胡冰

摘要：針對(duì)離心壓氣機(jī)殼用ASTM A765鋼的低溫工況，研究了改性材料的焊接工藝及焊后熱處理工藝。研究了拉伸性試驗(yàn)、低溫沖擊試驗(yàn)和金相觀察、焊接參數(shù)和焊后熱處理工藝對(duì)焊接接頭性能的影響。試驗(yàn)結(jié)論顯示，采用HS09MnNiDR焊絲焊接的ASTM A765鋼可滿足-46℃低溫工況的使用要求。

關(guān)鍵詞：ASTM A765;低溫沖擊;焊接工藝

0 ?引言

近年來，為滿足壓縮機(jī)出口項(xiàng)目的要求，美標(biāo)材料的應(yīng)用越來越廣泛。為此本課題以美標(biāo)材料ASTM A765 Grade II材料為研究對(duì)象，通過合理選取焊接參數(shù)并通過嚴(yán)格的過程控制手段[1]，得到滿足使用要求的焊接工藝，滿足-46℃低溫工況的使用要求。

1 ?試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑锳STM A765 Grade II，滿足ASTM A765標(biāo)準(zhǔn)，其化學(xué)成分及力學(xué)性能件表1。焊接材料為HS09MnNiDR，AWS A5.28 ER80S-Ni3標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范是ф1.2毫米，其化學(xué)成分如表2中列出。使用熔融金屬電弧焊、水平對(duì)接焊，80%Ar+20%CO2。

2 ?焊接及熱處理工藝

本試驗(yàn)選用的焊接試板尺寸為500×400×40mm3，采用水平位置焊接，45°X型坡口。由于ASTM A765 Grade II屬于低合金鋼，其Ni元素含量較低，且要應(yīng)用在-46℃低溫工況中，屬于低Ni低溫鋼，因此為保證焊接接頭的低溫沖擊性能，選擇了含Ni元素較多的焊絲，這樣可以彌補(bǔ)焊接過程中Ni元素的燒損，它可以有效地增加鎳的焊接接頭的內(nèi)容，這有利于低溫影響焊接接頭的性能。另外，為了保證焊接接頭的性能和焊接效率，必須合理選擇焊接參數(shù)。具體工藝參數(shù)見表3。對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊，為保證焊接效率，焊接電流應(yīng)足夠大以保證產(chǎn)生噴射過渡，而對(duì)于低溫鋼焊接接頭，過大的焊接電流、電壓會(huì)導(dǎo)致合金元素?zé)龘p、組織粗大等現(xiàn)象，不利于焊縫沖擊性能，因此，試驗(yàn)所選適合的線能量為22.7kJ/cm，在保證噴射過渡的同時(shí)，可以有效降低過大熱輸入對(duì)焊接接頭帶來的不良影響。此外，為了保證焊接接頭的低溫沖擊性能，焊接過程中中間層之間的溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在150℃以下。為了控制和消除焊接后殘余應(yīng)力的影響，在590-610℃下進(jìn)行了4-5小時(shí)的應(yīng)力消除熱處理。

3 ?試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)焊接樣品進(jìn)行拉伸、沖擊、硬度試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)表明，焊縫的平均拉伸強(qiáng)度為505MPa，斷裂部位在基體金屬中，表明焊縫強(qiáng)度高。焊接接頭的沖擊試驗(yàn)結(jié)果在表4列出。焊接中心的平均沖擊能量是131J以及熱影響區(qū)是230J。可見，焊接接頭的沖擊功都非常高，這與試驗(yàn)選用較小的線能量有很大關(guān)系，較小的線能量可以細(xì)化焊縫組織。同時(shí)，為確保焊縫組織的細(xì)小均勻，焊接預(yù)熱溫度不宜過高。高預(yù)熱溫度會(huì)降低焊接冷卻速度，使焊接結(jié)構(gòu)容易粗糙。焊縫平均硬度為180HBW，熱影響區(qū)的硬度平均值為161HBW，母材為151HBW。焊縫及熱影響區(qū)的硬度比母材稍高一些但均滿足NACE MR0175標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低合金鋼在酸性環(huán)境下的使用要求。

3.2 焊接接頭組織分析

圖1（a）（b）分別為ASTM A765鋼焊縫和熱影響區(qū)的金相組織。圖1（a）焊縫的組織為鐵素體，顯微組織均勻、小，有大量針狀鐵素體，角度分布大，有利于焊縫的低溫沖擊性能，且采用直道焊接減小擺動(dòng)對(duì)焊縫組織帶來有利影響。由圖1（b）可以看出，熱影響區(qū)位置出現(xiàn)馬氏體，馬氏體組織的形態(tài)和受熱影響有關(guān)，離焊縫近的部位由于熔合區(qū)內(nèi)溫度梯度高[2]，組織嚴(yán)重長(zhǎng)大，故得到粗大的馬氏體，而在熔合區(qū)以外的正火區(qū)的部位由于受到焊接熱循環(huán)的影響，結(jié)果得到的馬氏體結(jié)構(gòu)非常細(xì)。在不同的冷卻速度和線性能源、貝氏體和馬氏體形成一個(gè)混合結(jié)構(gòu)。雖然該區(qū)域組織粗細(xì)不同，但特征上都是屬馬氏體。這種共存組織會(huì)導(dǎo)致在正火區(qū)（細(xì)晶區(qū)）沖擊功數(shù)值的提升，正火區(qū)的組織是熱影響區(qū)性能較好的區(qū)域。

4 ?結(jié)論

ASTM A765鋼焊接選擇熔化極氣體保護(hù)焊，HS09MnNiDR焊絲，線能量為22.7kJ/cm時(shí)，-46℃焊縫沖擊功平均值是可以達(dá)到131J，而熱影響區(qū)沖擊功平均值則可以達(dá)到230J，滿足-46℃低溫工況使用要求。ASTM A765鋼焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到505MPa，試樣于母材斷裂，滿足壓縮機(jī)機(jī)殼制造要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹士科.焊接材料及接頭組織性能[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2]劉建平，李博，白雪峰，等.焊后熱處理對(duì)高溫合金異種材料焊接組織的影響[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：2014，36（6）：651-656.