16MnDR鋼低溫壓力容器焊接接頭缺陷原因分析

苗龍

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116319

1 序言

16MnDR鋼是在主要強(qiáng)化元素Mn、Si的基礎(chǔ)上，通過添加微量的Nb、Ni、V等合金元素，以及冶金質(zhì)量的改善、高純潔凈鋼的冶煉方法、微合金化以及控軋、控冷等措施，使得該鋼種具有足夠的強(qiáng)度和優(yōu)良的低溫韌性。目前，16MnDR鋼通常用于液化石油氣、液氨、液氧、液氮等相關(guān)生產(chǎn)儲存容器、輸送管道以及寒冷地區(qū)服役設(shè)備制造，最低使用溫度可達(dá)-40℃，在壓力容器、制冷、化工設(shè)備、車輛等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是，16MnDR鋼低溫壓力容器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且壁厚較厚，焊接過程中容易出現(xiàn)焊縫與熱影響區(qū)組織不均勻，且焊后存在較多應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋等缺陷[4-5]。本文針對16MnDR鋼低溫壓力容器在制造過程中出現(xiàn)焊接缺陷后進(jìn)行組織性能分析，通過分析找出缺陷產(chǎn)生的原因，為避免同類問題及設(shè)備的安全使用提供有效依據(jù)。

2 理化檢驗

（1）試驗材料 該壓力容器材料為某國產(chǎn)16MnDR鋼，厚度為40mm。接頭為60°V形坡口，鈍邊為8mm，對接間隙為0~1mm。接頭采用焊條電弧焊打底，埋弧焊填充蓋面，外口采用碳弧氣刨清根，砂輪打磨干凈后采用埋弧焊填充。焊絲牌號為H09MnDR，直徑為1.6mm，焊接電流為80~120A。母材和焊絲化學(xué)成分見表1、表2，焊接坡口、焊前預(yù)熱和焊后熱處理工藝分別如圖1、圖2所示。

對焊接接頭缺陷開展宏觀檢查，然后通過機(jī)械方式將缺陷接頭取下，分別開展金相檢測、硬度試驗和裂紋打開后的斷口微觀觀察等試驗，測試標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》和JY/T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。

（2）宏觀檢測 圖3為缺陷部位的內(nèi)壁觀察結(jié)果。罐體外壁有油漆保護(hù)，油漆完整，外壁及底座均未見腐蝕、變形等現(xiàn)象。所有接頭內(nèi)壁均未發(fā)現(xiàn)有腐蝕痕跡，焊縫亦未發(fā)現(xiàn)有咬邊、密集氣孔、夾渣及裂紋等缺陷。

表1 16MnDR鋼化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) （%）

表2 H09MnDR焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) （%）

圖1 焊接坡口

圖2 熱處理工藝

圖3 缺陷部位內(nèi)壁情況

（3）金相檢測 圖4為正常部位處的焊縫組織情況。母材組織基本上為鐵素體及呈帶狀和塊狀分布的珠光體，焊縫組織為貝氏體+鐵素體，大部分鐵素體沿柱狀晶界析出，晶內(nèi)有細(xì)小針狀鐵素體和粒狀貝氏體。

圖5~圖7為缺陷接頭處的金相檢測情況。接頭處存在兩處裂紋缺陷，裂紋位于打底焊道底部位置，此處處于焊接熱循環(huán)反復(fù)加熱的部位，裂紋大體沿熔合線平行擴(kuò)展，在未混合熔化區(qū)有非金屬夾雜物重熔后產(chǎn)生的球滴狀物質(zhì)和顯微孔穴，為典型的焊縫金屬液化裂紋[6]。

圖4 接頭正常處金相檢驗

圖5 裂紋

圖6 未熔合

圖7 氣孔

（4）硬度檢測 圖8為接頭的硬度試驗位置和試驗結(jié)果。結(jié)果表明：焊接接頭顯微硬度較為均勻，未見明顯異常情況。

圖8 缺陷接頭顯微硬度檢測結(jié)果

（5）微觀觀察和能譜分析 圖9和圖10為裂紋打開后的微觀觀察和能譜分析結(jié)果。打開后的斷口整體上可見不連續(xù)的裂紋形貌，斷口呈現(xiàn)樹枝晶形貌特征，斷口上有液相沿晶界面凝固的痕跡，為典型的焊縫金屬液化裂紋特征。能譜分析結(jié)果表明：裂紋內(nèi)部含有低熔點的S元素。

圖9 裂紋打開后的微觀觀察結(jié)果

圖10 裂紋處能譜分析結(jié)果

3 分析與討論

理化分析得知，母材和焊絲的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。母材組織為鐵素體及呈帶狀和塊狀分布的珠光體，焊縫組織為貝氏體+鐵素體，大部分鐵素體沿柱狀晶界析出，晶內(nèi)有細(xì)小針狀鐵素體和粒狀貝氏體。接頭硬度較為均勻，未見明顯異常情況。

接頭缺陷的種類較多，分別為氣孔、縮孔、未熔合和裂紋缺陷。上述缺陷在接頭焊縫橫截面的位置分布較為統(tǒng)一，均分布在打底焊道底部多層焊縫的層間位置以及打底焊道母材和焊縫金屬側(cè)壁位置，此處為外口碳弧氣刨清根位置。碳弧氣刨主要是利用碳棒或石墨與工件間產(chǎn)生的電弧將金屬熔化，并用壓縮空氣將其吹掉，實現(xiàn)在金屬表面上加工溝槽的方法。碳弧氣刨操作時常會出現(xiàn)操作不當(dāng)導(dǎo)致夾碳、粘渣、刨槽不正和深淺不勻等缺陷，進(jìn)而很容易在后續(xù)焊接過程中產(chǎn)生氣孔、縮孔以及未熔合等缺陷。同時，打底焊道底部多層焊縫的層間位置處于焊接熱循環(huán)反復(fù)加熱，容易使焊縫中的低熔點物質(zhì)S等在重復(fù)溫度較高的環(huán)境下發(fā)生晶界液化，形成裂紋。本次裂紋的形貌大體沿熔合線平行擴(kuò)展，在未混合熔化區(qū)有非金屬夾雜物重熔后產(chǎn)生的球滴狀物質(zhì)和顯微孔穴，裂紋打開后的斷口呈現(xiàn)樹枝晶形貌特征，斷口上有開裂后液相沿晶界面凝固的痕跡，為典型的焊縫金屬液化裂紋特征。

4 結(jié)束語

打底焊道部位存在較多的低熔點物質(zhì)S以及其他雜質(zhì)，上述物質(zhì)在焊接中過高熱輸入量的熱循環(huán)反復(fù)加熱的環(huán)境下發(fā)生晶界液化，形成裂紋、氣孔等缺陷。建議嚴(yán)格控制焊接工藝，尤其是打底焊道工序中碳弧氣刨及清理工作，應(yīng)保證焊道間不能殘留銹、油脂、水分等物質(zhì)。同時，進(jìn)行打底焊道焊接時，應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝控制焊接熱輸入量，防止過高的焊接熱輸入量導(dǎo)致打底焊道底部多層焊縫的層間位置出現(xiàn)低熔點物質(zhì)的熔化，進(jìn)而形成裂紋。