馮 偉,于庭祥,,陳 波,徐 鍇,楊鑫禹

(1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司,哈爾濱 150060;2.中國機械總院集團 哈爾濱焊接研究所有限公司,哈爾濱 150028)

0 引言

隨著全球能源的消耗量和需求量均持續(xù)增長,其中液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)以其清潔、安全、高比熱的優(yōu)點在能源使用量中的占比逐年提高[1-2]。在LNG儲罐材料方面,近年來國內(nèi)外開發(fā)了一種C-Fe-Mn-Cr系低溫高錳鋼,其各項力學性能均滿足建造LNG儲罐要求,而價格比現(xiàn)有的奧氏體不銹鋼、殷瓦鋼、鋁合金和9Ni鋼等LNG儲罐材料普遍便宜50%～75%[3]。

試驗發(fā)現(xiàn)低溫高錳鋼焊接過程中存在合金元素易燒損、產(chǎn)生錳蒸汽等問題,在焊接時需科學地選擇焊接工藝和焊接材料[4],且需防止錳蒸汽對人體的傷害。LNG儲罐為了提高生產(chǎn)效率,通常采用埋弧橫焊。在低溫高錳鋼埋弧焊焊材方面,學者提出了兩種思路:一種是采用鎳基焊絲焊接低溫高錳鋼;另一種是開發(fā)低溫高錳鋼配套的焊材。其中,FAN等[5]采用鎳基合金焊絲焊接低溫高錳鋼,焊接接頭抗拉強度較高但低溫沖擊韌性較低。而現(xiàn)有的低溫高錳鋼配套焊材尚存在橫焊工藝性能和力學性能較差、成本較高等問題。本文考慮焊絲成分、焊劑成分對于低溫高錳鋼焊縫金屬性能的影響,結(jié)合焊接過程中存在的問題,且為了降低成本等目的,開發(fā)一種低溫高錳鋼焊絲及配套焊劑。

1 焊材設(shè)計

合金成分對低溫高錳鋼焊縫金屬組織和性能的影響起決定性作用,焊絲成分需保證焊縫金屬與母材具有較好的相容性。針對低溫高錳鋼埋弧焊易產(chǎn)生Mn元素燒損和焊縫金屬低溫韌性不足等問題,提高焊絲成分中Mn含量對燒損元素進行補充,加入Ni,Cr,Mo進行固溶強化,提高焊縫金屬塑韌性,調(diào)控焊劑組分比例進行脫氧、脫磷,降低熱裂紋傾向。

1.1 焊絲成分設(shè)計

焊絲成分設(shè)計主要考慮以下因素:加入C可以明顯提高焊縫金屬的強度,促進奧氏體形成并穩(wěn)定奧氏體,但過量的C容易在晶界聚集形成脆性碳化物,降低合金的低溫韌性[6-7]。Si具有很好的脫氧、提高合金液流動性效果,但Si過高會降低材料低溫韌性[8]。Mn對于基體起固溶強化作用,低溫高錳鋼的Mn含量超過18%時低溫下對奧氏體具有很好的穩(wěn)定作用,提高材料的低溫韌性?？紤]在焊接過程中Mn元素存在燒損,Mn含量略高于母材[9]。P,S是提高焊縫金屬裂紋敏感性的雜質(zhì),因此將P,S含量盡可能限制在較低范圍。Cr可以促進低溫高錳鋼發(fā)生孿晶轉(zhuǎn)變,提高合金低溫性能。但當Cr含量超過一定量時會形成粗大的鉻化合物,增大焊縫淬硬性、降低材料韌性[10]。Ni具有很好的穩(wěn)定奧氏體作用,同時Ni化合物在晶界偏聚固溶強化提高焊縫金屬強度,但過高的Ni會增大焊縫淬透性[11-12]。Mo通過固溶強化明顯提高焊縫金屬強度,然而當Mo含量較高時,會促進焊縫TRIP(相變誘導塑性)效應(yīng)形成馬氏體,降低材料低溫韌性。綜合考慮合金元素的以上作用,設(shè)計低溫高錳鋼焊絲成分如表1所示。

表1 低溫高錳鋼焊絲成分范圍Tab.1 Composition range of low temperature high manganese steel welding wire %

