Cr18Ni9钢压力容器焊接工艺的研究-毕业论.doc

沈阳工学院毕业论文摘要 低温压力容器多数在低温高压下运行，必须要承受较高的载荷。因此，要求压力容器的焊缝和热影响区必须具有较高的强度、足够的冲击韧性，并且保证焊接接头无裂纹、夹渣、气孔等缺陷。本课题研究的是低温压力容器用不锈钢0Cr18Ni9焊接工艺的研究。针对0Cr18Ni9钢，分析了 0Cr18Ni9钢的焊接材料、焊接方法及焊接工艺。采用试板焊接和不同坡口形式对0Cr18Ni9钢焊接工艺进行了试验研究，用 JBD300 低温 Charpy 冲击试验机、硬度测试仪和焊接接头低温力学性能进行了测试。为探明焊接工艺对接头组织与低温断裂韧性的影响规律，对试样进行了光学显微观察、电子扫描电镜分析等试验。试验结果表明：0Cr18Ni9钢低温韧性的影响的基础上，根据相关试验标准对0Cr18Ni9钢焊接性进行了试验研究。组织金相图谱果表明，双面V形坡口的低温韧性与母材相比有所提高，但提高幅度相对粗晶区要小的多。热影响区的最高硬度 HV10在350左右，双面V形坡口和K形坡口的抗裂性能优良。 不同坡口接头的不同位置的冲击韧性变化很大，在熔合线附近低温冲击韧性最低，距离熔合线越近冲击功越小，越远冲击功越大。在熔合线上随着焊缝所占比例的增加，冲击试样的低温冲击功在不断减小。焊接试验表明，0Cr18Ni9钢在-165冲击功最低值为 75.7J(双面V形坡口)、71.3J(K形坡口)。能够满足 BS7777 和 ASME 标准中对低温储罐低温韧性的要求。 同过两种不同坡口形的对比双面V形坡口的个方面焊接性能要比K形坡口要好。关键词：低温压力容器；0Cr18Ni9钢；K形坡口；双面V形坡口Abstract Most low temperature pressure vessel under high pressure in low temperature operation, must carry the higher load. Therefore, the requirements of the pressure vessel welding seam and heat affected zone must have high strength, sufficient impact toughness, and ensure that welded joint has no defects such as cracks, slag inclusion and porosity. This topic is the study of the low temperature pressure vessels used stainless steel 0 cr18ni9 welding technology research. Aiming at 0 cr18ni9 steel, analyzes the 0 cr18ni9 steel welding material, welding method and welding technology. Use test board welding and different groove form of 0 cr18ni9 steel welding technology were studied, using the JBD - 300 cryogenic Charpy impact tester, hardness tester, and welded joint mechanical properties at low temperature was tested. Welding process of joint organization and its the influence law of fracture toughness at low temperature, optical microscopic observation of sample, test, such as electronic scanning electron microscopy (sem) analysis. Experimental results show that: 0 cr18ni9 steel on the basis of the influence of low temperature toughness, according to the relevant