（材料加工工程专业论文）焊接工艺对低温钢sa516gr60焊接接头组织和性能的影响.pdf

河海人学硕士研究生论文 摘要 摘要 奉文采用不同焊接工艺规范焊接低温 目s a 5 1 6 g r 6 0 ，通过拉伸试验、低温夏 比冲击试验、金相组织观察、显微硬度测试、扫描电镜( s e m ) 、能谱分析( e d s ) 、 透射电镜( t e m ) 等分析方法对焊接接头组织和性能进行了综合的比较和研究。 焊缝金属中主要合金元素含量对焊缝显微组织和性能的影响研究试验结果 表明：采用手工电弧焊焊接s a 5 1 6 g r 6 0 ，当焊缝的化学成分为0 0 6 o 0 8 c 、 l _ o l _ 2 m n 、0 2 5 0 3 5 s i 时焊缝金属可获得较好的韧性。对于低温钢 s a 5 1 6 g r 6 0 的焊接，综合考虑质量和成本，手工焊时优先选用j 5 0 7 d r 焊条，埋弧 焊时优先选用s j 2 0 8 d r 焊剂配合h 0 9 m n d r 焊丝。 焊接线能量对焊接接头显微组织和性能的影响研究试验结果表明：随着焊接 线能量的增大，焊缝金属抗拉强度先略有升高，后呈下降趋势，低温韧性先增大， 后减小，热影响区低温韧性下降；手工电弧焊焊接线能量控制在1 4 k j c m 左右为 宜，埋弧自动焊焊接线能量控制在2 1 k j c m 左右为宜。 道间温度对焊接接头显微组织和性能的影响研究试验结果表明：随着道问温 度的升高，焊缝金属的低温冲击韧性先升高后明显下降，推荐焊接时道间温度控 制在1 5 0 左右。 采用j 5 0 7 d r 焊条，控制线能量为1 5 k j c m ，道间温度为1 5 0 ，对一批主体材 料为s a 5 1 6 g r 6 0 的低温换热器现场焊接，并对所带试板进行系列夏比冲击试验得 到母材、焊缝、热影响区的韧脆转变温度f a t t 5 0 分别为一6 0 、一5 7 、一5 2 ， 它们均低于低温换热器的设计温度一4 5 。c ，符合使用要求，从而证明了所采用工 艺的合理性。 焊缝金属具有良好的低温韧性是因为焊缝金属中有较多的针状铁素体( a f ) ， 并通过焊缝金属夹杂物能谱分析及选区电子衍射分析标定夹杂物的组成物相有 m n o a 1 2 0 3 、m n s 、c a o 2 a 2 0 3 等，并认为焊缝金属中合适尺寸的复相夹杂物为 针状铁素体的形核提供核心，从而改善了焊缝的低温韧性。 关键词：低温韧性、s a 5 1 6 g r 6 0 、焊接工艺、韧脆转变 焊接工艺对低温钢s a 5 1 6 g r 6 0 焊接接头组织和性能的影响 a b s t r a c t d i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e d u r e sw e r ea d o p t e dt ow e l dc r y o g e n i cs t e e ls a 51 6 g r6 0f o r t h e p u r p o s eo fi n v e s t i g a t i o no nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw e l d i n gp a r a m e t e r sa n dt h em i c r o s t m c t u r e a n dp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n t s t h ea n a l y t i cm e t h o d si n c l u d et e n s i l et e s t ，l o wt e m p e r a t u r ei m p a c t t e s t ，m e t a l l o g r a p h i ce x a m i n a t i o n ，m i c r o h a r d n e s st e s t ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ， e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c 订o nm i c r o s c o p e ( t e m ) a n ds oo n t h ee f f e c to fd i f f e r e n ta m o u n to fa l l o ye l e m e n ti nw e l dm e t a lc o m p o s i t i o no nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fw e l dm e t a la r es t u d i e d ，t h er e s u l ti n d i c a t et h a tw e l dm e t a lc a n a c h i e v eg o o dt o u g h n e s sw h e