1.2 焊劑組分設(shè)計

由于焊縫金屬要求低氧、低磷、低硫等特點,設(shè)計CaF2-SiO2-Al2O3-CaO-MgO堿性渣系。其中,加入CaF2可以降低合金液粘度,降低由于焊絲元素種類較多、焊縫界面張力較大、熔敷金屬不易攤開的問題[13]。SiO2是酸性氧化物,可以改善渣系的酸堿度,同時SiO2可以提高合金的流動性,促進熔渣排出。Al2O3有利于排渣,改善焊縫質(zhì)量。CaO是堿性氧化物,具有調(diào)節(jié)渣系酸堿度、改善熔滴粘度和界面張力、排出焊縫金屬中的P降低熱裂傾向的作用,同時CaO還可以降低熔渣中SiO2的活度,從而抑制了Si元素從熔渣向熔池中的過渡,提高焊縫抗裂能力[14]。MgO是一種堿性氧化物,有較強的堿性,是調(diào)節(jié)焊劑酸堿性的重要材料。MgO還是很好的造渣材料,可促進形成光滑焊道,但加入MgO較多時會降低焊渣的流動性[15]。綜合考慮焊劑成分的以上作用,設(shè)計低溫高錳鋼焊劑成分如表2所示。

表2 低溫高錳鋼焊劑成分范圍Tab.2 Composition range of low temperature high manganese steel welding flux %

2 試驗方法

選用16Mn鋼為母材,其尺寸為400 mm×300 mm×20 mm,45°坡口,坡口底部距離為20 mm,底部放置400 mm×60 mm×10 mm的墊板,使用低溫高錳鋼氬弧焊焊絲,在坡口堆焊3 mm隔離層。采用設(shè)計的低溫高錳鋼埋弧焊絲和焊劑進行埋弧橫焊,焊絲直徑為2.4 mm,焊接工藝參數(shù)如表3所示。試板結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示,一共焊接16～20道次。

表3 焊接工藝參數(shù)Tab.3 Welding process parameters

圖1 試板結(jié)構(gòu)及尺寸示意Fig.1 Schematic diagram of structural dimensions of test plate

將多道焊制得的試板進行取樣,焊接試板兩側(cè)起弧和收弧處由于電弧不穩(wěn)定常存在熔敷金屬成分不均勻的問題,因此焊道兩側(cè)各去除10 mm。依據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》制備一個拉伸試樣,在UTM5305SYXL電子拉伸試驗機上進行拉伸試驗;依據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》制備用于常溫和-196 ℃沖擊試樣各3個,在JBN-300B沖擊試驗機上進行夏比V型缺口沖擊試驗;依據(jù)GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》制備4個彎曲試件,在WAW-300萬能試驗機上進行彎曲試驗。試樣尺寸及取樣位置如圖2所示。

圖2 取樣位置示意Fig.2 Schematic diagram of sampling location

在熔敷金屬上層受熱循環(huán)影響較少的位置制備金相試樣,用4%硝酸酒精溶液進行化學浸蝕,用10%鉻酸溶液對金相試樣進行電解腐蝕,通過OLYMPUSGX51型光學顯微鏡觀察熔敷金屬的金相組織,利用ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡觀察-196 ℃低溫沖擊試樣斷口熔敷金屬微觀組織形貌。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 埋弧焊工藝性

通過多層多道焊和單道堆焊試驗設(shè)計焊材的工藝性,焊縫成型如圖3所示。結(jié)果表明:焊接過程中電弧穩(wěn)定,焊縫金屬脫渣效果好,焊接過程中無飛濺,直線度好,熔敷效率高;焊縫金屬表面張力適當,熔敷金屬在母材上攤開較好。在橫焊情況下焊縫成型優(yōu)異,無金屬和熔渣下滴、咬邊和凹坑等問題,設(shè)計的焊絲能滿足低溫高錳鋼焊接工藝性要求。

圖3 焊縫成型情況Fig.3 Weld metal forming profile

取樣分析焊縫金屬成分并與焊絲設(shè)計成分進行對比,討論焊絲成分設(shè)計與焊接工藝性是否合理,焊絲成分與焊縫金屬成分如表4所示。通過對比發(fā)現(xiàn),焊縫金屬中的C,Cr,Ni,Mo含量與焊絲設(shè)計成分接近、無燒損。S,P含量較低,說明焊劑中加入的CaO具有很好的排S,P作用,降低了焊縫金屬的裂紋傾向。焊縫金屬中的Mn含量低于焊絲成分設(shè)計的Mn含量,存在一定的燒損。焊縫金屬中的Si含量高于焊絲成分值,表明在焊接過程中焊劑過渡的Si含量較多。