test standard of 0 cr18ni9 steel weldability is researched. Organization metallographic atlas fruit shows that double V groove of the low temperature toughness compared with the parent metal, but increase relatively coarse grain zone is much smaller. The highest hardness HV10 at around $350, double V groove groove and K the crack resistance of good performance. Different distance groove joint position change is very big, the impact toughness of lowest near the fusion line low temperature impact toughness, the closer distance fusion line of impact energy is smaller, and the greater the impact is. On the fusion line along with the increase of the proportion of weld impact specimen is that the low temperature decreases. Welding test showed that 0 cr18ni9 steel in low - 165 impact energy of 75.7 J (double V groove), 71.3 J (K) groove. Can satisfy the BS7777 and ASME standards for low temperature storage tank in low temperature toughness. With two different slope synchronized to contrast double V groove in the aspects of welding performance is better than K groove.Key words: low temperature pressure vessel; 0 cr18ni9 steel; K groove;Double V groove目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1低温压力容器介绍11.2 国内外研究与应用状况11.3低温压力容器所用材料31.4 0Cr18Ni9钢焊接中存在的问题41.5 本文主要研究目的及内容5第2章 试验材料与试验方法62.1 试验材料62.1.1 实验用钢的化学成分及力学性能62.1.2 试验材料的金相组织72.2 低温储罐用0Cr18Ni9钢的焊接方法72.3 热影响区的最高硬度试验92.4 力学性能试验102.4.1 试样的取样102.4.2 低温冲击试验112.5 焊接接头破坏性试验122.5.1 拉伸试验132.5.2 弯曲试验13第3章 0Cr18Ni9钢焊接工艺试验过程结果及分析153.1 试验样本制备153.2 热影响区的最高硬度试验结果及分析173.3 焊接接头的低温冲击试验结果及分析183.4 破坏试验结果及分析203.5 0Cr18Ni9焊接接头金相分析21第4章 结论及展望234.1 结论234.2 展望23参考文献24III第1章 绪论1.1低温压力容器介绍 低温压力容器是设计温度为-20以下的压力容器；液化乙烯、液化天然气、液氮和液氢、液氧等的储存和运输用容器均属低温压力容器。一般压力低温容器常用的铁素体钢在温度降低到某一温度时,钢的韧性将急剧下降，而显得很脆,通常称这一温度为脆性转变温度。低温压力容器在低于转变温度的条件下使用时，容器中如果存在缺陷、应力集中、残余应力等因素而起局部应力，低温压力容器就可能在没有出显塑性变形的情况下发生脆性破裂而造成酿成灾难性的事故。低温压力容器（如图1.1所示）是承受内外压力的设备，具有多种结构形式，基本组成由外套、封头、内胆、接管、支座、等构成，这些部件均需要通过焊接组装成为一个整体。