nt h ec o m p o s i t i o ni s0 0 6 o 0 8 c ，1 0 1 2 m n ，0 2 5 o 3 5 s i q u a l i t ya n dc o s ta r ec o n s i d e r e dt o g e t h e r , t h er e c o m m e n d e de l e c t r o d ef o rs h i e l d e dm e t a la r c w e l d i n g ( s m a w ) i sj 5 0 7 d ra n d t h er e c o m m e n d e dw e l d i n gm a t e r i a l sf o rs u b m e r g e d - a r c w e l d i n g ( s a w ) a r eh 0 9 m n d rw e l d i n gw i r e sa n dm a t c h e ds j 2 0 8 d ra g g l o m e r a t e df l u x t h ee f f e c to fw e l dh e a ti n p u to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e a i e so fw e l d e dj o i n ta r e d i s c u s s e di nas y s t e m a t i cw a y , t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h et e n s i l es t r e n g t ha n dl o wt e m p e r a t u r e t o u g h n e s so f w e l dm e t a li n c r e a s ef i r s ta n dt h e nd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f w e l dh e a ti n p u t t h e r e c o m m e n d e dp a r a m e t e r sa r e1 4 k j c mw h e nu s es m a wa n d2 1 k j c mw h e nu s es a w t h ee f f e c to fi n t e r p a s st e m p e r a t u r eo nt h em i c r o s t r u e t u r ea n dp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n ta r e a n a l y z e d ，t h er e s u l ti st h a tt h el o wt e m p e r a t u r et o u g h n e s so fw e l dm e t a li n c r e a s ef i r s tm a dt h e n d e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fi n t e r p a s st e m p e r a t u r e ，s oi n t e r p a s st e m p e r a t u r es h o u l db ec o n t r o l l e d a t l 5 0 t h er e c o m m e n d e dw e l d i n gp r o c e d u r ei sa d o p t e dt od of i e l d w o r k ，c o n d u c tas e r i e so fc h a r p y v - n o t c hi m p a c tt e s ta n dd i s c o v e rt h a tt h ed u c t i l e - b r i t t l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( f a t t s o ) o fb a s e m e t a l ，w e l dm e t a la n dh e a t - a f f e c t e dz o n ea r er e s p e c t i v e l y 一6 0 。c ，一5 t ca n d 一5 2 c ，a n da l la r e l o w e rt h a n 一4 5 。