13MnNiMoR鋼板焊接性研究

張 熹，陳延清，章 軍，許良紅，隋鶴龍，董現(xiàn)春，張 楠，牟淑坤

(1.首鋼技術(shù)研究院 用戶技術(shù)研究所，北京 100041；2.首鋼技術(shù)研究院 寬厚板研究所，北京 100041)

13MnNiMoR鋼板焊接性研究

張 熹1，陳延清1，章 軍1，許良紅1，隋鶴龍2，董現(xiàn)春1，張 楠1，牟淑坤1

(1.首鋼技術(shù)研究院 用戶技術(shù)研究所，北京 100041；2.首鋼技術(shù)研究院 寬厚板研究所，北京 100041)

采用熱模擬技術(shù)測(cè)定13MnNiMoR鋼板焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，確定焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織轉(zhuǎn)變規(guī)律；通過最高硬度試驗(yàn)、斜Y坡口試驗(yàn)確定了最佳焊前預(yù)熱溫度和再熱脆化溫度敏感溫度區(qū)間；粗晶區(qū)熱模擬試驗(yàn)確定了該鋼種的焊接工藝適應(yīng)性；結(jié)果表明13MnNiMoR鋼板具有良好的焊接性，該結(jié)果對(duì)制定合適的焊接工藝有重要參考意義。

低合金高強(qiáng)鋼；熱影響區(qū)；組織轉(zhuǎn)變；焊接性

0 前言

13MnNiMoR鋼作為一種低合金高強(qiáng)鋼廣泛應(yīng)用于鍋爐氣泡等壓力容器的制造。為保證其常溫和中溫性能，13MnNiMoR鋼合金元素含量較高，淬硬傾向較高，熱影響區(qū)易形成淬硬組織，在焊接時(shí)易形成延遲冷裂紋，焊前需預(yù)熱；由于13MnNiMoR鋼通常在中溫長(zhǎng)期工作，為保證其熱強(qiáng)性需加入較多Mo、Cr、Nb等合金元素，這些合金元素均為碳化物形成元素，在焊后去應(yīng)力處理時(shí)，該碳化物易在晶界偏聚從而導(dǎo)致再熱裂紋的出現(xiàn)，因此有必要確定其再熱裂紋溫度敏感區(qū)間，避免出現(xiàn)再熱裂紋[1-9]。壓力容器在焊接后和去應(yīng)力處理后都要進(jìn)行嚴(yán)格的無損檢測(cè)，以檢測(cè)各種裂紋，因此研究熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變規(guī)律并確定合適的預(yù)熱溫度和去應(yīng)力熱處理溫度是非常必要的。此外，鍋爐氣泡對(duì)焊接接頭力學(xué)性能有一定要求，焊接熱輸入對(duì)焊接接頭最薄弱環(huán)節(jié)——粗晶區(qū)的影響，直接了決定該鋼種的焊接工藝適應(yīng)性，對(duì)制定合理的焊接工藝有著重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼板為厚55 mm 13MnNiMoR合金容器鋼板，該鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。母材金相組織如圖1所示，為貝氏體+珠光體組織。

2 粗晶區(qū)組織轉(zhuǎn)變規(guī)律

利用Gleeble2000熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)定焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，設(shè)計(jì)了14種冷卻速率，熱模擬后通過金相觀察得到熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織轉(zhuǎn)變與t8／5的關(guān)系，如圖2、圖3所示，各相比例隨t8／5的變化規(guī)律如圖4所示。

表1 母材化學(xué)成分Tab.1 Chemical content %

表2 母材力學(xué)性能Tab.2 Mechanical property

圖1 母材金相組織Fig.1 Metallurgical structure

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論： (1)在研究的冷卻速率下，粗晶區(qū)只存在M+B、 B、B+F(M為馬氏體，B為貝氏體，F(xiàn)為鐵素體)三種組織轉(zhuǎn)變。

圖2 粗晶區(qū)組織隨t8／5的轉(zhuǎn)變規(guī)律Fig.2 Relationship between coarse grain zone microstructure and t8／5

(2)t8／5＜150 s時(shí)，發(fā)生M+B組織轉(zhuǎn)變，且隨著t8／5的增加，M比例減少，B比例增加；150 s＜t8／5＜600 s時(shí)，只發(fā)生B組織轉(zhuǎn)變，且隨著t8／5的增加B組織粗化；t8／5＞600 s時(shí)，發(fā)生B+F組織轉(zhuǎn)變，隨著t8／5的增加，F(xiàn)比例有所增加，B組織減少。

