(zhì)認(rèn)證的主材質(zhì)為A517Gr.E鋼，以驗證申請資質(zhì)企業(yè)的低溫壓力用鋼制造能力。本文采用焊條電弧焊，遴選兩種焊條進(jìn)行對比試驗，選出一種性能優(yōu)良的焊接材料，再使用優(yōu)選的焊接材料對不同熱輸入下A517Gr.E鋼的焊接接頭開展性能研究，進(jìn)行焊接接頭抗拉強(qiáng)度、－45℃沖擊性能、彎曲性能和硬度等力學(xué)性能試驗，研究不同熱輸入對接頭力學(xué)性能的影響。

2 材料焊接性分析

A517Gr.E屬于低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼[1]，具有高屈服、高強(qiáng)度、低溫沖擊性能好等優(yōu)良性能，化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 A517Gr.E鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 A517Gr.E鋼力學(xué)性能

根據(jù)該鋼材的主要化學(xué)成分組成，通過IIW公式計算得出碳當(dāng)量與焊接冷裂紋敏感系數(shù)，分別為CE＝0.728%、Pcm＝0.336%。

由于該鋼材的CE＞0.55%，因此焊接性差，焊接難度大，焊前需進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱有助于焊縫擴(kuò)散氫的去除，同時進(jìn)一步延緩馬氏體的轉(zhuǎn)變和焊縫的冷卻速度，借助于自回火作用，使抗裂性能增強(qiáng)，可適當(dāng)減小焊接應(yīng)力梯度。

3 焊接材料

3.1 焊接材料選型

從國內(nèi)外范圍遴選兩種焊接材料進(jìn)行綜合對比，選擇其中綜合性能較佳的。選用的進(jìn)口焊接材料為φ3.2mm NSSW L-80SN焊條。采用的國產(chǎn)焊接材料為φ3.2mm GEL-858焊條。

3.2 熔敷金屬試驗

對NSSW L-80SN、GEL-858焊條進(jìn)行熔敷金屬試板焊接，按照AWS A5.5/A5.5M—2006《手工電弧焊用低合金鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)》對選用的焊條加以試驗分析。

母材為A517Gr.E鋼板，其厚度為20mm。選用母材和焊接材料等強(qiáng)匹配，具體焊接參數(shù)見表3。

表3 焊條電弧焊焊接參數(shù)

熔敷金屬試板在焊接結(jié)束后還需進(jìn)行后熱消氫處理，后熱溫度為260～300℃，后熱時間為2h。

（1）熔敷金屬拉伸試驗 對試板熔敷金屬拉伸試樣進(jìn)行加工和拉伸試驗，結(jié)果見表4。NSSW L-80SN、GEL-858焊接材料伸長率分別為22.0%、20%，前者對應(yīng)的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為800MPa、908MPa，后者對應(yīng)的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為742MPa、858MPa，二者的屈強(qiáng)比分別為0.881與0.865。

表4 熔敷金屬力學(xué)性能

根據(jù)AWS A5.5/A5.5M—2006規(guī)定，該級別的焊接材料屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別需要超過740MPa、830MPa，伸長率均應(yīng)＞14.0%。結(jié)合試驗結(jié)果，得出NSSW L-80SN、GEL-858所對應(yīng)的熔敷金屬強(qiáng)度在相關(guān)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，同時伸長率也超過了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，這意味著在強(qiáng)度得到保障的同時，塑性也較好。

（2）熔敷金屬的低溫沖擊性能 對兩種焊接材料進(jìn)行低溫沖擊試驗，具體結(jié)果見表5。

表5 低溫沖擊試驗結(jié)果

通過表5可知，去除最大值與最小值，NSSW L-80SN低溫沖擊吸收能量的平均值為113J，比AWS A5.5/A5.5M—2006標(biāo)準(zhǔn)值27J高，由此可知，NSSW L-80SN焊接材料有著較高的低溫沖擊性能。

去除最大值與最小值，GEL-858低溫沖擊吸收能量的平均值為79J，同樣也大于標(biāo)準(zhǔn)值27J，不過相較于NSSW L-80SN而言，GEL-858在沖擊性能方面表現(xiàn)稍差。