因此，焊接过程是压力容器生产制造过程的核心内容。压力容器作为国民经济生产中的重要的特种设备，可分为石油化工容器、核反应堆压力容器和核电站锅炉三大类。虽然高强钢的大量应用,焊接压力容器仍在埋弧自动焊、电渣焊、手工电弧焊,这几种焊接方法为主,窄间隙焊接和气体保护药芯焊丝焊接为辅助焊接方法。一般在生产低温压力容采用自动埋弧焊、电渣焊、钨极氩弧焊和手工电弧焊。图1.1 低温压力容器1.2 国内外研究与应用状况 1944年美国公司INCO率先推出了具有良好的韧性的发展在低温-196的0Cr18Ni9高强度钢，1952年的低温压力容器，1956年列ASTM标准的建设。 1960年，美国CBI，INCO和美国钢铁公司在合作研究0Cr18Ni9钢的焊接性能，结果表明0Cr18Ni9不锈钢焊接接头性能良好，以满足低温压力容器的安全操作的要求。甚至消除焊接残余应力无焊缝热处理后确认断裂模型试验的0Cr18Ni9钢大型低温压力容器，也可以在低温下安全地使用，使0Cr18Ni9钢被广泛应用于低温压力容器的制造。 1962年ASTM标准确定，不超过38毫米的0Cr18Ni9钢的厚度可以不进行加热处理，以减轻焊接残余应力，在1963年和扩大至50mm。制作的0Cr18Ni9不锈钢是用于低温压力容器的建设成为可能。 0Cr18Ni9钢由于具有良好的低温韧性和能力抗脆性断裂发生，如液化天然气或液态氮已被广泛应用于各种世界各国用低温钢。这种材料具有优良的低温韧性和高强度。美国已经在-196对其进行了研究低温条件，并用于低温压力容器，目前在国外使用该钢铁制造液态氧，氨和液化天然气储罐储存，大多塑造双圆柱型压坦克。0Cr18Ni9钢自1940年以来，由于高强度，低温韧性，成本低于镍铬不锈钢正逐渐被广泛使用。到1982年，0Cr18Ni9钢已成为主要的低温压力容器所用材料。因此，0Cr18Ni9钢是国际上广泛使用，良好的可焊性，焊接技术已经成熟。从20世纪40年代到现在，一直存在到国外钢材的0Cr18Ni9不锈钢的0Cr18Ni9研究和开发的产品不断更新和发展不会中断，理论研究和工程开发的0Cr18Ni9不锈钢一直处于非常活跃的状态。 到1994年底，中国石化扬子石化公司，该公司计划安装一个低温液体储罐乙烯10000m。当时，它尚未建立，0Cr18Ni9钢国内相关研究0Cr18Ni9钢的焊接技术项目得到了全面的了解。 20世纪80年代，0Cr18Ni9球罐来自法国，上世纪进口到国内，建于1985年和1987年的大庆，1982年左右，公司引进燕化乙烯的0Cr18Ni9不锈钢罐，然后只追求所谓的低温韧性是好，0Cr18Ni9钢成为了最好的选择。然而，由于缺乏成熟的技术经验，因此，决定暂停引进的0Cr18Ni9钢乙烯球罐施工。 1984年，由于球壳半成品已交付，以避免经济损失，由哈尔滨焊接研究所和清华大学，对其焊接的焊接性和安全性问题进行了大量的试验，并在1983年和1985年曾举行的0Cr18Ni9钢焊接示范。后来0Cr18Ni9不锈钢不断发展起来，它具有良好的低温韧性，而且价格相对便宜。为了满足乙烯原料，国际不断增加市场供应，金丰乙烯锦州港股份有限公司投资了一个新的乙烯中转仓库设备在渤海之滨建成。其中，0Cr18Ni9钢产量10000m双层夹套低温罐结构乙烯是芯和工程难度很大。 1981年已经从法国引入7台同样的的设备。1996年首次建造同类型大型低温贮罐，锦丰储罐为目前国内的第三台。 0Cr18Ni9钢在全国低温压力容器始建于1999年，0Cr18Ni9钢低温压力容器都是进口的，从工艺细节设计到制造，全部都由承包方承担。根据大量文献资料的查阅来看，我国0Cr18Ni9钢的焊接工艺的研究很少。随着我国对0Cr18Ni9钢的需求的飞快增长，我国钢铁企业正在积极研发0Cr18Ni9钢的生产，已经已掌握了0Cr18Ni9钢的冶炼方法。然而，要把0Cr18Ni9钢投入到实际生产过程中去，必须解决0Cr18Ni9钢的焊接接头的低温韧性问题。因此对0Cr18Ni9钢的焊接工艺的研究就显得非常重要了，所以应该尽快研究出关于0Cr18Ni9钢一整套的焊接工艺的规范，为0Cr18Ni9钢的顺利投入到低温压力容器的制造中提供一定的试验及理论依据。 1.3低温压力容器所用材料 低温压力容器常用的材料主要包括镍铬合金钢、铝合金和碳锰硅钢等。铝合金一般使用在低温液体的运输容器、储存和生产、宇宙飞船、火箭结构中液体燃料和氧化剂的油箱材料。低温压力容器用钢一般是指锰硅合金和镍铬合金。