c ，i ti ss a f et h a ts u c hk i n do f e q u i p m e n ts e r v i c ea t 一4 5 ca n di ti sa l s op r o v e dt h a t t h ea p p r o p r i a t ep r o c e d u r ei sa d o p t e d t h ew e l d e dj o i n th a sg o o dl o wt e m p e r a t u r et o u g h n e s sb e c a u s et h ew e l dm e t a lh a s a c o n s i d e r a b l ev o l u m eo fa c i c u l a rf e r r i t e ( a f ) b ym e a n so fe d sa n a l y s i sa n dd i f f r a c t i o nd e s i g n d e m a r c a t eo fi n c l u s i o n si nt h ew e l dm e t a l ，t h et r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c so fa fa r ed i s c u s s e d t h e d e m a r c a t e dc o m p o s i t i o na r em n o - a 1 2 0 3 ，m n sa n dc a o 2 a 1 2 0 3 t h ep o i n ti st h a tt h ei n c l u s i o n si n p r o p e rs i z ec a l ls u p p l yn u c l e u st op r o m o t et h ef o r m i n go f a fa n di m p r o v et h et o u g h n e s so fw e l d m e t a l k e y w o r d s ：l o w t e m p e r a t u r e t o u g h n e s s ，s a 5 1 6 g r 6 0 ，w e l d i n gp r o c e d u r e ，d u c t i l e 。b r i t t l e t r a n s i t i o n i i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：盛垩霆2 0 0 6 年3 月2 4 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：签至廛 2 0 0 6 年3 月2 4 日 河海人学硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 低温技术是1 9 世纪末在冷冻技术和液态空气分离工业内逐步发展起来的。 以液氨和氟利昂为工质的冷冻技术中普遍以达到一4 0 一5 0 以上的低温为目的， 一般称之为普通冷冻。而空气的液化与分离则可达到一1 9 6 ，工业生产中甚至有 要求达到一2 5 3 的，这些则称为深度冷冻。随着我国国民经济的快速发展和低温 技术的普及，低温液体的应用日趋广泛，各行各业对贮存和输送低温液体的低温 容器的需求不断增长。尤其是近几年，随着改革开放的深入，国外主要跨国气体 公司竞相在我国建立合资企业，带来了先进的空分设备、技术和管理，促进了低 温液体的应用，带动了我国低温容器的发展，使低温容器成为一个新兴的行业， 对各种低温钢材( 包括钢板、钢管、锻件等) 及相应焊接材料的需求也日益增加， 随着温度的降低，普通铁素体钢材的强度有所上升，但塑性大幅下降，表现 出明显的脆性。达到深冷温度范围内只有奥氏体不锈钢和有色金属铜、铝等仍可 保持良好的塑性，因而它们曾经是一7 0 c 以下设备被大量采用的金属材料，但资 源有限和价格昂贵等大大限制了它们的应用。更令人关注的是大量一2 0 一7 0 之 间的低温设备是否可以采用铁素体类低价钢材，其核心是提高它们在低温下的塑 性与韧性。低温设备如低温在役的压力管道与压力容器的特点是易产生低温脆性 破坏，低温脆断是在没有预兆的情况下突然发生的，破坏性很大，旦发生，会 产生严重的后果，因此工程设计和研究中均在选材、试验方法、制造等各方面采 取措旖，防止低温脆断的事故发生。 1 2 材料低温性能的试验方法和评价 1 2 i 低温韧性的试验方法和评定指标 通常将各种液化石油气、液氨、液氧、液氢、液氮等生产、贮存容器和输送 管道以及在很寒冷地区服役的设备，称为低温容器，制造这些容器所用钢，统称 为低温钢。我国通常将设计温度低于或等于一2 0 c 称为低温，如g b i5 0 1 9 9 8 钢 制压力容器附录c 对低温压力容器的定义是低于或等于一2 0 。c ：日本的5 i sb 8 2 4 3 压力容器结构规定，设计温度低于一l o u 为低温；原西德的d i n 标准定义低 温用钢的工作温度为一2 0 至一2 6 9 ；美国的a s m e ( a m e r i c a ns o c i e t yo f m e c h a n i c a le n g i n e e r s ) 规范对低温没有明确的定义，但它将一2 0 。f ( 一2 9 。c ) 作 焊接工艺对低温铡s a 5 1 6 g r 6 0 焊接接头组织和性能的影响 为一个控制指标f 6 】。 