（3）熔敷金屬的化學(xué)成分 利用直讀光譜儀對兩組熔敷金屬化學(xué)成分進(jìn)行檢測，結(jié)果見表6。從表6可看出，兩種焊接材料P、S含量均很低，使焊縫有著較高的低溫韌性，該熔敷金屬的抗熱裂紋能力得到顯著提升。NSSW L-80SN、GEL-858兩種焊接材料的wC分別為0.04%、0.06%，NSSW L-80SN的C含量更低，冷裂紋敏感系數(shù)就會進(jìn)一步降低。

對表6進(jìn)行分析可知，NSSW L-80SN、GEL-858焊條的wCr分別為0.05%、0.04%；wMn分別為1.46%、1.27%，wNi含量分別為4.63%、2.37%，wMo分別為0.50%、0.45%。NSSW L-80SN中這幾個元素的占比均高于GEL-858，而Mn可以對其相變進(jìn)行推遲，Mo則能對晶粒進(jìn)行細(xì)化[2]。結(jié)合試驗結(jié)果可知，在強(qiáng)度與低溫韌性方面，NSSW L-80SN表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

表6 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（4）熔敷金屬擴(kuò)散氫試驗 采用氣相色譜法對NSSW L-80SN、GEL-858熔敷金屬展開擴(kuò)散氫試驗，結(jié)果顯示NSSW L-80SN焊接材料擴(kuò)散氫含量更少，試驗結(jié)果見表7。

表7 熔敷金屬擴(kuò)散氫試驗結(jié)果

（5）熔敷金屬試驗分析結(jié)論 通過熔敷金屬試驗可得出以下結(jié)論。

1）通過拉伸試驗可以得出，所選的兩種焊接材料，在拉伸性能方面都能滿足要求，NSSW L-80SN焊接材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與母材已經(jīng)非常相近，從等強(qiáng)匹配角度來看，NSSW L-80SN性能更加符合要求。

2）通過沖擊性能試驗可知，這兩種焊接材料也能滿足最低標(biāo)準(zhǔn)要求，但NSSW L-80SN焊接材料的整體性能也要優(yōu)于GEL-858焊接材料。

3）通過擴(kuò)散氫試驗可以得知，NSSW L-80SN擴(kuò)散氫含量較低。

4）綜合以上分析可知，NSSW L-80SN的綜合性能整體優(yōu)良。

4 焊接工藝試驗

選用NSSW L-80SN焊接材料，根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，對不同熱輸入條件進(jìn)行焊接工藝試驗。試板尺寸：800mm×150mm×10mm，坡口深度、角度分別為8mm、60°，鈍邊尺寸為2mm，根部間隙為0～1mm（見圖1）。

圖1 坡口尺寸

不同的熱輸入[1]對應(yīng)的焊接參數(shù)見表8。由于A517Gr.E鋼強(qiáng)度高，焊接過程中易產(chǎn)生裂紋，因此需使用陶瓷電加熱片均勻預(yù)熱。按照過往焊接經(jīng)驗，試板最低預(yù)熱溫度為150℃、道間溫度為150～200℃。焊接完成后進(jìn)行熱處理，溫度在550℃左右，時間為120min。

表8 A517Gr.E鋼焊接參數(shù)

先焊接試板正面，背面清根，打磨后再焊接背面。為避免產(chǎn)生變形，試板背面加卡馬，在用碳弧氣刨進(jìn)行清根時需要注意，試板溫度為150～200℃。在打磨時要將氧化層清理干凈，直到露出金屬光澤。

5 試板無損檢測和試驗取樣類型

在試板熱處理后72h進(jìn)行磁粉與超聲波檢測。經(jīng)檢測，均符合要求。如圖2～圖6所示，按標(biāo)準(zhǔn)對試板進(jìn)行取樣，試樣類型為宏觀腐蝕、硬度、橫向拉伸、側(cè)面彎曲和沖擊試樣（小尺寸試樣55mm×10mm×5mm）。