(3)在常規(guī)熱輸入范圍內(nèi)，即t8／5＜20 s時(shí)粗晶區(qū)硬度大于臨界值350 HV10，具有較高的淬硬傾向，需要進(jìn)行焊前預(yù)熱。

圖3 焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Fig.3 Welding continuous cooling transformation curve

圖4 相比例隨t8／5的變化規(guī)律Fig.4 Relationship between phase proportion and t8／5

3 冷裂紋敏感性

3.1 Ceq和Pcm的計(jì)算

按照日本焊接協(xié)會(huì)推薦的碳當(dāng)量和冷裂紋敏感指數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算得到Ceq＝0.53%和Pcm＝0.26%，分別大于臨界值0.40%和0.20%，表明該鋼種具有較高的淬硬傾向和冷裂紋敏感傾向。

3.2 最高硬度試驗(yàn)

對(duì)厚55 mm 13MnNiMoR鋼板進(jìn)行了熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境：室溫7℃，相對(duì)濕度30%。分別進(jìn)行室溫不預(yù)熱、預(yù)熱100℃和150℃三種試驗(yàn)條件下熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)用試板的加工方式和硬度測(cè)定按GB 4675.5-2008《焊接性試驗(yàn)-焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

試驗(yàn)用電焊條為四川大西洋生產(chǎn)的φ 4.0 mm CHE607Ni焊條(焊前進(jìn)行350℃×2 h烘干)。焊接工藝參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。焊后試板經(jīng)解剖，以切于焊接熔合線底部切點(diǎn)為0點(diǎn)，左右每隔0.5 mm作為硬度的測(cè)定點(diǎn)，兩側(cè)各測(cè)試七個(gè)以上點(diǎn)(載荷為10 kg)。

表3 最高硬度試驗(yàn)工藝參數(shù)及結(jié)果Tab.3 Welding parameters and results of maximum hardness test

試驗(yàn)結(jié)果：13MnNiMoR鋼板的淬硬傾向較大，室溫7℃不預(yù)熱下施焊，最高硬度為389 HV10，大于國(guó)際焊接協(xié)會(huì)規(guī)定的臨界值350 HV10；經(jīng)過預(yù)熱100℃和150℃后進(jìn)行施焊，熱影響區(qū)最高硬度分別降到376 HV10和372 HV10，熱影響區(qū)的最高硬度仍較大，說明焊前預(yù)熱對(duì)降低其淬硬傾向有一定的作用，但預(yù)熱150℃后該鋼淬硬傾向仍較高。

3.3 斜Y冷裂紋敏感性試驗(yàn)

斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)按GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行。焊前試板分別進(jìn)行100℃和150℃預(yù)熱，每種預(yù)熱溫度焊接試樣兩塊，試樣尺寸示意如圖5所示。試板焊后經(jīng)48 h自然冷卻后，檢測(cè)試驗(yàn)焊縫表面，均未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。然后將每塊試板的試驗(yàn)焊縫切成四片，對(duì)五個(gè)斷面進(jìn)行裂紋檢查，采用光學(xué)顯微鏡(放大倍數(shù)200×)觀察裂紋率，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種預(yù)熱制度下表面裂紋率均為0；預(yù)熱100℃后施焊，兩塊試樣斷面裂紋率分別為19.8%和10.7%；預(yù)熱150℃后施焊，兩塊試樣斷面裂紋率均為0%。因此，為避免該鋼種施焊后出現(xiàn)冷裂紋，厚55 mm 13MnNiMoR鋼板施焊前應(yīng)預(yù)熱150℃以上。

圖5 斜Y坡口試樣尺寸示意Fig.5 Schematic plan of Y-Groove crack sensitivity experiment

表4 斜Y裂紋敏感性試驗(yàn)的工藝參數(shù)及結(jié)果Tab.4 Welding parameters and results of Y-Groove crack sensitivity experiment

4 再熱裂紋敏感性

為了評(píng)價(jià)13MnNiMoR合金容器鋼熱影響區(qū)再熱裂紋敏感性，采用斜Y坡口試樣法進(jìn)行研究。斜Y坡口試樣按照如表5所示的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行施焊，共焊接斜Y坡口試樣六塊，為避免出現(xiàn)焊接冷裂紋影響再熱裂紋的測(cè)定，施焊前預(yù)熱200℃。焊接后將六塊試樣分為三組，每組兩塊，分別按580℃×2.5 h、620℃×2.5 h、660℃×2.5 h進(jìn)行焊后熱處理，解剖熱處理后的試樣，檢測(cè)斷面裂紋率，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 斜Y坡口試樣焊接工藝參數(shù)Tab.5 Welding parameters of Y-Groove specimen