可以根据不同的环境温度、不同合金含量、组织以及合金系统中的镍、铬元素含量把低温压力容器用钢钢进行细化分类。根据不同温度等级可以分为-20-40、-50-80、-100-110、-196-269四个级别。根据不同的合金元素内容和组织的不同可分为钢、低合金铁素体低碳合金马氏体钢和高合金奥氏体钢。根据合金的镍、铬元素在系统可分为无镍和镍,铬低温低温钢和钢。钢中合金元素的固溶强化、细晶强化、正火和回火后钢可以增强组织,并极大地提高钢的低温韧性,延长材料的使用寿命。相同规格的钢的增加,镍元素的内容可以使用相同条件下保证韧性温度可以大大减少。目前常用的低温压力容器钢材料的所有元素镍和铬元素,镍元素的影响低温钢板的低温韧性。如图 1.2 所示。 图1.2 镍元素对钢材低温韧性的影响 随着生产厂家对低温钢板力学性能的不断深入研究，用于低温、超低温的含镍钢板的种类不断的增加，形成了一系列的镍系低温钢家族，其中包括以下几种： 1）低镍钢：这种钢主要包括 0.5%Ni钢、1.5%Ni钢、2.5%Ni钢和 3.5%N钢这几种，使用温度常在-50-100左右，这种钢主要用于低温压力容器的制造。在壁厚大于30-50mm，要进行淬火和回火处理或在 Ac3 和 Ac1 之间的低温淬火和回火处理。 2）5.5%Ni 钢：它是这种钢中含碳量低、低温韧性高、磷硫等有害杂质少的基础上，降低了Ni含量，增加了 Mn 含量和 Cr、Mo 元素，有效防止了回火脆化，其性能与9%Ni钢相似，更为经济实惠。 3）9%Ni 钢：这类钢的特点就是镍含量高，在低温环境下能防止材料的脆性破坏。 1.4 0Cr18Ni9钢焊接中存在的问题 1）焊接热裂纹 热裂纹主要是由低熔点化合物所引起的。0Cr18Ni9钢中N元素的含量很高，合金中S、P 等杂质元素极易与Ni元素相结合形成熔点较低的化合物，造成了晶间偏析。0Cr18Ni9钢通常常采用Ni含量高的镍基焊材，焊缝组织为全奥氏体组织，而且具有有一定的热裂纹倾向。容易导致弧坑裂纹的出现，它的实质就是是一种沿晶间开裂的典型的凝固时产生的焊接热裂纹。所以要用砂轮对他的弧坑进行打磨，将弧坑的大部分裂纹磨除后在继续施焊。要彻底消除焊接热裂纹，就必须要严格控制 S、P等有害杂质的含量，采用合理的工艺进行焊接。 2）焊接冷裂纹 0Cr18Ni9钢抗焊接冷裂性能很好，正常条件下焊接时一般不会产生焊接冷裂纹。但是有时焊接工艺不当的情况下，就会存在一定的冷裂敏感性。尤其在使用低镍焊条焊接时，熔合线就会出现硬度较高的马氏体带，它对氢脆非常敏感。所以应该选用低氢、碳含量较低的焊条，合适的焊接工艺，并应该注意焊条的烘干、焊接的环境温度、湿度、层间温度和热输入控制，就会有效的防止焊接冷裂纹的出现。 1.5 本文主要研究目的及内容 通过对0Cr18Ni9钢的试验研究，了解工艺参数及焊接条件对0Cr18Ni9钢焊接接头的低温韧性的影响。从而确定一个适合0Cr18Ni9 钢的焊接工艺规范。本课题旨在对美国、欧洲、日本等已成熟的0Cr18Ni9钢焊接技术分析研究的基础上，参考国外相关标准，通过双面V形坡口、K形坡口和试板焊接对0Cr18Ni9钢的焊接工艺进行研究。确定适合0Cr18Ni9钢的焊接材料，焊接工艺。对0Cr18Ni9钢应用于实际应用，具有指导意义。本文主要从以下几方面进行了研究工作： (1) 对0Cr18Ni9钢的焊接性进行理论研究分析，并通过试验对0Cr18Ni9钢的焊接性进行分析、研究； (2) 采用双V形坡口和K形坡口在同焊接参数下进行焊接性能试验比较二者的焊接性能； (3) 对0Cr18Ni9钢不同坡口形式下焊接接头低温韧性进行试验研究，并探讨影响其接头低温韧性的因素； (4) 确定0Cr18Ni9钢实际应用于低温压力容器制造的焊接工艺规范。 第2章 试验材料与试验方法 2.1 试验材料 本实验所用的钢为0Cr18Ni9钢。研究0Cr18Ni9钢的焊接工艺，选择适合的焊接所用材料，并制定了合理的焊接工艺评定。主要分析了0Cr18Ni9钢的化学成分、金相组织以及焊接接头的低温韧性性能等方面对0Cr18Ni9钢进行了探讨。 2.1.1 实验用钢的化学成分及力学性能 0Cr18Ni9钢的焊接所用材料的化学成分如表 2.1，力学性能如表 2.2。 表2.1 0Cr18Ni9不锈钢的化学成分C,% Si,% Mn,% S,% Ni,% Cr,% N,% 0.08 0.75 2.00 0.02 8.0010.50 18.0020.00 0.1表2.2 0Cr18Ni9不锈钢的力学性能b,Mpa 0.2,Mpa , % , % 硬度，HBW205 520 40 60 187 0Cr18Ni9钢中Ni和Cr是主要的元素。