低温余属材料性能的评定关键是对韧性的评定。从韧性的定义来说，它是材 料强度和塑性的综合反映。工程上总是力图找到一种简捷的测量和评价方法，因 而出现了一系列的测试和评价方法。主要的试验方法有以下几种：低温冲击韧 性试验( v 型缺口、u 型缺口、d v m 试样) ；落锤试验；全厚度的大型试验( 宽板试验、 双重拉伸试验、e s s o 试验) ；断裂力学试验( 平面应变断裂韧性k i c 及裂纹尖端张 j r 位移c o d ，近年来更多关注j 积分临界值j l c 试验) 。 其中，以低温夏比( v 型缺口) 冲击韧性试验应用最为广泛。在冲击韧性试验 中，用于衡量韧性的指标有多种。缺口韧性是材料具有缺口时，塑性变形和断裂 全过程吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。随着温度的降低，材料会 出现由韧变脆的转变现象，可以通过系列冲击试验来测定韧一脆转变温度，也就 是用同一规格的标准冲击试样，在一系列不同的温度下进行冲击试验，可以得到 冲击吸收功a k 、断口特征与温度的关系曲线。关于韧一脆转变温度( t k ) 的评定准则 有三类3 4 】： ( 1 ) 能量准则：用最大冲击功( 又称上平台值) 和最小冲击功( 又称下平台值) 的算术平均值所对应的温度作为t k ：以5 0 最高平台值所对应的温度作为t k ：用 经验统计所得的最低、必须的冲击功所对应的温度作为t k ，例如v t r 5 4 是夏氏v 型缺口标准试样冲击功为5 4 j 时的脆性转变温度。 ( 2 ) 断口形貌特征准则：断口形貌转变温度的英语缩写是f a t t ( f r a c t u r e a p p e a r a n c et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ) ，对于断口形貌的规定有：a 、以断口上 开始出现结晶状断口( 占整个断口面积的5 ) 对应的温度作为f a t t ib 、以结晶 状断口面积或纤维状断口面积为5 0 时对应的温度作为转变温度( f a t t s o ) ；c 、 以完全脆性断口( 结晶状断口面积为9 5 ) 所对应的温度作为f a t t 。 ( 3 ) 变形特征准则：侧向宽度转变温度的英语缩写是l e t t ( l a t e r a le x t e n t t r a n s it i o nt e m p e r a t u r e ) ，如侧向膨胀转变温度v t r o 3 8 是侧向膨胀量为0 3 8 r a m 时所对应的温度。 应该注意，不同准则和不同条件下定义的转变温度，其物理含义不同，因此 得到的t k 值相差很大，不同准则( 方法) 确定的韧脆转变温度之间没有换算关系， 不能相互比较。 1 2 2 低温钢材的韧性要求 目前各种压力容器规范对低温压力容器的设计，都是采用根据室温抗拉强度 或屈服强度所决定的许用应力进行设计的。用该方法能有效地防止发生大范围塑 性变形破坏。为了防止根据这种设计方法设计的压力容器在低温下发生低应力脆 河海大学硕+ 研究生论文 第一章绪论 断，要求钢材必须具有一定的韧性，并且对设计和制造也提出了一定的要求。 冲击韧性虽然可以反映材料的脆断趋势，但不能直接与设计应力联系起来， 只能依据事故教训和经验，提出对材料所需的韧性指标。而现有的许多材料规范 女i a s m e 、j i sb 8 2 5 0 等，都以线弹性或弹塑性断裂力学的理论为基础，科学地考 虑对材料韧性的要求。通过综合考虑材料类型、元件厚度、最低设计温度、应力 水平、加载速度、焊后热处理等因素对材料抗脆断能力的影响，来判别要否采取 防脆断措施。从工程应用较为方便来考虑，根据v 型夏比冲击功和断裂韧度k 。或 临界裂纹张丌位移6 。在数量上的关系，仍进行冲击试验，规定以相应的冲击功合 格值来操作。而且对相应的冲击功合格值也不是作统一的划定，而是和相应的材 料种类( 材料强度) 和材料厚度有关。 我国标准6 8 1 5 0 一1 9 9 8 钢制压力容器对低温压力容器用钢进行冲击试验 所要求的冲击功合格值作了如表卜1 所示的规定【8 l 。 表1 1低温夏比( v 型缺口) 冲击试验最低冲击功规定值 钢材标准抗拉强度下限值奥氏体钢 4 5 0 4 5 0 5 1 5 5 1 5 6 5 0 砚( m p a ) 焊缝金属 二个试样( 1 0 m m x1 0 m m x 1 8 2 02 73 1 5 5 m m ) 冲击功平均值a h ( j ) 注：试验温度f 三个试样的冲击功平均值不得低于表中的规定；其中单个试样的冲击功可小 于平均值，但不得小于平均值的7 0 。 1 3 国内外低温钢板概况 我国低温钢现行标准g b 3 5 3 1 低温压力容器用低合金钢钢板中规定1 6 m n d r 、 1 5 m n n i d r 、0 9 m n n i d r 三种低温钢，其中1 6 m n d r 为无镍低温钢，1 5 m n n i d r 、0 9 m n n i d r 是两种有镍钢，使用温度从一3 0 一7 0 ，见表1 2 ，除g b 3 5 3 1 规定的三种低温 钢外，0 7 m n n l c r m o v d r 由于其良好的低温冲击韧性，在一4 0 的低温冲击功值大于 等于4 7 j ，在g b l 5 0 一1 9 9 8 中被推荐为低温用钢【” 5 1 。 