試驗(yàn)結(jié)果表明：在580℃、620℃進(jìn)行焊后熱處理，斷面裂紋率為0%；焊后熱處理溫度為660℃時(shí)，平均斷面裂紋率為0.41%，有一定的再熱裂紋傾向，但低于臨界值20%。試驗(yàn)結(jié)果表明，該鋼種的再熱裂紋敏感性較低，為安全起見，其焊后熱處理溫度應(yīng)控制在620℃以下。

表6 再熱裂紋試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Reheat crack results

5 粗晶區(qū)熱模擬試驗(yàn)

粗晶區(qū)熱模擬試樣取自距軋制表面2 mm處，熱模擬工藝參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果如表7、圖6所示。

表7 熱模擬工藝及試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Thermal simulation craft and test results

試驗(yàn)結(jié)果表明：在t8／5＝10～40 s，即焊接熱輸入在35～72 kJ／cm時(shí)，焊接接頭最薄弱的環(huán)節(jié)——粗晶區(qū)的0℃沖擊功雖然隨t8／5的增加而呈下降趨勢(shì)，特別是當(dāng)焊接熱輸入大于63 kJ／cm時(shí)，粗晶區(qū)沖擊功顯著下降，但焊接熱輸入在35～72 kJ／cm范圍內(nèi)粗晶區(qū)沖擊功均能滿足使用要求(大于等于41 J)，說明該鋼種焊接熱輸入適應(yīng)性較高，可以在較大熱輸入下進(jìn)行施焊。

圖6 粗晶區(qū)沖擊功隨t8／5的變化規(guī)律Fig.6 Relationship between impact energy and t8／5

6 結(jié)論

(1)焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線測(cè)定結(jié)果表明：t8／5＜150 s時(shí)，發(fā)生M+B組織轉(zhuǎn)變，且隨著t8／5的增加，M比例減少，B比例增加；150 s＜t8／5＜600 s時(shí)，只發(fā)生B組織轉(zhuǎn)變，且隨著t8／5的增加B組織粗化；t8／5＞600 s時(shí)，發(fā)生B+F組織轉(zhuǎn)變，隨著t8／5的增加F比例有所增加，B組織減少；在常規(guī)熱輸入范圍內(nèi)，即t8／5＜20 s時(shí)，粗晶區(qū)硬度大于臨界值350 HV10，具有較高的淬硬傾向，需要進(jìn)行焊前預(yù)熱。

(2)冷裂紋敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明：為避免該鋼種施焊后出現(xiàn)冷裂紋，厚55 mm的13MnNiMoR鋼板施焊前應(yīng)預(yù)熱150℃以上。

(3)該鋼種的再熱裂紋敏感性較低，為安全起見，其焊后熱處理溫度應(yīng)控制在620℃以下。

(4)粗晶區(qū)熱模擬試驗(yàn)結(jié)果表明：焊接熱輸入在35～72 kJ／cm范圍內(nèi)，粗晶區(qū)沖擊功均能滿足使用要求(大于等于41 J)，說明該鋼種焊接熱輸入適應(yīng)性較高，可以在較大熱輸入下進(jìn)行施焊。

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Study on the weldability of 13MnNiMoR steel plate

ZHANG Xi1，CHEN Yan-qing1，XU Liang-hong1，ZHANG Jun1
(1.Application Technology Dept.，Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100041，China；2.Width-thickness Plate Dept.，Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100041，China)

The welding continuous cooling transformation curve has been mensurated by thermal simulation technology and the microstructure transformation regulation of heat affected zone has been determined.Through maximum hardness test and Y-groove type cracking test，optimal preheat temperature and reheat embitterment sensitive temperature have been determined.The welding technology adaptability has been valued by coarse grain zone thermal simulation.The results indicated that the weldability of 13MnNiMoR steel plate was well and the results were helpful for determining welding technology.

low alloy high strength steel；heat affected zone；microstructure transformation；weldability

TG457.11

A

1001-2303(2012)07-0017-06

2012-02-29

張 熹(1980—)，男，天津人，工程師，碩士，主要從事板材焊接性及焊接材料的研發(fā)工作。