A514材料焊接工艺及焊后时效研究.docx

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A514材料焊接工艺及焊后时效研究

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[关键词]ASTMA514GrF钢材；焊接工艺；焊后时效

0引言

随着油田压裂作业要求的提高，压裂用柱塞泵的排出压力和可靠性要求也越来越高。因此作为柱塞泵的主要承力结构的泵壳体也要求具有更高的强度。以往泵壳采用Q345D焊接而成，在油田使用中屡次发生开裂，现在采用ASTMA514钢板，能大幅提高泵壳的强度，减少和规避开裂风险。本文针对A514GrF的钢板焊接的风险做了一些理论分析，对焊接工艺进行了一些试验和研究工作。

1焊接母材及材料分析

1.1母材

1.2材料分析：

ASTMA514GrF属于高屈服强度、调质合金钢，具有很高的屈服强度和抗拉强度、良好的缺口韧性及耐腐蚀性。此类钢是在低碳的基础上加入Cr，Mo，V，Cu等元素改善其淬透性和抗回火软化的倾向，在轧制与热处理的过程中形成低碳马氏体和上贝氏体的混合组织，淬透倾向相当大，有一定冷裂倾向。通过化学成分分析及模拟试验发现，该钢在焊接时容易出现裂纹或韧性下降的现象。

1.2.1裂纹倾向

按照国际焊接学会推荐的碳当量公式CEN＝w（C）＋16w（Mn）＋15［w（Cr）＋w（Mo）＋w（V）］＋115[w（Ni）＋w（Cu）］，（%），计算，该钢的平均碳当量达0．78%，表明其焊接热影响区淬硬倾向较大，有较强的冷裂纹敏感性。一方面，该钢淬硬之后产生脆硬的马氏体组织，从金属的强度理论可知，马氏体是一种粗大晶粒的脆性组织，断裂时总是消耗较低的能量，因此，焊接接头中有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展。另一方面，该钢淬硬倾向增大，导致位错密度大幅度增加，相当于增加了许多先天性的裂纹源，在应力的作用下不断扩展，最终形成宏观裂纹[2]。

1.2.2氢致裂纹

A514钢材属于合金钢，然而氢却是焊接合金钢的最大敌人。在非常高的焊接热情况下，熔融的金属会通过焊接电弧将氢吸收，当金属固化时，焊缝处容纳氢的能力将大大降低，氢将会从焊缝表面溢出。然而，在金属冷却的过程中，保留在焊缝中微量的氢能造成焊缝开裂或者热影响区开裂。氢导致焊接表面产生的裂纹肉眼是看不见的，但是却是合金钢焊接的常见缺陷[3]。

在焊接A514钢材时试用E6010号焊条，这种焊条具有较高的“氢”含量，从图中可以看出在焊缝下面清晰可见的裂纹几乎贯穿了整个热影响区。焊缝在含氢时结构并不牢固，由于裂缝的存在几个焊接板块之间并没有完全连接起来。含氢裂纹的存在意味着焊缝的强度取决于裂纹扩展的深度，其承载能力可能比预期的要低得多。

1.2.3晶粒过大

在焊接时，焊缝两侧的各个不同位置经历不同的焊接热循环，距离焊缝边界越近，其加热的峰值温度越高，并且加热速度和冷却速度也越快。在焊接热循环作用下，焊缝两侧母材的组织和性能发生明显的改变。这一区域随距焊缝熔合线距离的不同、加热峰值温度的不同又可分为过热区（粗晶区）、正火区（细晶区）及不完全相变区（混合区）。在这3个区域中，过热区（晶粒长大严重）和不完全相变区（M－A组织存在）往往冲击韧性较差，是焊接接头的薄弱环节[4]。

通过以上材料分析得知，为了不降低焊接接头的力学性能，在焊接时，应控制冷却速度，使得形成马氏体进行自回火，加上适度的预热温度，并且严格控制焊接过程中的氢含量，可以避免冷裂纹。然而，过高的能量输入和层间温度会降低焊接接头的韧性和强度，为了保护焊缝和热影响区的组织晶粒，则应对焊接的能量输入和层间温度进行限制。

除此之外，由于产品结构的特点，为了防止机械加工过程中或加工后产生变形导致尺寸公差超标，焊接完成后需要进行消除应力处理，然而根据以上分析，时效温度不能过高，因此只能采用低时效温度和长时效时间的工艺方法[1]。

综上所述，A514在生产过程中应控制的工艺要点为：1.严格控制焊接过程中氢含量，2.采取适当的能量输入和层间温度，3.低时效温度和长时效时间。

2焊接过程

2.1材料的切割和接头坡口的准备

A514钢材材料的切割和坡口的准备，可以通过氧乙炔切割或电弧切割。采用手工切割或者机器切割，参照AWS（美国焊接学会）中的惯例和建议。板材厚度在75毫米及以下时，不需要预热处理。在切割板材时温度不能低于10℃。板材厚度在75毫米以上时，最小预热温度为150℃，尽量减小边沿处产生的裂纹。预热温度在230℃以上时在热切割区会形成一个过于宽的热影响区，在这个区域会显著降低材料的力学性能。当要求严格的成型加工作用在板材热切割边缘时，通过机加工去除热影响区能将边缘处可能产生的裂纹降低到最小。（参见板材说明书）

为了加工方便，本次实验坡口采用V型坡口，无垫板，接头细节如下图

焊丝使用前必须保持密封状态，拆封后不能在焊机上过夜。若超过一天则根据要求进行烘干。焊条如果暴露于大气中超过0.5小