0Cr18Ni9钢中的Ni元素起到改善0Cr18Ni9钢的低温韧性和降低脆性转变温度点的性能、降低奥氏体转变点、细化晶粒的作用。大大提高了铁素体的韧性，有利于起到抗裂和阻止裂纹扩展的作用。Ni的固溶，增加了机体的交叉滑移能力，减少了间隙原子与位错的交互作用。 0Cr18Ni9钢的低温韧性也会受到其它化学元素的影响。Ni元素容易与S、P等有害元素结合形成熔点较低的化合物。所以应该要严格控制 S、P 等有害元素的含量，最大限度地降低钢中的有害杂质元素。含碳量的升高也会影响脆性转变点的升高。钢中降低含碳量，可以得到很低的脆性转变温度。S、P含量降低也会显著提高0Cr18Ni9钢的低温冲击韧性。锰元素同镍元素一样，能使0Cr18Ni9钢的相变温度降低，容易得到细而富有韧性的铁素体相。由于近年来冶炼技术的提高，0Cr18Ni9钢的纯净度得到提高，高纯净化对0Cr18Ni9钢的极限工作温度（-196）下的缺口冲击韧度起到了相当良好的作用，不但明显地提高0Cr18Ni9钢的低温冲击韧性，也改善了0Cr18Ni9钢的机械加工性能，也提高了0Cr18Ni9钢的焊接性能和热加工性能。 2.1.2 试验材料的金相组织 0Cr18Ni9钢的金相组织如图 2.1 所示，为单相奥氏体。图 2.1 0Cr18Ni9钢母材金相照片2.2 低温储罐用0Cr18Ni9钢的焊接方法 低温储罐常用的焊接方法有埋弧焊、手工焊条电弧焊、钨极氩弧焊、TIG焊等。目前，在低温压力容器的建造中，主要使用的是埋弧焊自动焊和手工焊条电弧焊。 手工焊条电弧焊的焊接方法适用于各种焊接位置而且非常灵活，但是这种焊接方法对焊工的技能水平和手法要求都很高，而且效率比较低。但在0Cr18Ni9钢低温压力容器制造及修复中是不可缺失的一种有效的焊接方法。 埋弧自动焊是熔敷速度最高的一种焊接方法，特别是在低温压力容器环缝的焊接时，焊接非常稳定，焊缝质量很高。非常适合焊接低温压力容器中的横焊和平焊位置的焊缝。焊接时热输入过大，很容易造成热影响区的晶粒粗大，可以对焊接线能量必须加以控制。 钨极氩弧焊可以得到窄坡口的高质量的焊接接头，令人满意的焊缝形状。但钨极氩弧焊的焊接效率太低，并且使用成本高，不适宜在户外操作。但是钨极氩弧焊可以有效提高焊缝的质量，有效降低焊缝中的杂质含量。 本论文中所采用的焊接方法是手工电弧焊。 0Cr18Ni9钢的工作温度可以达到-196的超低温环境，因此使用的焊接材料要保证焊接质量，也必须要保证焊缝在低温韧性的问题。此外，焊接材料与母材的的热膨胀系数要相接近，如果二者之间相差太大，就会会引起较大的应力，从而导致焊接接头接头处的性能大幅度下降。同时焊接接头在冷却后焊接应力也会大幅度增加，还有可能会出现焊接裂纹的缺陷，焊接接头的韧性大幅度降低。因此焊接接头的热膨胀系数应该与0Cr18Ni9钢母材的相接近。目前，用于0Cr18Ni9钢的焊接材料都为含 Ni 焊材，根据含Ni量分类，可分为： 1） 含Ni量在 11的奥氏体型焊接材料 含量在11%的奥氏体型焊接材料的含Ni量少、成本比较低，但是不适于用于焊接工作中大多要求的低温压力容器制造。这种焊接材料的成分与0Cr18Ni9钢接近，可用来焊接0Cr18Ni9钢，所得焊缝如果不进行焊后热处理，它的低温韧性就会低于母材。 2）含Ni量在 13-16的奥氏体不锈钢，这种焊接材料的强度高，低温韧性较差、线膨胀系数也比母材大很多，易在熔合区出现脆性组织。采用奥氏体型焊接材料焊接0Cr18Ni9钢时，熔合区的硬度明显增高。3）含Ni量在40的Ni基和含Ni量在60以上的Ni基焊接材料韧性都很好，线膨胀系数与0Cr18Ni9钢相似。但成本很高，高Ni含量的焊接材料形成的焊缝组织均为奥氏体，焊接接头的强度要低于母材的强度。焊接材料中的含Ni量高，加上奥氏体焊缝结晶的特点，焊接过程中就会增加热裂敏感性，会出现弧坑裂纹。Ni基合金焊接材料的熔点一般要比0Cr18Ni9钢低 100左右，焊接时熔深浅，容易出现未焊透现象，因此焊接线能量也不能太小。 3） 在低温压力容器的实际工程中，0Cr18Ni9钢一般在-162以下的低温环境下，其焊缝的低温韧性是要考虑的最关键因素。通常都是选用镍基焊接材料为0Cr18Ni9钢低温储罐的焊接材料。 本文焊接试验中所选用的焊接材料选用的不锈钢焊条型号为E308-15，牌号为A107(规格为4.0）。