表4 焊絲成分與焊縫金屬成分Tab.4 Composition of welding wire and weld metal %

3.2 力學性能試驗

通過拉伸試驗、常溫夏比沖擊試驗、-196 ℃夏比低溫沖擊試驗、側(cè)彎試驗得到力學性能數(shù)據(jù)及中國船級社發(fā)布的《高錳奧氏體低溫鋼應(yīng)用指南》對強度和斷后伸長率的要求、工程應(yīng)用對材料-196 ℃沖擊吸收能量的要求,如表5所示。對比各項力學性能均滿足LNG船用低溫高錳鋼使用要求,且留有較大裕量,試驗所得的力學性能說明了焊絲成分整體上與母材成分具有很好的相容性。結(jié)果表明,加入Mo固溶強化降低熱裂傾向效果較好,焊縫金屬中的C,Cr,Ni保證了焊縫良好的強度,高Mn含量促進形成穩(wěn)定的奧氏體,較低的P,S含量具有提高焊縫金屬強韌性、降低裂紋敏感性作用,但Si含量較高對于焊縫金屬的韌性有不利作用,應(yīng)加以控制。

表5 焊縫金屬力學性能Tab.5 Mechanical properties of weld metal

3.3 微觀組織分析

低溫高錳鋼焊縫金相組織如圖4所示?？梢钥闯?焊縫組織觀察未見馬氏體,通過SP10A鐵素體含量檢測分析儀對試樣進行測量,表明無鐵素體,即焊縫金屬為全奧氏體組織。焊縫為全奧氏體說明了焊絲成分設(shè)計對奧氏體的穩(wěn)定作用較強,形成的全奧氏體組織為焊縫提供了良好的沖擊韌性。

(a)鉻酸電解金相組織

(b)硝酸浸蝕金相組織圖4 焊縫金屬金相組織Fig.4 Microstructure of the weld metal

由圖4(a)可以看出,焊縫金屬組織由細小的樹枝晶組成,枝晶間距較小,組織致密,晶間有細小的夾雜物。焊縫組織的枝晶具有一定的方向性,焊縫心部組織通過焊縫表面散熱,枝晶沿垂直于焊縫表面生長。焊縫邊部向兩側(cè)散熱,枝晶沿平行于焊縫表面方向長大。由圖4(b)可以看出,焊縫組織以曲折的晶界為主,晶界周圍分布較少的黑色析出物。由于焊絲中加入的Ni,Mo元素與C元素結(jié)合呈碳化物,在結(jié)晶過程中向能量較高的晶界處偏聚。受熱循環(huán)影響,一部分金屬碳化物固溶在晶界表面,通過釘扎位錯作用提高材料的塑韌性。

用SEM電鏡觀察沖擊斷口形貌,用SEM電鏡的EDS元件分析斷口啟裂位置焊縫金屬成分和斷口表面夾雜物成分。斷口形貌及夾雜物形貌如圖5所示。

圖5 -196 ℃沖擊斷口SEM掃描形貌Fig.5 SEM morphology of -196 ℃ impact fracture

由圖5(a)(b)可以看出,焊縫金屬-196 ℃下沖擊斷口為細小均勻的韌窩形貌,其斷裂機制為韌性斷裂,只在幾個微小區(qū)域存在圖5(b)所示的河流花樣狀的解理面。對圖5(b)所示的河流花樣狀解理面進行能譜分析,其能譜圖和成分分別如圖6、表6所示。

圖6 解理面處能譜圖Fig.6 Energy spectrogram of cleavage surface

表6 解理面處成分Tab.6 Composition of cleavage surface %

焊縫金屬平均Si含量為0.59%,由能譜分析可知,解理面處的Si含量相比于焊縫金屬平均Si含量高出一倍左右。由斷口分析發(fā)現(xiàn),雖然斷口表面的解理面較少,但解理面多出現(xiàn)在斷裂的啟裂位置。即高Si含量區(qū)域容易出現(xiàn)解理面、促進斷裂發(fā)生,降低了材料的低溫韌性。由于焊材中Si含量較高主要受焊劑過渡影響,而焊劑中加入Si的作用主要為脫氧和造渣,焊縫金屬成分中氧含量較低,工藝性觀察表明焊接過程中的造渣能力較好,因此可以考慮降低焊絲中的Si和焊劑中的SiO2含量來降低焊縫金屬中的Si含量,提高焊縫金屬低溫韌性。

