ASTMA765钢焊接接头低温性能

胡冰

摘要：针对离心压气机壳用ASTM A765钢的低温工况，研究了改性材料的焊接工艺及焊后热处理工艺。研究了拉伸性试验、低温冲击试验和金相观察、焊接参数和焊后热处理工艺对焊接接头性能的影响。试验结论显示，采用HS09MnNiDR焊丝焊接的ASTM A765钢可满足-46℃低温工况的使用要求。

关键词：ASTM A765;低温冲击;焊接工艺

0  引言

近年来，为满足压缩机出口项目的要求，美标材料的应用越来越广泛。为此本课题以美标材料ASTM A765 Grade II材料为研究对象，通过合理选取焊接参数并通过严格的过程控制手段[1]，得到满足使用要求的焊接工艺，满足-46℃低温工况的使用要求。

1  試验材料与方法

试验母材为ASTM A765 Grade II，满足ASTM A765标准，其化学成分及力学性能件表1。焊接材料为HS09MnNiDR，AWS A5.28 ER80S-Ni3标准的规范是ф1.2毫米，其化学成分如表2中列出。使用熔融金属电弧焊、水平对接焊，80%Ar+20%CO2。

2  焊接及热处理工艺

本试验选用的焊接试板尺寸为500×400×40mm3，采用水平位置焊接，45°X型坡口。由于ASTM A765 Grade II属于低合金钢，其Ni元素含量较低，且要应用在-46℃低温工况中，属于低Ni低温钢，因此为保证焊接接头的低温冲击性能，选择了含Ni元素较多的焊丝，这样可以弥补焊接过程中Ni元素的烧损，它可以有效地增加镍的焊接接头的内容，这有利于低温影响焊接接头的性能。另外，为了保证焊接接头的性能和焊接效率，必须合理选择焊接参数。具体工艺参数见表3。对于熔化极气体保护焊，为保证焊接效率，焊接电流应足够大以保证产生喷射过渡，而对于低温钢焊接接头，过大的焊接电流、电压会导致合金元素烧损、组织粗大等现象，不利于焊缝冲击性能，因此，试验所选适合的线能量为22.7kJ/cm，在保证喷射过渡的同时，可以有效降低过大热输入对焊接接头带来的不良影响。此外，为了保证焊接接头的低温冲击性能，焊接过程中中间层之间的温度应严格控制在150℃以下。为了控制和消除焊接后残余应力的影响，在590-610℃下进行了4-5小时的应力消除热处理。

3  试验结果与分析

3.1 力学性能试验结果分析

对焊接样品进行拉伸、冲击、硬度试验。拉伸试验表明，焊缝的平均拉伸强度为505MPa，断裂部位在基体金属中，表明焊缝强度高。焊接接头的冲击试验结果在表4列出。焊接中心的平均冲击能量是131J以及热影响区是230J。可见，焊接接头的冲击功都非常高，这与试验选用较小的线能量有很大关系，较小的线能量可以细化焊缝组织。同时，为确保焊缝组织的细小均匀，焊接预热温度不宜过高。高预热温度会降低焊接冷却速度，使焊接结构容易粗糙。焊缝平均硬度为180HBW，热影响区的硬度平均值为161HBW，母材为151HBW。焊缝及热影响区的硬度比母材稍高一些但均满足NACE MR0175标准对低合金钢在酸性环境下的使用要求。

3.2 焊接接头组织分析

图1（a）（b）分别为ASTM A765钢焊缝和热影响区的金相组织。图1（a）焊缝的组织为铁素体，显微组织均匀、小，有大量针状铁素体，角度分布大，有利于焊缝的低温冲击性能，且采用直道焊接减小摆动对焊缝组织带来有利影响。由图1（b）可以看出，热影响区位置出现马氏体，马氏体组织的形态和受热影响有关，离焊缝近的部位由于熔合区内温度梯度高[2]，组织严重长大，故得到粗大的马氏体，而在熔合区以外的正火区的部位由于受到焊接热循环的影响，结果得到的马氏体结构非常细。在不同的冷却速度和线性能源、贝氏体和马氏体形成一个混合结构。虽然该区域组织粗细不同，但特征上都是属马氏体。这种共存组织会导致在正火区（细晶区）冲击功数值的提升，正火区的组织是热影响区性能较好的区域。

4  结论

ASTM A765钢焊接选择熔化极气体保护焊，HS09MnNiDR焊丝，线能量为22.7kJ/cm时，-46℃焊缝冲击功平均值是可以达到131J，而热影响区冲击功平均值则可以达到230J，满足-46℃低温工况使用要求。ASTM A765钢焊接接头抗拉强度达到505MPa，试样于母材断裂，满足压缩机机壳制造要求。

参考文献：

[1]尹士科.焊接材料及接头组织性能[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2]刘建平，李博，白雪峰，等.焊后热处理对高温合金异种材料焊接组织的影响[J].沈阳工业大学学报：2014，36（6）：651-656.