】6 m n d r 钢是制造一4 0 c 低温设备用的经济而又成熟的钢种，可制造液氨等设 备。1 5 m n n i d r 和0 9 m n n i d r 属镍系低温钢，具有良好的低温韧性和焊接性。一7 0 级的0 9 m n n i d r 氐温钢在乙烯、化肥、城市煤气、二氧化碳等低温装置中得到了广 泛的应用。 这样，在我国只有标准规定的设计温度大于等于一7 0 。c 的低温用材料，当设 计温度低于一7 0 。c 时就必须选用价格较贵的国外材料或不锈钢材料了。到目前为 止，我国的低温钢材料没有形成一个完整的体系，而且在品种、规格尺寸、某些 堡堡三苎翌! ! 塑塑! 些! ! ! ：! ! 生些堡兰丝塑塑丝丝塑星里 技术条件以及供货时间和经济性要求等方面还不能满足使用要求，以致需要大量 从国外进口低温钢材料。 表l 一2 现行国标低温用钢型号 牌号 钢板厚度( m m ) 最低试验温度( ) 执行标准 1 6 m n d r6 3 6 4 0g b 3 5 3 1 1 9 9 6 3 6 1 0 03 0 g b 3 5 3 1 1 9 9 6 1 5 胁州j d r6 6 0 4 5g b 3 5 3 1 一1 9 9 6 0 9 m n n i d r6 6 0 一7 0g b 3 6 3 1 1 9 9 6 0 7 m n n i c r m o v d r1 6 5 0 4 0g b l 5 0 一1 9 9 8 国外研制、使用低温钢已有七、八十年历史。国钋已建立了完善的低温钢体 系，低温钢品种繁多，质量优良，而国产低温钢尚未形成体系，而且品种也较少， 国内大部分低温钢市场被国外所垄断。 a s m e 规范推荐使用的低温钢主要是无镍、有镍( 5 n i 、8 n i 、9 n i ) 、 不锈钢及铝合金。无镍低温钢的使用温度在- 6 0 口( 2 以上，有镍低温钢、不锈钢及 铝合金的使用温度可达到一1 9 6 以下。主要的无镶、有镍低温钢标准牌号见表1 3 n 表l 一3 a s m e 规范所列主要低温钢牌号 标准钢号使用温度备注 a s m es e c t i o n i i s a 5 1 6 ( g r 5 5 g r 6 0 ，g r 6 5 ，g r 7 0 ) ， 细晶粒钢 p a r t a s a 5 3 7 ( c 1 i ，c 1 2 ) 。s a 6 1 2 ， 一1 8 一6 0 及低温高 2 0 0 i e d + 2 0 0 i a d s a 6 6 2 ( g r a ，g r b ，g r c ) 。s a 7 2 4 ( g r a ，g r b ) 强度钢 a s m es e c t i 0 1 3 i is a 2 0 3 ( g r a ，g r b ，g r d ，g r ，e ，g r f ) ， 镍系低温 p a r t a s a 3 5 3 ， 6 8 一1 9 6 钢 2 0 0 l e d + 2 0 0 】a ds a 5 5 3 ( t y p ei ，t y p e l i ) ，s a 6 4 5 a s m e 规范要求低温时使用的镍系低温钢s a 3 5 3 、s a 5 5 3 、s a 6 4 5 要进行低温 冲击试验，并规定了其试验方法和合格标准，冲击试验的温度应是受压对的最低 温度或储存低温液体的温度二者之中较低的温度。a s m e 规范所推荐的低温钢因 其优越的使用性能，得到世界各国的广泛使用，我国正在建造的大型低温储罐大 都使用美国a s m e 规范的低温钢材料。 河海大学顾士研究生论文 第一章 绪论 1 4 问题的提出及研究意义 1 4 1 问题的提出 自1 9 世纪末以来，在寒冷地带的铁轨、桥梁、储罐等结构件曾发生一系列低 温脆性断裂事故，带来了灾难性的后果。由于当时科学技术的限制，对钢材的冷 脆问题的研究未取得实质性的进展。上世纪4 0 年代以来，许多船舶、压力容器、 管道、化工设备及大型结构，特别是一些焊接结构，多次发生了此类的低应力脆 断，造成了巨大的损失【l 们。通过大量的事故调查分析，总结出低应力脆断具有以 下几个特点： ( 1 ) 断裂时构件工作载荷比较低，其断裂名义应力低于材料的屈服强度，断 裂前没有或只有局部极小的塑性变形； ( 2 ) 裂纹扩展速率大； ( 3 ) 低应力脆断多属解理断裂或准解理断裂，断口具有晶粒状的特点，光亮 而平滑： ( 4 ) 低应力脆断往往发生在有缺口或裂纹的构件上，并以构件自身存在的各 种缺陷及杂质作为裂纹源； ( 5 ) 断裂一般发生在较低温度下，此时材料的韧性很差。 钢材在低温下安全性的关键问题在于低温韧性。因此对于低温在役的压力容 器必须保证具有良好的低温冲击性能，而焊接接头的性能是构件中最薄弱的部 分，因此低温压力容器的低温性能很大程度上取决于焊接接头的性能。 