其化学成分及力学性能见表2.3和表2.4。 表2.3A107焊条化学成分化学成分 C S Mn Si P Cr Ni 质量分数/% 0.08 0.02 0.52.5 1.0 0.03 18.021.0 9.011.0表2.4 A107焊条力学性能 抗拉强度b,% 伸长率,% 550 30.0使用镍基焊接材料时应当注意几点问题： 1）镍基合金焊接材料的导热性较差，焊接时容易过热导致晶粒长大，所以要用小的焊接热输入，焊接时不需要预热，焊条不能摆动过大，收弧时应该注意填满弧坑，让层间温度保持在很低的状态下，一般控制在150以下左右； 2）镍基焊接材料比0Cr18Ni9钢的熔点要低上100左右，在焊接过程中如果热输入小的情况下，就会会形成熔合不良的缺陷。 3）镍容易与S、P等杂质元素结合形成低熔点化合物，焊接时易在焊缝中形成焊接热裂纹的缺陷。所以，必须严格控制焊条中 S、P 等杂质的含量，焊接前认真清除母材表面的油、水、氧化皮等污染物。 2.3 热影响区的最高硬度试验 热影响区的最高硬度试验常用来评定钢材热影响区中冷裂纹的评定。实验方法可按照 GB/T4675.5-1984焊接热影响区最高硬度试验方法的规定进行。 根据GB/T4675.5-1984中规定试件标准厚度为20mm，若板厚超过20mm，必须机械加工成 20mm，并保留一个轧制表面。如果小于20mm 就不需要进行加工。焊接之前应该除去试件表面有害的油、水、氧化皮等，试样的两端架空。分别在预热温度下和室温下进行焊接操作。采用平焊位置进行焊接，焊接规范为，焊接电流16010A，焊接电压242V，焊接速度为16010mm/min。 焊接过后12小时后才能进行硬度的试验，取样后要尽快进行硬度试验。硬度试验的检测点位置见图 2.2 所示，划一道平行于表面且切于熔合线底部切点O的直线，每隔0.5mm进行室温下，载荷10kg的维氏硬度的测定，切点O及其两侧各取7个以上的点作为硬度的测定点。 图 2.2 热影响区的最高硬度测试示意图2.4 力学性能试验 2.4.1 试样的取样 焊接接头的力学性能试验的取样参照 JB 4708-2000 钢制压力容器焊接工艺评定在试板上截取试样。面弯、背弯、拉伸试样各取两个，冲击试样，每个区域取 3 个试样进行试验。详见图 2.4，试验取样示意图所示。图 2.4 试验取样示意图图 2.5 JBD-300 低温冲击试验机器试验设备： 低温冲击试验在型号为JBD-300C（见图 2.5）超低温冲击试验机上进行操作。本机为全自动冲击试验机，采用单片机控制，电动扬摆、冲击，工作效率高、测试精度高。在冲击试样后可利用剩余能量自动扬摆，做好下次试验准备，操作简便，工作效率高。在连续做冲击试验的试验室和大量做冲击试验的冶金、机械制造等行业更能体现其优越性。JBDS-300B型采用液氮制冷,温度调节均为电气自动控制,配备专用送样装置自动送料,试样自动端面定位,确保试样出炉至冲击时间不大于2秒,满足金属低温夏比冲击试验方法的要求.2.4.2 低温冲击试验 低温冲击试验应选择在-165下进行低温冲击试验，试验采用V形缺口的试样。每组试验取3个试样。此次实验试验方法和试样制备按照 GB/T2550-1989 中的规定进行。试样尺寸101055mm 带V形缺口的标准试样。试样的尺寸和偏差之符合图 2.6 的规定。试验缺口底部保证光滑，不允许有与缺口轴线平行的明显划痕。焊缝、热影响区试样的缺口位置示意图分别见图 2.7 a、b。 图 2.6 标准夏比 V 形缺口冲击试样a 焊缝b 热影响区图 2.7 冲击试样示意图 2.5 焊接接头破坏性试验 本试验对双V形坡口和K形坡口的试板进行的拉伸、面弯及背弯测试。 2.5.1 拉伸试验 拉伸试验参照标准钢制压力容器焊接工艺评定规定JB4708-2000 钢制压力容器焊接工艺评定规定进行，其试样尺寸见图 2.8。 拉伸试验设备 拉伸试验设备为 MTS 809 Axial/Torsional Test System，见图 2.9。其中 h为19夹持距离，由机器定，s 为试样厚度。本试验取 h100mm，s10mm。 图 2.8 焊接接头拉伸试样图 图 2.9 MTS 809 Axial/Torsional Test System2.5.2 弯曲试验 弯曲试验根据标准 JB4708-2000 钢制压力容器焊接工艺评定规定进行。面弯和被弯试样尺寸如图 2.9a、2.9b 所示。 a 面弯试样b 背弯试样图 2.9 弯曲试验取样图第3章 0Cr18Ni9钢焊接工艺试验过程结果及分析3.1 试验样本制备 本试验对其焊条电弧平焊和电弧横焊进行了试板焊接试验。 