压力容器不锈钢焊缝的力学性能研究

张义磊 马燕铭 陆 斌

（泰安市特种设备检验研究院）

0 引言

焊接是压力容器制造过程中重要的加工工艺，焊缝的质量和性能对于化工设备的可靠性和安全性有着重要影响[1]。由于焊接主要以热源输出为主，接头存在典型的热影响区域，使得该位置晶粒粗大，材质出现脆性趋势，容易产生冲击薄弱区[2]。不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，但由于合金元素的特殊性，其焊接性能与普通低碳钢相比较差，焊后发生微裂纹的倾向较严重[3]。因此，需要对焊缝的力学性能进行研究和分析。

冲击韧性和强度是体现压力容器力学性能的重要参数，也是衡量焊缝抵抗外部载荷能力的指标。通过对焊缝薄弱区进行力学性能测试，可得出热影响区相关参数的变化规律[4]，有利于后期对结构进行优化或者加强。文中对压力容器对接焊缝试样进行冲击性能试验，这对整个焊接工艺的可靠性评估有着重要的作用。

1 冲击性能研究

1.1 性能分析

为了研究不锈钢材质压力容器的焊接性能，对焊缝试样进行冲击试验，得到了不同位置的焊缝缺口。对试验结果进行分析后可知，当冲断口在焊缝熔合线位置时，断口的尖端始终不超出焊缝中心7 mm区域。热影响区是由多种复杂组织共同组成的，使得接头力学性能不稳定，粗大晶粒的分布规律直接影响接头可承载的极限强度和韧性[5]。一般来说，热影响区对接头在疲劳载荷下的抵抗力影响较大，晶粒的分布特性与接头抗冲击能力和硬度有着一定的内在联系。

1.2 组织特性

通过对试样的截取、打磨、抛光和腐蚀，可得出不锈钢焊缝接头的母材区、热影响区和焊缝区的金相组织情况，如图1所示。从图1可以看出，母材中的主要成分为铁素体，间隔着少量的碳化物，正火处理后，晶粒组织较为细小，结构分布均匀；热影响区的金相组织相对复杂，既有尚未发生奥氏体化的增大铁素体，又有晶粒粗大的铁素体，不同位置的铁素体差异非常显著，此外，热影响区还存在分散结构的贝氏体、板条贝氏体；焊缝区的铁素体主要为粒状、块状，还有少量的针状铁素体分布在晶界外部，碳化物相对分布均匀。由此可见，焊缝区相对于热影响区表现出了更好的塑形和韧性。

图1 不同焊缝区域金相组织

1.3 硬度分析

为了研究焊缝的抗压特性，对焊缝进行显微硬度分析，采用HVC-1000A2/D2显微硬度仪沿着轴向测量不同位置的显微硬度，得出焊缝的硬度变化规律，如图2所示。从图2可以看出：当距离熔合线位置不同时，各点的维氏硬度具有显著差别；由于焊缝填充材料的力学性能良好，焊缝区的材料强度和硬度最大，且稳定性良好；由于热影响区组织复杂，金相成分较多，其在亚临界热影响区的强度和显微硬度最低，且低于母材；在热影响区的正火区范围内，显微硬度与母材差别较小；临界热影响区内存在细化的晶粒，因此硬度值处于焊缝区和母材区之间。综上所述，通过对亚临界热影响区进行焊后热处理，可确保焊缝强度不低于母材。

图2 硬度变化规律

1.4 冲击断口形貌

在焊缝接头的不同位置加工上缺口，并对试样进行冲击试验，其断口的形貌如图3所示。通过对母材、亚临界热影响区、临界热影响区和焊缝区断口形貌进行研究后可知，母材区的韧窝相比热影响区更明显，这是因为母材区的塑性相对更好，其内间隔的撕裂韧带状态更显著；焊缝区与母材区的形貌显著区别，具有多种形貌，包括解理面、韧性撕裂脊和韧窝等，这些形貌共存又相互隔离，使断口表现出了良好的韧性和塑性。

图3 不同焊缝区域冲击断口形貌

2 温度对焊缝性能的影响

2.1 对抗冲击性的影响

根据焊接原理可知，温度对焊缝接头的组织形貌有着关键的影响，决定了晶粒成长和变粗的热量[6]。通过测试可以得出焊缝区的冲击吸收热能随着热输入量的变化规律，如图4所示。从图4可以看出：随着焊接热流增大，冲击韧性表现出先增大后减小的趋势，因此在特定的温度下可有效提升材料抗冲击能力。对于粗大晶粒而言，为热源输入能量为20 kJ/cm时，所对应的冲击能量只有17 J，材料表现出脆性，但总体的差异并不大；当热源输入能量为25 kJ/cm时，冲击能量达到最大值（24 J）。焊接热量是影响冲击韧性的关键因素，需要满足压力容器相关标准。

图4 冲击吸收能量分布曲线

2.2 对硬度的影响

不同热输入情况下，焊缝区的平均显微硬度变化规律如图5所示。从图5可以看出：随着焊接热输入增大，材料硬度值呈减小趋势，当焊缝的热输入超过50 kJ/cm时，显微硬度在一定范围内保持稳定。由此可见，为了确保焊缝性能良好，可控制焊接参数，使其热源输入能量维持在25 kJ/cm左右。

图5 硬度分布规律

本次研究的不锈钢材质含碳量相对较低，因此，在焊接热输入较小时，焊缝组织内的粗大晶粒形式主要表现为粒状贝氏体、板条贝氏体以及铁素体，为相对均衡的复合组织。当热输入较大时，组织内将形成含量较多的多边形铁素体、粗大的粒状贝氏体等硬脆相，这些组织的变化均伴随着奥氏体化过程；板条贝氏体随着热量增大逐渐转化为粒状，且铁素体的比例也随之增大，使得硬度显著降低。从金相组织的形貌来看，焊缝区各个组织都产生了变形，但并没有发生质的变化，保持更多的板条贝氏体是提升焊缝接头力学性能的重要手段和方法。

3 结语

传统的不锈钢焊接方法以经验为主，受到焊接工艺优化不当，检测方式不足等因素影响，导致焊缝质量难以保证。通过对不锈钢压力容器焊缝接头力学性能进行试验研究，能够得到冲击韧性和硬度变化的机理，从而为焊缝结构和焊接参数的改善提供重要依据。为了确保不锈钢焊缝接头具有较好的冲击韧性，应细化热影响区的显微组织，使得晶界排列更为密集。