圖2 試樣取樣位置示意

圖3 接頭低溫沖擊試樣

圖4 接頭拉伸試樣

圖5 接頭彎曲試樣

圖6 接頭宏觀金相和硬度試樣

6 試驗結(jié)果及分析

6.1 拉伸試驗結(jié)果及分析

A517Gr.E鋼拉伸試驗結(jié)果見表9。由表9可知，當(dāng)熱輸入分別為8kJ/cm、13kJ/cm、18kJ/cm、23kJ/cm時，4組焊接接頭對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度分別為845MPa、844MPa、840MPa、812MPa，發(fā)生斷裂的位置都在母材，表明焊縫比母材的強(qiáng)度高，與A517Gr.E鋼力學(xué)性能是一致的，等強(qiáng)匹配。焊接熱循環(huán)對母材起到一定程度的軟化作用，母材的軟化可以降低熱影響區(qū)的強(qiáng)度。

A517Gr.E鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度≥795MPa，從表9可看出，接頭抗拉強(qiáng)度各數(shù)值和均值都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。在熱輸入增加時，接頭強(qiáng)度值沒有發(fā)生太大改變，但是從整體來看，接頭抗拉強(qiáng)度值呈現(xiàn)出下降之勢。

表9 A517Gr.E鋼拉伸試驗結(jié)果

熱輸入增加，熔深、熔寬增加，熔化母材也相應(yīng)增加，母材熔化面積變大，稀釋率也在一定程度上提高。同時熱輸入的改變會在一定程度上決定焊縫冷卻速度。熱輸入增加時，焊縫的冷卻速度變慢，淬硬組織程度減少，對焊縫金屬強(qiáng)化起到消極影響。相對高焊接熱輸入增加了焊后組織的粗度，柱狀晶區(qū)所占的寬度增加，柱狀晶整體形狀也變大，從而降低了接頭強(qiáng)度。

熱輸入提高，Mn、Cr等合金元素[3]的固溶強(qiáng)化影響變小，降低了焊接接頭抗拉強(qiáng)度。熔敷金屬的Ni含量比母材高許多，Ni是奧氏體最基本的構(gòu)成元素之一，它通過限制過冷奧氏體的高溫變化來提升過冷奧氏體的穩(wěn)定性，并在一定程度上抑制了先共析鐵素體的產(chǎn)生，因而當(dāng)熱輸入持續(xù)增加時，接頭的抗拉強(qiáng)度基本不會改變，但綜合來分析，接頭的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出降低的趨勢。

6.2 沖擊試驗結(jié)果及分析

A517Gr.E鋼沖擊試驗結(jié)果見表10。熱輸入對接頭沖擊吸收能量的影響如圖7所示。根據(jù)表10可知，A517Gr.E鋼焊接接頭焊縫區(qū)域的－45℃沖擊性能較差，焊縫中心的沖擊吸收能量是整體區(qū)域中最小的部分。根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，熱輸入為23kJ/cm時，沖擊吸收能量驗收值為30J，因此不合格。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于焊縫金屬一直處于熱循環(huán)狀態(tài)中，當(dāng)熔池形成晶核后，會以其為中心，向焊縫進(jìn)行擴(kuò)張。在熔合線周圍，熔池金屬結(jié)晶從母材聯(lián)生出柱狀晶體，它具有較高的位向性，在外界沖擊的情況下，將出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，開裂方向主要是沿著晶界，因此低溫沖擊性能非常差。

圖7 熱輸入對接頭沖擊吸收能量的影響

表10 A517Gr.E鋼沖擊試驗結(jié)果

在熔合線+1mm（熔合區(qū)）處，當(dāng)熱輸入分別為8kJ/cm、13kJ/cm、18kJ/cm、23kJ/cm時，熔合線區(qū)域?qū)?yīng)的－45℃沖擊吸收能量數(shù)值分別為75.5J、91.2J、73J、57.8J，結(jié)果符合ASME標(biāo)準(zhǔn)要求的30J，熔合區(qū)擁有優(yōu)良的性能。