低温钢的焊接一直是一个难点，原因是低温冲击韧性难以达到要求。 s a 5 1 6 6 r 6 0 钢板是国外引进的低温钢，常用于制造中、低温压力容器，但国内 不少企业反映该钢材焊接后其焊接接头低温冲击功较低，还常发现一4 5 。c 冲击功 低于a s m e 规范2 7 3 的要求。进口a s m e 低温铜s a 5 1 6 g r 6 0 的焊接能否采用国产 焊接材料，焊接时应如何控制焊接工艺规范来保证接头韧性，到底如何评价其焊 接接头低温工况下的安全性等问题的解决变得非常迫切。 本课题主要针对进口a s m e 低温钢s a 5 1 6 g r 6 0 的焊接进行研究，重点解决该 钢材焊接中的关键问题：即如何从焊接工艺方面来保证接头的低温韧性满足设计 要求。通过选择不同焊接材料进行对比试验来讨论焊缝金属主要合金元素含量对 性能和组织的影响规律，从中优选出合适的焊接材料使焊缝金属低温韧性达到要 求。通过设计五种焊接规范来焊接试板，分析不同焊接线能量对焊接接头的低温 冲击性能和组织的影响规律，从而优选出合适的焊接线能量。通过采用三种道间 温度进行焊接试验来讨论道间温度对焊接接头的低温冲击性能和组织的影响，优 选出合适的道间温度。 焊接工艺对低温钢s a 5 1 6 g r 6 0 焊接接头组织和性能的影响 随后在优选的焊接材料、焊接线能量和道间温度等基础上对批低温换热器 进行现场焊接( 带试板) ，对试板进行低温夏比v 型缺口系列冲击试验，考察优 选的焊接线能量和道间温度条件下接头的性能是否满足低温换热器使用时对低 温冲击性能的要求，评定一4 5 。c i 况下运行的安全性。同时分析焊缝金属中的夹 杂物，并初步探讨其对针状铁素体形成的作用。 1 4 2 课题的研究意义 本课题选用s a 5 1 6 g r 6 0 钢板是国外引进的低温钢，此钢材是国外中、低温 压力容器中使用较为普遍的一种钢材，国外有与此钢材配套的焊接材料，但是由 于进口焊材的订货周期长且价格又高，为此，拟选用国产焊材来焊接s a 5 1 6 g r 6 0 钢板。目前，有关国产焊材应用于低温钢焊接的研究资料、文献很少，几乎无经验 可借鉴，很多厂家低温钢焊接采用国外焊材。特别是对s a s l 6 g r 6 0 进口钢材我国 研究很少，若使用国产焊材焊接可以保证接头的性能将会降低制造成本缩短工 期，具有较重要的工程应用价值。 系统地研究焊缝金属合金元素含量、焊接线能量和道间温度对低温钢焊接接 头性能的影响规律，特别是对低温韧性的影响，从而选出合适的焊接工艺可以为 国内低温压力容器焊接技术研究提供理论依据，并为实际的焊接生产提供指导。 通过系列夏比冲击试验并结合冲击试样断口形貌分析，评价焊接接头各区域 的低温韧性，为采用s a 5 1 6 g r 6 0 制造的低温换热器一4 5 c i 况下运行安全性提供 可靠的依据，具有重要的现实意义。 1 4 3 拟解决的技术关键 通过选择不同焊接材料试验找出焊缝金属中主要合金元素含量对接头组织 性能的影响规律：详细地研究焊接线能量和道问温度等工艺因素对接头组织性能 的影响规律，特别是对接头低温韧性的影响，从而优选出合适的焊接工艺；对焊 接接头进行系列低温冲击试验评定各区域的韧脆转变温度；对焊缝中夹杂物进行 透射电镜分析及电子衍射花样标定组成相，并探讨其对针状铁索体形核的作用。 1 5 试验方法及设备 本研究中所采用的试验方法及设备说明如下： ( 1 ) 焊接方法及设备 低温钢在焊接方法选择上有焊条电弧焊、埋弧自动焊、熔化极气体保护焊、 钨极氩弧焊。目前主要以焊条电弧焊为主，其次是埋弧自动焊与钨极氩弧焊。焊 河坶大学硕士研究生论文 第一章绪论 条电弧焊操作灵活，适用性广，但焊接效率比较低。埋弧自动焊是一种效率较高 的焊接方法。钨极氩弧焊能保证焊接接头具有较高的质量，生产率低，成本较高。 焊接方法应根据焊接结构及钢材特点，制造要求，焊接方法特点及其对焊接 接头质量的影响，在各种位置焊接及现场施工的适应性，生产效率和成本等综合 分析而加以选择。根据上述原则，结合实际生产条件，本文采用手工电弧焊和埋 弧自动焊两种焊接方法进行试验，手工电弧焊的设备型号为z x 5 - - 6 3 0 ，埋弧自动 焊的设备型号为m z 一1 1 0 0 0 型。由于采用钨极氩弧焊得到的试板焊接质量较好， 低温韧性很容易达到要求，本文对钨极氩弧焊方法不作讨论。 ( 2 ) 焊接试板的取样方法 焊接试板拉伸试验、冲击试验和弯盐试验的取样位置见图1 1 。 柰i # 托伸 k h # 悄 差 t 佯 套 目 象 h 拌 试辑 t # t 样 7 气 弃 丁口 图1 ，1 板材对接焊缝试件上 试样取样位置示意图 h k 一焊整最大宽度，帅： h 一夹持部舟长度根据试验机夹具而定，r a m ； 图1 2 焊接接头拉伸试样加工简图 图13 焊缝金属拉伸试样加工简图 ( 3 ) 拉伸试验 拉伸试验是应用最广泛的力学性能试验方法之一，通过拉伸试验可标定出 s a 5 1 6 g r 6 0 焊接接头最基本力学性能指标如屈服强度、抗拉强度、延伸率等， 这些性能指标是评定材料及其焊接接头性能的重要依据。