焊条电弧焊试板焊接试验共进行了 20mmV形坡口和 20mmK形坡口的两种焊接工艺规范的焊接：使用的焊接设备是北京时代逆变公司旗下的锐龙ZX7-400G逆变直流手工电弧焊机。 焊接规范 1：双面 V 形坡口，焊接工艺的参数见表 3.1。 表 3.1 双面 V 形坡口焊接的工艺参数试 样编 号牌号直径（mm)电流(A)电压范围(V)焊接速度(cm/min)热输入(KJ/mm)1A107416022101.972A107416022151.333A107416022121.644A1074160226.53.66焊接方法：SMAW； 试验材料：0Cr18Ni9钢板材； 坡口形式：双面 V 形； 钢板厚度：20 mm； 焊缝长度：450 mm； 焊接材料：A107，4mm； 焊接电源种类：直流； 预热温度：不预热； 坡口加工：机械加工； 焊接接头的形式设计：接头尺寸见图 3.1a 所示，3.1b 为焊接完毕的接头。 ab图 3.1 双面 V 形坡口的接头 焊接规范 2：K 形坡口，焊接工艺的参数见表 3.2。 表 3.2 K形坡口焊接的工艺参数试样 编 号牌号直径（mm)电流(A)电压范围(V)焊接速度(cm/min)热输入(KJ/mm)1A107416022102.102A107416022151.393A107416022121.754A1074160226.52.11焊接方法：SMAW； 试验材料：0Cr18Ni9钢板材； 坡口形式：K 形； 钢板厚度：20mm； 焊缝长度：450mm； 焊接材料：A107，4mm； 焊接电源种类：直流； 预热温度：不预热； 坡口加工：机械加工；焊接接头的形式设计：接头尺寸见图 4-2a 所示，图 4-2b 为焊接完毕的接头。（a）（b）图 4.2 K 形坡口的接头3.2 热影响区的最高硬度试验结果及分析 热影响区的最高硬度试验根据第2章热影响区最高硬度试验方法进行。硬度测试点取点位置如图 2.2 所示。 用各坡口的1号试样所得试验数据见表 3.3和图 3.4。 表 3.3 热影响区的硬度值距切点线距离双V54.543.532.521.510.5HV10296304312319326332342352314276距切点线距离K形54.543.532.521.510.5HV10298306314315322329338351316294图 3.4 热影响区的硬度变化图 从表 3.3.和图3.4可以看出，双面V形坡口和K形坡口在焊接 HAZ 的熔合线的粗晶区硬度都很高，离熔合线越远双面V型坡口和K型坡口的硬度越跟母材的硬度相接近。从此可以分析出，0Cr18Ni9钢双面V形坡口和K型坡口HAZ及熔合线粗晶区最高硬度为352HV10和351HV10，二者的最高硬度都表明0Cr18Ni9钢的淬硬倾向不大。 3.3 焊接接头低温冲击试验结果及分析 试验方法如第二章低温冲击试验方法所述，试验温度为-165，分别对焊缝、热影响区进行了低温冲击试验。不同坡口形式焊接接头不同位置的2号试样的低温冲击试验结果见表 3.4、3.5。表 3.4 双V坡口焊接接头的低温冲击功焊接接头位置冲击功AKV/J平均冲击功AKV/J焊缝959010095.1JFL65748874.7JFL+1mm122141121128.7JFL+3mm240227218229J母材278290290286J表3.5K形坡口焊接接头的低温冲击功焊接接头位置冲击功AKV/J平均冲击功AKV/J焊缝90879490.7JFL60738371.3JFL+1mm119139119125.7JFL+3mm235224215224.7J母材278290290286J注：FL为熔合线。 表3.6、3.7 为 双面V 形坡口和K形坡口焊缝熔合线上，热影响区与焊缝占不同比例低温冲击的试验结果。表 3.6 双面V形熔合线上不同焊缝含量的冲击功焊缝含量%冲击功AKV/J平均冲击功AKV/J30215175175189.2J50174162171168J70150112124128J100949210095.2J表 3.7 K形熔合线上不同焊缝含量的冲击功焊缝含量%冲击功AKV/J平均冲击功AKV/J30214170170189.2J50173160139168J70145109121128J10092889995.2J 从表 3.4、3.5 中可以看出，不同坡口形式焊接接头的不同为的冲击韧性变化大，在距离熔合线附近的低温冲击韧性最低，距离熔合线越近的地方冲击功越小，越远冲击功越大。