熔合線+5mm區(qū)域的沖擊吸收能量高于其他區(qū)域，沖擊性能較好。在熱輸入數(shù)值分別為8kJ/cm、13kJ/cm、18kJ/cm、23kJ/cm的情況下，熔合線+5mm區(qū)域?qū)?yīng)的－45℃沖擊吸收能量數(shù)值分別為86J、97.3J、86.2J、72.9J，熱影響區(qū)的性能良好。

隨著熱輸入的增大，熔池內(nèi)的溫度持續(xù)增加，冷卻速率降低，合金元素?zé)龘p有所增多，熱影響區(qū)的過熱區(qū)變寬，晶粒在原來基礎(chǔ)上也都變得更加粗大，最終造成韌性降低。

由表10可看出，在熱處理狀態(tài)下，熱輸入為13kJ/cm時，焊縫中心、熔合線+1mm、熔合線+5mm區(qū)域的沖擊性能最佳，熱處理后組織變得細(xì)小均勻，柱狀晶尺寸明顯變小，晶界面積增加，提高了接頭的沖擊性能。

熱輸入會對組織產(chǎn)生影響，熱輸入增加，組織結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生改變，對金相圖[2]進(jìn)行分析，焊縫中心的組織為灰黑色珠光體與白色鐵素體，隨著熱輸入持續(xù)增長，相應(yīng)的熔池冷卻速度就會有所減緩，組織就會發(fā)育，粒狀貝氏體規(guī)模增長，同時針狀鐵素體規(guī)模會降低。相反，多邊形鐵素體晶粒則明顯增長，當(dāng)熱輸入增長至13kJ/cm時，焊縫沖擊吸收能量有所提高，這與針狀鐵素體減少有一定關(guān)系，多邊形鐵素體長大顯著。針狀鐵素體在晶粒之間呈現(xiàn)出相互交錯式、大角度分布，能夠明顯增加焊縫的韌性與強(qiáng)度。在23kJ/cm的熱輸入下，沖擊吸收能量最小，這與焊縫組織開始增長關(guān)系密切，因為冷卻速度顯著下降，使得針狀鐵素體[4]數(shù)量進(jìn)一步降低，進(jìn)而使得焊縫的韌性變差。

對熔合線、熔合線外區(qū)域低溫沖擊性能而言，主要的影響因素包括熱循環(huán)、組織及其構(gòu)成。母材中的2%Ni元素可以發(fā)揮較佳的穩(wěn)定效應(yīng)，另外Cr、Ni等元素則能產(chǎn)生淬硬組織元素。試驗顯示，熱輸入下降，接頭在高溫環(huán)境下的停留時間就越短，此時組織規(guī)模也就越小，相應(yīng)的低溫沖擊性能表現(xiàn)的就越佳。在熱輸入持續(xù)增長下，原來奧氏體晶粒開始明顯增長，由此構(gòu)成粗晶體，這種奧氏體在冷卻過程中會被分解，進(jìn)而構(gòu)成粗大組織[5]，這樣就會產(chǎn)生較差的低溫沖擊性能。

6.3 彎曲試驗結(jié)果及分析

A517Gr.E鋼側(cè)面彎曲試驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，試樣的被彎曲面與彎曲面的焊縫、熔合線都沒有氣孔、裂紋、夾渣等不連續(xù)缺陷，角部也沒有觀察到不連續(xù)缺陷。

圖8 A517Gr.E鋼側(cè)面彎曲試驗結(jié)果

A517Gr.E鋼焊接接頭塑性與彎曲性能都能滿足ASME 規(guī)范要求。側(cè)面彎曲試驗結(jié)果顯示：第一，焊接材料焊接性好，不容易出現(xiàn)氣孔；第二，熔合效果佳，有著均勻性的焊道；第三，焊接接頭的熱影響區(qū)、母材的彎曲性能整體較佳，有著良好的塑性，熱輸入變化對塑性、彎曲性能的影響整體不顯著。

6.4 接頭宏觀形貌

宏觀腐蝕試樣通過5.0%濃度的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕試驗，焊道清晰呈現(xiàn)，沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，如圖9所示。