拉伸试验在液压万能材 料试验机上进行，设备型号为w e 一6 0 0 。本文中焊接接头拉伸试样按g b 2 6 5 1 8 9 焊接接头拉伸试验方法的规定，采用板形试样按图1 2 加工。焊缝金属拉伸 试样按g b 2 6 5 2 8 9 焊缝及熔敷金属拉伸试验方法的规定，加工尺寸如图1 3 。 拉伸试验方法和程序均按标准g b t 2 2 8 2 0 0 2 金属拉伸试验方法的规定进行。 ( 4 ) x 射线探伤 x 射线探伤设备是丹东精工仪器制造厂生产的充气式x 射线探伤机，型号为 x k 3 2 - - 3 0 0 。所有焊接试扳在加工试样前均进行x 射线探伤，要求焊缝质量等级 至少达到j b 4 7 3 0 - - 9 4r ti i 级标准。对用于冲击试验的试板，加工冲击试样前对 焊缝表面进行磁粉探伤，再用x 射线对焊缝进行内部检测，以确定焊缝缺陷存在 的位置和大小，保证冲击试样取样时避开缺陷，从而保证冲击试验的准确性及真 焊接工艺对低温钢s a 5 1 6 g r 6 0 焊接接头组织和性能的影响 实性。 ( 5 ) 夏比冲击试验 从物理意义上讲，韧性是对变形和断裂的综合描述，通常以夏比冲击试验对 韧性进行测试和评价。这种试验方法简单，而且包括了尖锐缺口、高速加载、容 易实现低温等三大促使材料脆化的试验条件，对材料的内在质量的变化较为敏 感。因此，本论文采用夏比冲击试验对焊接接头的韧性进行测试。 在0 9 0 下，进行系列冲击试验，试验采用v 型缺口。缺口分别开在 母材、焊缝和热影响区。本文夏比v 型缺口冲击试验在j b 一3 0 试验机上进行， 试样的制备及试验方法按照g b t 4 1 5 9 8 4 会属低温夏比冲击试验方法进行， 试验机的标准打击能量为1 5 0 j ( 1 0 j ) 。试件尺寸为1 0 1 0 5 5 r a m 带v 型缺口 的标准试样。取样方向为横向，如图1 4 所示。试样的尺寸和偏差应符合图1 ，5 的规定。试样缺口底部应光滑，不得有与缺口轴线平行的明显划痕。 、- * # * 口# 图1 4 冲击试样缺口方向示意图 一 1 0 1 m k 一 ；乒7 卜 一8 r _ 二囱二 2 7 5 0 3 0 ：i j 一。 。“ 止1 山。三 要 1 ，卫一 、1 b l 粤_ i 产一2 一 亚丑卫 2 5 0 0 2 5 i 1 0 ：1 图1 5 标准夏比v 型缺口冲击试样加工简图 ( 6 ) 金相组织分析 金相检验是观察和分析金属微观组织结果及其缺陷的重要手段。利用金相显 微镜及其所拍摄的金相照片对s a 5 1 6 g r 6 0 焊接接头的微观组织进行观察分析， 掌握该钢材在焊接过程中的组织变化规律，从而通过控制组织来实现控制和改善 河海大学硕士研究生论文 第一章绪论 其性能的目的。焊接试样切割加工后，经砂纸逐级打磨，抛光，腐蚀后在x j g - - 0 5 型显微镜下观察，拍照。晶粒度试样用饱和苦味酸水溶液腐蚀，金相组织 试样用4 硝酸酒精腐蚀。定量显微组织分析，采用截线法进行，即在显微照片 上作任意直线，它与组织相交截，把落在待测相上的线段长度相加，得总长度 l o ，然后除以测试线总长l t ，得待测相百分数l l = l o 几t ，每个试样随机选取1 0 个视场测定，然后取其平均值。 ( 7 ) 弯曲试验 弯曲试验用于测定焊接接头拉伸面上的塑性及显示缺陷。弯曲试验按 g b t 2 3 2 1 9 9 9 金属弯曲试验方法进行，取侧弯试样，弯曲角度为1 8 0 。，取 样与加载方式如图1 6 所示。评定方法：按标准规定，当试样弯曲到1 8 0 。时， 其受拉面上沿任何方向不得有单条长度大于3 m m 的裂纹或缺陷。试样的棱角开裂 不计，但确因夹渣或其它焊接缺陷引起试样棱角开裂的长度应计入。 d 为试验_ l 支书辊于豆性 图1 6 焊接接头侧弯试样取样与加载方向示意图 ( 8 ) 扫描电镜分析 扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，s e m ) 主要用于金属材料、 各类断口及磨损表面的微观形貌观察及断裂或磨损机理分析，同时可用于微观金 相组织观察及微观尺寸测量。本研究使用s 一3 6 0 扫描电子显微镜对焊接接头冲击 试样断口、拉伸试样断口微观形貌进行观察，分析。 ( 9 ) 成分分析 焊缝金属的化学成分用常规化学分析法测定，其中碳、硫元素用c s - - 4 4 4 型 c 、s 分析仪测定。焊缝中的夹杂物成分分析采用的i s i s 型x 射线能谱仪，按标 准g b t 1 7 3 5 9 1 9 9 8 电子探针和x 射线能谱定量分析通则进行。 ( 1 0 ) 显微硬度测定 硬度试验是一种简便的力学性能试验方法。通常硬度与材料的强度有一定的 比例关系，硬度高意味着强度也高。焊接接头体积虽然不大，但各个区域受焊接 热循环的影响不同，性能梯度变化很大，用常规力学性能试验方法无法检测出焊 接接头各个微区的力学性能，而硬度点较小，可以通过测量焊接接头各微区的硬 9 焊接工艺对低温钢s a 5 1 6 g r 6 0 焊接接头组织和性能的影响 度来了解整个焊接接头的性能分布情况。