0.   引言

液化天然氣（LNG）儲罐是天然氣儲備的重要裝備,其工作溫度為−163 ℃,對罐體材料的低溫性能要求極高[1]。目前,罐體材料主要采用06Ni9DR鋼[2-3],但該鋼成本較高。低溫高錳鋼是通過以錳代鎳而開發的新鋼種,錳質量分數達23%以上,能在−163 ℃下穩定工作,其加工性能優于鎳合金鋼,焊接性能優于不銹鋼[4-5],價格更低（僅為鎳合金鋼和不銹鋼的70%~80%）,經濟性突出,具有良好的應用前景[6-7],在建造LNG儲罐上優勢巨大[8-9]。 

針對低溫高錳鋼焊接,國外早已開發出適用于埋弧焊、氬弧焊及氣體保護焊等技術的各種焊材[10],國內隨后也成功開發出LNG高錳鋼儲罐用焊材[11],所得焊接接頭性能與國外同類焊材焊接接頭相當,提高了我國相關焊材的自主保障能力。國內各研究機構采用國內外不同焊材及不同焊接工藝,對低溫高錳鋼焊接接頭的性能開展了研究。楊江[12]通過熱模擬試驗研究了低溫高錳鋼接頭熱影響區的脆化機理及調控機制,發現導致脆化的關鍵因素是晶界碳化物的析出。樊曉雨[13]使用鎳基焊材進行高錳鋼的埋弧焊和手工電弧焊,發現V形坡口有利于高錳鋼接頭的力學性能。郭廣飛等[11]利用國產焊材分別對高錳鋼進行埋弧焊、手工電弧焊及熔化極氣體保護焊,發現埋弧焊接頭的拉伸性能最好,沖擊吸收能量優于熔化極氣體保護焊接頭,與手工電弧焊接頭相近。 

鑒于埋弧焊在LNG儲罐的建造上具有效率高及自動焊參數易調可控等優勢,作者對國產新型低溫高錳鋼進行埋弧焊,研究了熱輸入對焊接接頭組織及性能的影響,擬為LNG儲罐的實際生產提供技術支持,推動新型國產低溫高錳鋼及相應國產焊材在LNG儲罐國產化中的應用。 

1.   試樣制備與試驗方法

母材為舞陽鋼鐵有限公司研制的Q400GMDR低溫高錳鋼,尺寸為400 mm×300 mm×20 mm,顯微組織（見圖1）為奧氏體,奧氏體晶粒內部可見黑白相間的帶狀組織,晶粒大小不均,尺寸分布在20~60 μm；焊材為四川大西洋焊接材料股份有限公司研發的CHW-SMn埋弧焊絲,直徑為3.2 mm,配套CHF610焊劑。母材及焊材的化學成分如表1所示。 

圖  1  母材的顯微組織

Figure  1.  Microstructure of base material

焊接前對母材待焊區域進行打磨,直至露出金屬光澤,用丙酮清洗油污,備用。采用MZ-1000R型埋弧焊焊機進行多層多道焊接,坡口形式及焊接順序見圖2,熱輸入分別為12.0,16.0,20.0 kJ·cm−1,對應的焊接電流、焊接電壓和焊接速度組合見表2,層間溫度為80 ℃。 

圖  2  焊接坡口形式及焊接順序

Figure  2.  Welding groove form and welding sequence

觀察焊縫,確認外觀質量合格后進行無損檢測,在探傷合格的接頭上按照NB/T 47016—2023《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗》要求進行取樣,試樣經打磨拋光,用體積分數4%硝酸乙醇溶液腐蝕后,采用MV6000型光學顯微鏡觀察顯微組織,并對晶粒尺寸進行統計。采用ZEISS SUPRA 40型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微觀形貌,并用附帶的能譜儀（EDS）進行微區成分分析。 

以焊縫為中心制取如圖3所示的拉伸試樣,按照GB/T 2651—2023《焊接及相關工藝 試驗方法 拉伸試驗》,在DDL500型電子萬能拉伸試驗機上進行拉伸試驗,拉伸速度為2 mm·min−1；采用SEM觀察拉伸斷口形貌。以焊縫為中心截取尺寸為210 mm×40 mm×20 mm的彎曲試樣,按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》,采用SHT4505型彎曲試驗機進行彎曲試驗,支輥距離為123 mm,壓頭直徑為80 mm,下壓速度為20 mm·min−1。按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》,采用JBD-300A型低溫沖擊試驗機在−196 ℃下進行夏比擺錘沖擊試驗,采用尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的夏比V型缺口沖擊試樣,夏比V型缺口軸線垂直于母材表面,缺口開在焊縫中心位置；采用SEM觀察沖擊斷口形貌。上述試驗均測3個平行試樣取平均值。按照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》,采用DVK-1S型維氏硬度計測試表面顯微硬度,載荷為1.96 N,保載時間為10 s,從焊縫中心向母材方向每隔0.5 mm取點測試,相同距離處測3個點取平均值。 

圖  3  拉伸試樣的形狀與尺寸

Figure  3.  Shape and size of tensile specimen

2.   試驗結果與討論

2.1   顯微組織

由圖4可知,不同熱輸入下焊接接頭的焊縫組織均為柱狀晶+析出相。當熱輸入為12.0 kJ·cm−1時,析出相細小,主要呈球狀彌散分布在奧氏體晶界處；當熱輸入為16.0 kJ·cm−1時,近熔合線附近焊縫區的析出相顆粒較大；當熱輸入為20.0 kJ·cm−1時,焊縫及熱影響區均出現白色析出相。 

