摘要：针对液氮管道服役过程中熔焊接头断裂失效问题，从母材、不完全重结晶区、重结晶区及焊缝金属各微区微观组织特征和管接头失效机理进行分析。研究发现，焊接热输入过大，焊缝金属生成二级魏氏体组织。中碳钢弯头含碳量较大，碳元素扩散进入焊缝金属，断裂位置淬硬倾向变大，加之焊接结构的应力集中及较低的服役温度，导致熔焊接头失效断裂。如若焊接中碳钢母材时控制热输入，并采用焊前预热及焊后缓冷，便可最大程度上防止熔焊接头在低温服役环境下产生断裂失效。
关键词：低碳钢;中碳钢;异质接头;显微组织;失效分析;
0 引言
液氮管道的服役温度为-196℃,属于低温压力管道。中高碳钢含碳量较高，可焊性差，焊后淬硬倾向及裂纹敏感性大。因此，低温管道中一般不选用中高碳钢作为母材。本案例中的液氮管道采用了低碳焊条焊接低碳钢直管和中碳钢弯头，该异质接头在服役过程中出现了断裂失效。近年来，诸多学者指明中碳钢焊接性差，但是中碳钢母材焊后微观形貌及中低碳钢异质接头的失效原理鲜有报道[1,2]。本文将从中低碳钢异质接头各微区微观组织、失效机理等方面对管路接头失效原因进行分析，并提出解决方法。
1 试验材料及方法
本案例中，直管及弯头材料分别为低碳及高碳钢，且采用规格为ϕ 2.5 mm×300 mm的CHE422药皮焊条。采用焊条电弧焊(SMAW)进行60° V型坡口单层对接焊，焊接设备选用ZX7-315D型直流焊机，焊接电流、电压分别为110 A、220 V。
试验中，采用WY-20BD光学显微镜对异质接头各微区的组织形貌进行探究，金相腐蚀试剂选用4%的硝酸酒精溶液。采用JSM-6360LV型扫描电子显微镜对熔合区两侧碳元素分布进行表征。
2 试验结果与分析
2.1 接头微区组织特征
如图1(a)所示，异质接头直管侧母材为低碳钢，其组织为亮白色的铁素体及深色的片状珠光体，典型的亚共析钢结构。焊后如不控制冷速，奥氏体空冷形成如图1(c)所示的三级魏氏体组织。其中亮白色为沿奥氏体晶界析出的先共析网状铁素体，深色为针状铁素体和渗碳体交替分布的富碳珠光体。魏氏体组织强度较低，低温韧性差。如果焊接能量输入过大，晶粒异常长大，即使焊后控制冷速，也会产生魏氏体组织。因此实际生产中，在保证焊接效率的前提下，控制焊接热输入可以很好地避免魏氏体产生[3]。
如图1(b)所示，A选区右侧形成了均匀且细小的珠光体和铁素体，这是由于该位置受热温度仅略微高于AC3,晶粒并未来得及发生长大。A选区的左侧位置相较于重结晶区而言距离焊接热源较远，受热温度在AC1和AC3之间，仅有部分奥氏体化的铁素体经焊后冷却后转变为细小的铁素体及珠光体组织。
异质接头另一侧为中碳钢弯头，组织为铁素体及少量球状珠光体，同样为亚共析钢结构。碳含量在0.5%以下的中碳钢焊后未采取缓冷措施时，奥氏体将以临界冷速过冷到Mf点以下，生成图2(c)所示的粗大的马氏体组织。马氏体组织强度及硬度虽然很高，但是塑韧性较差。如图2 (b)所示，B选区左右两侧分别为不完全重结晶区及重结晶区，受热情况与A选区相同。
焊缝金属的在焊后未缓冷，形成了二级魏氏体组织。其强度低、塑性及低温韧性差。采取焊前预热及焊后缓冷，可最大限度减少魏氏体组织对熔焊接头力学性能带来的危害。
2.2 断裂失效原因
管接头断裂位置为靠近弯头一侧的焊缝金属处，且断口处呈现锐角的缝隙，该处容易产生应力集中。应力集中会附加弯矩，降低材的低温冲击性能。当应力超出接头承载能力之后，焊缝金属处发生断裂。因此，管接头断裂失效的直接原因是焊接结构导致的应力集中。焊缝断口附近的二级魏氏体组织未出现扭曲变形，可认定为脆性断裂。
接头在过腐蚀之后热影响粗晶区严重变黑，而焊缝金属魏氏体组织依旧可见。这是由于两侧碳元素含量差异大，存在明显的碳元素分布梯度。通过熔合区两侧线扫描结果可以发现，在焊接过程中出现弯头和焊缝金属之间元素的互扩散现象，中碳钢弯头含碳量较高，碳元素在焊接热的影响下扩散进入焊缝金属之中，靠近熔合区的焊缝金属含碳量增加，淬硬倾向及低温脆性增大。因此，应避免中、高碳钢材料用于低温管道建造。中高碳钢焊接应采取焊前预热及焊后回火的方式，降低接头冷速，最大程度上减少熔焊接头的淬硬倾向。
液氮管道的服役温度为-196℃,而中低碳钢的韧脆转变温度一般为-20℃,管接头的服役温度低于韧脆转变线，会表现出较低的抗低温冲击性能，在服役过程中易产生低温脆断[4]。因此，一般选用深冷低碳钢作为低温管道的制造材料，而非本案例中的中碳钢弯头。
3 结论
1)由于焊接热输入过大，焊缝金属及其两侧低、中碳钢热影响粗晶区分别形成了过热的二级魏氏体、三级魏氏体组织及高硬度马氏体组织，整个熔焊接头的塑韧性较差。
2)焊接结构应力集中、过大的热输入及母材较高的碳含量三者的共同作用，导致了本案例的管接头在低温服役过程中的产生失效，因而在低温管路焊接中应避免使用中高碳钢作为母材。焊接中碳钢母材应控制热输入，并采用焊前预热及焊后缓冷，减少接头淬硬倾向，最大程度上防止熔焊接头在低温服役环境下产生断裂失效。
3)熔焊接头的断裂类型为低温脆断，断口附近魏氏体组织无拉伸变形。
参考文献
[1] 王必磊，李永灿，宋长江.关于低碳钢屈服延伸现象的研究现状[J].材料导报，2018,32(8):2659-2665.
[2] 孔德群，杨利，周建，等.低碳钢油管铜钎焊接头疲劳断裂分析[J].电焊机，2020,50(5):37-41.
[3] 杨胜涛.浅谈魏氏组织形成机理及对材料性能影响[J].河南科技，2014(4):76-77.
[4] 李滨，张锦，马荣华，等.影响G18CrMo2-6材料冲击性能的原因分析[J].铸造设备与工艺，2020(4):23-35.
推荐阅读：