圖9 A517Gr.E鋼宏觀腐蝕試驗

6.5 硬度試驗結(jié)果及分析

強(qiáng)度和硬度有很大的關(guān)聯(lián)性。若接頭的硬度很高，則強(qiáng)度也會很高。

在熱輸入分別為8kJ/cm、13kJ/cm、18kJ/cm、23kJ/cm的情況下，焊縫中心、熱影響區(qū)、母材的硬度值如圖10所示。每組焊接接頭的硬度最大值在熱影響區(qū)位置。在8kJ/cm的熱輸入下，此時熱影響區(qū)硬度最高，達(dá)到361HV10；而在23kJ/cm的熱輸入下，其焊縫的硬度值僅為238HV10，硬度最低。母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)域的硬度都隨熱輸入增加而有所下降。

圖10 A517Gr.E鋼硬度試驗結(jié)果

在不同的熱輸入條件下，焊縫底部的硬度最高，上部的硬度比下部低。結(jié)合整體分析得出，相較于18kJ/cm、23kJ/cm的條件下，下部則在8kJ/cm、13kJ/cm時，硬度最高。與母材和熱影響區(qū)比較，中心位置的硬度是很低的。

A517Gr.E鋼厚度10mm，呈三維散熱狀態(tài)，接頭的溫度降低快速，母材含Cr、Mo、Nb等易淬硬合金元素。焊接第一道后，溫度會迅速上升，在這種狀況下，熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織的概率就會增大[6]。在進(jìn)行后續(xù)焊接時，試板道間溫度就會上升。當(dāng)?shù)篱g溫度升高到一定程度后，焊接接頭、尤其是熱影響區(qū)就會產(chǎn)生底部硬度數(shù)值較大、上部硬度數(shù)值較小的狀況。同時當(dāng)熱輸入提高時，接頭的溫度降低速度就會變慢。而當(dāng)熱輸入降低時，溫度降低速度就會變快。熱輸入與接頭溫度降低速度之間有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，因而熱輸入為18kJ/cm、23kJ/cm時比熱輸入為8kJ/cm、13kJ/cm時，會出現(xiàn)接頭硬度數(shù)值較低的情況。

焊縫中心位置的硬度值較小。因為其內(nèi)含的Cr、Mo、Nb等元素很少，出現(xiàn)淬硬組織變少。隨著熱輸入升高，母材和焊縫中心位置的硬度差會減小。因為當(dāng)熱輸入一直上升時，接頭溫度無法快速下降，所以熱影響區(qū)的硬度最大值就會變小，接頭的硬度就有了均勻性。

7 結(jié)束語

1）4組A517Gr.E鋼的拉伸試樣斷裂位置都在母材，焊縫的抗拉強(qiáng)度比母材的抗拉強(qiáng)度高，焊縫的拉伸性能好。焊縫的強(qiáng)度受焊接材料的化學(xué)成分、熔合比影響，受熱輸入的影響不大，但呈逐漸下降的趨勢。

2）焊縫中心位置的沖擊吸收能量與熱輸入有關(guān)。熱輸入增大，沖擊吸收能量就會產(chǎn)生變化。在熱輸入增大的初期，沖擊吸收能量會增大，而到了中后期，沖擊吸收能量就會開始下降。

3）熔合線+1mm處和熔合線+5mm處的沖擊吸收能量都會隨熱輸入的變化而變化。熱輸入增大時，沖擊吸收能量就會出現(xiàn)先上升再下降的情況，熔池位置的冷卻速度就會下降，出現(xiàn)組織晶粒粗大、粗化的情況。

4）熱影響區(qū)底部硬度較高、上部的硬度較低。出現(xiàn)這種情況，是因為在做完焊接工作的第一道工序之后，溫度會在很短的時間內(nèi)快速下降，增加了熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織的概率。但是，當(dāng)熱輸入提高時，接頭溫度的降低速度就會比較慢，而熱輸入降低時，接頭溫度的降低速度就會比較快。

5）與焊縫中心相比，母材的硬度更低，因為熱輸入一直升高，接頭的溫度不能在很短的時間內(nèi)快速下降，所以熱影響區(qū)的硬度最大值是相對小的，在硬度分布上，接頭硬度分布是比較均勻的。