不同坡口熔合线上的冲击功分别为74.7J(双面V形坡口)71.3J(K形坡口)、，焊缝处的冲击功为 95.1J(双面V形坡口)、90.7J(K形坡口)，熔合线1mm 处的冲击功达到 128.7J(双面V形坡口)、125.7J(K形坡口)，再远离熔合线的时候，冲击功越来越大，最后达到母材水平。这是因为在熔合线附近的热影响区受到了严重过热作用，有很明显的化学不均匀性，导致引起组织的不均匀，其组织为粗大的马氏体和少量的铸造组织，韧性偏低，脆性过大，是0Cr18Ni9钢焊接接头中最薄弱的区域，也是整个焊接接头韧性的谷区。从表3.6、3.7中可以看出，随着焊缝所占比例的增加，低温冲击功在不断减小。 本试验所选用的焊条为镍基型焊条。与其它不同的焊材相比较，焊缝的低温韧性得到大大的提高，但是焊缝的强度有小幅度下降。由于考虑到试验中所选用材料的低温冲击韧性是焊接接头的首要因素的情况下，尽可能的提高焊件接头的低温韧性，所以使用的是镍基的焊条。其-165低温韧性值达到 95.3J(双面V形坡口)、90.7J(K形坡口)，两种坡口形式都达到了 BS7777低温储罐焊接接头冲击功不低35J 的要求。但是双面V形破口的低温韧性比K形坡口要好。对低温压力容器安全性能有很大作用。 3.4 破坏试验结果及分析 破坏性试验根据国家标准GB2653 焊接接头弯曲试验和 GB2651焊接接头拉伸试验来制备试件进行试验。分别对0C18Ni9钢双面 V 形坡口和 K 形坡口焊接接头3号、4号进行了破坏性试验，试验结果见表 3.8 所示：表 3.8 焊接接头破坏性的试验结果破口形式试验类型34双面 V 形拉伸 实 验强度(MPa)684696断裂位置母材母材弯曲 实验面弯弯曲角度180180结果无明显缺陷无明显缺陷背弯弯曲角度180180结果无明显缺陷无明显缺陷K形拉 伸实 验强度(MPa)672667断裂位置母材母材弯曲 试验面弯弯曲角度180180结果无明显缺陷无明显缺陷背弯弯曲角度180180结果无明显缺陷无明显缺陷 通过对表3.8的试验结果的分析表明，该焊接工艺下的0Cr18Ni9钢的焊接接头性能良好。0Cr18Ni9钢的双面 V 形缺口与 K 形坡口的焊接接头的性能良好。都没有明显的缺陷出现。 3.5 0Cr18Ni9焊接接头金相分析双面V形坡口的焊缝金相组织 K形坡口的焊缝金相组织图 3.5 0Cr18Ni9钢焊接热影响区组织 图 3.5 为0Cr18Ni9钢焊条电弧双面V形坡口和K形坡口的焊热影响区金相组织照片。焊缝熔合线附近粗晶区的金相组织，该区受到接近熔点的焊接热循环的影响，组织完全奥氏体化，已经去除了母材原有的热处理性能。该处所受的热循环温度大约再 800900左右，该温度在 Ac3 以上。相当于0Cr18Ni9钢的正火温度。该区的组织为奥氏体基体上含有针状铁素体和少量的马氏体组织，晶粒比粗晶区要细小的多，其韧性也要高。该区的热循环温度大约再 500-600度。双面V形坡口的低温韧性与母材相比有所提高，但提高幅度相对粗晶区要小的多。第4章 结论及展望4.1 结论 综合以上试验及试验结果，总结如下： 1. 在分析了合金元素对0Cr18Ni9钢低温韧性的影响的基础上，根据相关试验标准对0Cr18Ni9钢焊接性进行了试验研究。结果表明，最高硬度 HV10在350左右，双面V形坡口和K形坡口的抗裂性能优良。 2. 不同坡口的接头的不同位置的冲击韧性变化很大，在熔合线附近低温冲击韧性最低，距离熔合线越近冲击功越小，越远冲击功越大。在熔合线上随着焊缝所占比例的增加，冲击试样的低温冲击功在不断减小。 3. 焊接试验表明，0Cr18Ni9钢在-165冲击功最低值为 75.7J(双面V形坡口)、71.3J(K形坡口)。能够满足BS7777和ASME标准中对低温储罐低温韧性的要求。 4. 同过两种不同坡口形的对比双面V形的坡口的个方面焊接性能要比K形坡口要好。4.2 展望 0Cr18Ni9钢，因其强度高、低温韧性好，已成为制造大型低温低温储罐的首选材料。 含碳量的降低和有害杂质的去除对0Cr18Ni9钢热影响区的组织起到改善作用，但是对于0Cr18Ni9钢更深层次的原理的研究还有待于进一步的深入研究。 由于各种实验的条件限制，0Cr18Ni9钢在制造低温压力容器的实际工程应用的试验没能进行。由于本课题是实践性很强的课题，仅仅从实验室的测试结果是不够的，还必须通过实际生产的考证，得到现场的报告，才能最终确定实际焊接时，材料的实际使用性