圖  4  不同熱輸入下焊接接頭的顯微組織

Figure  4.  Microstructure of welded joints under different heat inputs

由圖5可知：經過多重焊接熱循環,熱影響區粗晶區晶粒與母材相比明顯長大,并且隨著熱輸入增大而增大,熱影響區組織仍為奧氏體組織；不同熱輸入下的熱影響區粗晶區可見少量黑色夾雜物；隨著熱輸入增大,熱影響區粗晶區變寬,從約300 μm增大到600 μm以上。 

圖  5  不同熱輸入下焊接接頭熱影響區的顯微組織

Figure  5.  Microstructure of heat affected zone of welded joints under different heat inputs

由圖6可知：當熱輸入為12.0 kJ·cm−1時,熱影響區粗晶區的晶粒尺寸較小,晶界之間存在細小白色顆粒狀析出相；當熱輸入為16.0 kJ·cm−1時,熱影響區粗晶區晶粒明顯長大,晶界析出相呈棒狀,晶粒及晶界上存在夾雜物脫落留下的凹坑；當熱輸入為20.0 kJ·cm−1時,晶界析出相增多。 

圖  6  不同熱輸入下焊接接頭熱影響區粗晶區的SEM形貌

Figure  6.  SEM morphology of coarse grain heat-affected zone of welded joints under different heat inputs

2.2   拉伸性能

不同熱輸入下的焊接接頭均在焊縫處拉伸斷裂。由表3可知,隨著熱輸入增大,焊接接頭的屈服強度、抗拉強度及斷面收縮率降低,即強度和韌性均下降。由圖7可知：不同熱輸入下焊接接頭的拉伸斷口均存在尺寸不一的韌窩,斷裂方式均為韌性斷裂；隨著熱輸入的增大,韌窩變小,深度變淺,焊接接頭的韌性降低。 

圖  7  不同熱輸入下焊接接頭的拉伸斷口形貌

Figure  7.  Tensile fracture morphology of welded joints under different heat inputs

2.3   彎曲性能

由圖8可知,熱輸入為12.0,16.0 kJ·cm−1的焊接接頭試樣在彎曲后,其焊縫表面未產生裂紋,當熱輸入為20.0 kJ·cm−1時,彎曲后焊縫表面出現長度約5 mm的裂紋,這一長度超過了NB/T 47016—2023《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗》的允許值（3 mm）。可見較大的熱輸入對該接頭的彎曲性能造成了不利影響。 

圖  8  彎曲試驗后不同熱輸入焊接接頭的宏觀形貌

Figure  8.  Micromorphology of welded joints under different heat inputs after bending tests

2.4   沖擊韌性

當熱輸入為12.0,16.0,20.0 kJ·cm−1時,焊接接頭在−196 ℃下的平均沖擊吸收功分別為100.0,82.0,84.7 J,均低于母材的174 J。由圖9可知,不同熱輸入下焊接接頭沖擊斷口中的韌窩清晰可見,斷裂方式均為韌性斷裂。當熱輸入為12.0 kJ·cm−1時,韌窩大且深,尺寸不一,邊緣清晰；當熱輸入為16.0,20.0 kJ·cm−1時,韌窩小且淺,少量韌窩底部存在微小的孔洞,斷口出現河流狀花紋[14-16]。沖擊斷口的微觀形貌與其沖擊吸收功結果吻合。 

圖  9  −196 ℃沖擊后不同熱輸入焊接接頭的沖擊斷口形貌

Figure  9.  Impact fracture morphology of welded joints under different heat inputs after impact at −196 ℃

2.5   顯微硬度

由圖10可知,焊接接頭顯微硬度最高值出現在熱影響區細晶區,最低值出現在焊縫中心附近。焊縫顯微硬度隨著熱輸入增大呈先降后升趨勢。當熱輸入為12.0 kJ·cm−1時,接頭熱影響區細晶區的硬度分布在290~300 HV,當熱輸入增大到16.0,20.0 kJ·cm−1時,熱影響區細晶區的硬度分布在280~290 HV。 

圖  10  不同熱輸入下焊接接頭的顯微硬度分布

Figure  10.  Microhardness distribution of welded joints under different heat inputs

綜上所述,當熱輸入為12 kJ·cm−1時,焊接接頭的強度、韌性、硬度及抗沖擊能力較優,力學性能較好。 

3.   結論

（1）不同熱輸入下低溫高錳鋼焊接接頭的焊縫組織均為柱狀晶+析出相,熱影響區組織為奧氏體+少量夾雜物＋析出相。隨著熱輸入的增大,熱影響區粗晶區組織粗化,粗晶區寬度增加。 

（2）隨著熱輸入的增大,低溫高錳鋼焊接接頭的強度和韌性下降,焊縫顯微硬度先降后升。熱輸入為12.0,16.0 kJ·cm−1的焊接接頭彎曲后,其焊縫表面未發現裂紋,熱輸入為20.0 kJ·cm−1時出現5 mm長的裂紋。 

（3）不同熱輸入下的焊接接頭均在焊縫區發生拉伸斷裂,拉伸斷口和沖擊斷口均為韌窩形貌,斷裂方式為韌性斷裂。當熱輸入為12 kJ·cm−1時,焊接接頭力學性能較好。

文章來源——材料與測試網