硬度测量在h x d - - 1 0 0 0 t c 型显微硬度仪 上进行，测量h v 值，载荷5 0 9 f ( 0 4 9 0 3 n ) ，加载时间1 5 s ( 1 1 ) 透射电镜分析 透射电子显微镜( t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ，s e m ) 具有高分辨率、 高放大倍数的特点，在光学金相显微镜不能满足材料的分析要求时，可以采用透 射电镜进行微观结构分析。透射电镜不仅可以对材料的形貌进行分析，而且可以 利用透射电子束对材料的内部结构、夹杂物形态进行分析。金属薄膜样品是从金 相试样上用钼丝线切割机切取0 3 m 厚的薄片，经手工减薄至0 0 8 r a m 左右( 会 相砂纸顺次研磨) ，然后置于g l - - 6 9 6 0 型离子减薄仪上进行离子减薄，直至样品 中心穿孔为止。本研究利用日立h 一8 0 0 型透射电子显微镜( 加速电压1 2 0 k v ) 进行夹杂物形貌及组成相、针状铁素体等进行观察，探讨针状铁素体形核机理。 河海大学坝七研究生论文 第二章试验用钢及焊接材料的选择 第二章试验用钢及焊接材料的选择 2 1 试验用钢 试验用母材按a s m e 标准s a 一5 1 6 s a 5 1 6 m 中、低温压力容器用碳钢板制 造，该标准中的钢板分为四个强度级别，见表2 一l 。 表2 一ls a 5 1 6 级别分类 级别u s ( s i )抗拉强度k s i ( m p a ) 5 5 ( 3 8 0 )5 5 7 5 ( 3 8 0 5 1 5 ) 6 0 ( 4 1 5 )6 0 8 0 ( 4 1 5 5 5 0 ) 6 5 ( 4 5 0 )6 5 8 5 ( 4 5 0 5 8 5 ) 7 0 ( 4 8 5 )7 0 9 0 ( 4 8 5 6 2 0 ) 在国际工程中低温储罐使用钢材主要有a s m es a 5 1 6 系列的碳钢板，该钢板 符合a s t ma 2 0 a 2 0 m 压力容器用钢板通用要求标准中奥氏体细晶粒度的要求， 并且要求进行正火或淬火加回火的热处理过程，一般回火温度应不低于5 9 5 。c ( 1 1 0 0 。f ) ，保温1 2 h 以上。该种钢板常规化学成分要求见表2 - 2 n 表2 2s a 5 1 6 化学成分对比( 质量分数，) 元素 g r 5 5g r 6 0g r 6 5g r ，7 0 c 6 1 2 1 n ( 1 2 5 硼)0 1 8 0 2 10 2 402 7 6 i 2 2 i n ( 1 2 5 5 0 m m ) 0 2 0 0 2 30 2 60 2 8 6 2 4 i n ( 5 0 l o o m m )02 20 2 5o 2 80 3 0 8 4 8 i n ( 1 0 0 2 0 0 m m ) 0 2 40 2 70 2 90 3 1 6 8 i n ( 2 0 0 r a m ) 0 2 6o 2 70 2 9 0 3 l m n6 i 2 i n ( 1 2 5 m )熔炼分析。 0 6 0 0 9 00 6 0 0 9 008 5 l2 0 o 8 5 1 2 0 成品分析 0 5 5 o 9 80 5 5 o 9 80 7 9 1 3 00 7 9 1 3 0 8 i 2 i n ( 1 2 5 m )熔炼分析 0 6 0 1 2 0 0 8 5 l2 008 5 1 2 0o 8 5 1 2 0 成品分析 0 5 5 1 3 00 7 9 1 3 00 7 9 1 3 0 0 7 9 l3 0 s i熔炼分析 0 1 5 o 4 00 1 5 0 4 00 1 5 0 4 0 0 1 5 0 4 0 成品分析 01 3 0 4 5 0 1 3 0 4 50 1 3 0 4 501 3 0 4 5 p 。 0 0 3 50 0 3 500 3 5 0 0 3 5 s 0 0 0 3 50 0 3 50 0 3 5 0 0 3 5 注：对于熔炼分析和成品分析都适用。g r 6 0 板厚1 2 i n ( 1 2 5 r a m ) 时m n 含量熔炼分析 可为08 5 1 2 0 成品分析可为0 7 9 1 3 0 。 一 生垫三苎型堡塑塑! 堑! ! ! ! ：塑生堕垫兰丝堡塑堡堂塑墅堕 本论文试验用母材s a 5 1 6 g r 6 0 是韩国进口钢板，其化学成分、力学性能分 别见表2 3 、表2 - - 4 。 表2 3母材的化学成分( 质量分数，) 母材cs im nspc un i c rm o 提供值 0 1 2 8 0 2 1 50 9 1 6 o 0 0 0 5 0 0 0 70 2 6 20 0 9 90 0 6 9o 0 1 4 复验值 0 1 3 70 2 1 60 9 5 00 0 0 6o o 儿 母材a 1n bvt inb c e q 提供值 0 0 3 80 0 0 6 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 5 0 0 0 0