在焊接兩道次之間處存在如圖5(c)所示的細小夾雜物,其能譜圖和成分分別如圖7、表7所示。通過能譜分析夾雜物成分為金屬碳化物和氧化物,結(jié)合焊劑成分分析夾雜物為少量未排出的焊渣,考慮通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)來減少焊縫金屬夾雜物。

圖7 夾雜物能譜圖Fig.7 Energy spectrum of inclusions

表7 夾雜物成分Tab.7 Composition of inclusion %

3.4 焊材成分改進

為了探究焊縫金屬不同Si含量下焊縫金屬的熱裂紋敏感性,設(shè)計如下試驗方案:在保證焊材其他成分不變的情況下,采用Si含量為0.4%,0.6%的焊絲及SiO2含量為6%,8%,10%和12%的焊劑進行組合,設(shè)置8組不同的焊材成分,通過側(cè)彎試驗檢驗不同Si含量對于熱裂紋傾向的影響。焊絲Si含量、焊劑SiO2含量、焊縫金屬Si含量、側(cè)彎試驗結(jié)果如表8所示,裂紋形貌如圖8所示。

表8 Si含量及側(cè)彎結(jié)果Tab.8 Si content and side-bending results

圖8 不同Si含量試件側(cè)彎形貌Fig.8 Side-bending morphology of specimens with different Si content

試驗表明,當焊縫金屬中的Si含量小于0.65%時,焊縫金屬無裂紋;隨著Si含量的提高,焊縫金屬裂紋數(shù)量和裂紋長度均增加,當焊縫金屬Si含量超過1.12%時,焊縫金屬發(fā)生失效斷裂。相鄰焊劑成分SiO2含量越高,對應(yīng)焊縫金屬的Si含量差值變化越大。因此焊縫金屬中的Si含量應(yīng)低于0.65%,并合理調(diào)控焊劑與焊絲的Si含量來保證焊縫金屬強度與脫氧效果。

3.5 焊接工藝改進

雖然焊縫金屬的Mn含量降低仍能保證焊縫金屬的奧氏體組織穩(wěn)定性,但Mn含量降低會明顯降低焊縫金屬強度與韌性。因此,需要控制焊接過程中的Mn燒損。MA等[16-17]研究發(fā)現(xiàn),低溫高錳鋼焊接過程中Mn元素的燒損主要受焊接熱輸入的影響。焊接電流350 A、電弧電壓30 V對應(yīng)的焊接工藝性較好,因此,通過設(shè)置不同的焊接速度研究不同焊接熱輸入對焊接過程中Mn元素燒損的影響,同時研究不同焊速對焊劑排渣效果的影響。不同焊接速度對應(yīng)的焊縫金屬Mn含量如表9所示。

表9 不同焊速焊縫金屬Mn含量及力學性能Tab.9 Different welding speeds,Mn content of weld metal and mechanical properties

試驗發(fā)現(xiàn),當焊接速度較慢時熱輸入較大,焊縫金屬在高溫停留時間較長,Mn的燒損較多,焊劑過渡到焊縫金屬中的Si含量提高。焊接速度較快時,熔池冶金反應(yīng)時間較短,焊劑中的Si來不及隨焊渣排出,焊縫金屬中的Si含量提高,其力學性能降低,同時仍存在Mn元素的燒損。通過試驗確定,當焊接速度為450 mm/min時,焊接過程中高溫停留時間適中,冶金反應(yīng)充分,排渣效果較好,焊道無夾雜物,焊縫金屬中Mn燒損量和由焊劑過渡的Si含量均較少。

4 結(jié)論

(1)研制了一種用于低溫高錳鋼埋弧橫焊的焊材,經(jīng)試驗焊縫金屬表面光滑,脫渣性優(yōu)良,無氣孔、裂紋等缺陷,抗拉強度大于660 MPa,在-196 ℃夏比沖擊吸收能大于60 J,滿足建造LNG儲罐對于焊縫金屬性能的要求。

(2)焊縫金屬為全奧氏體組織,焊縫金屬組織由細小的樹枝晶組成,枝晶間距較小,組織致密,晶間有細小的夾雜物,沖擊斷口的形貌以細小的韌窩為主,保證焊縫具有較好性能。

(3)焊縫高Si區(qū)在受沖擊下產(chǎn)生解理面,成為斷裂的啟裂位置,焊縫金屬Si含量較高會提高裂紋敏感性,試驗證明焊縫金屬中的Si含量應(yīng)小于0.65%。