低溫壓力容器用厚鋼板09MnNiDR的焊接性能研究

劉繼宏

(南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035)

引 言

隨著中國石油化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，氣體的液化、分離和液化氣體的生產(chǎn)、貯運及應(yīng)用已相當(dāng)普遍，低溫技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展促進(jìn)了低溫壓力容器用鋼的發(fā)展[1-3]。中國的0.5Ni低溫鋼系在德國、法國相應(yīng)鋼號的基礎(chǔ)上調(diào)整了化學(xué)成分，改進(jìn)為-70 ℃級用鋼，命名為09MnNiDR。09MnNiDR鋼是目前國產(chǎn)低合金鋼中使用溫度最低的鋼種，作為-70 ℃級0.5Ni低溫鋼代替進(jìn)口低溫鋼材在低溫壓力容器制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-7]；且09MnNiDR鋼要求在使用溫度下具有足夠的韌性及抗脆性破壞能力[8]。1991年09MnNiDR鋼板及其配套焊材通過了壓力容器用新材料的技術(shù)評定。但隨著化工行業(yè)的飛速發(fā)展，化工設(shè)備的大型化，厚板的低溫容器用鋼需求量越來越大，對于厚板的焊接性能研究顯得尤為重要。

1 實驗材料成分及性能

選用南京鋼鐵股份有限公司(以下簡稱“南鋼”)開發(fā)生產(chǎn)的09MnNiDR低溫容器鋼板，厚度為100 mm，供貨狀態(tài)為正火。實驗鋼板的性能參數(shù)如表1所示。

表1 09MnNiDR鋼的性能參數(shù)

2 實驗過程

2.1 熱模擬試驗

為了考察焊接線能量對鋼板焊接接頭熱影響區(qū)力學(xué)性能的影響，在Gleeble-3500熱模擬試驗設(shè)備上進(jìn)行焊接熱影響區(qū)模擬試驗。模擬焊接線能量輸入為10～60 kJ/cm，試驗獲得不同線能量輸入時的熱循環(huán)曲線、表征冷卻速度的t8/5與線能量的關(guān)系如圖1所示。

對熱模擬試驗后的試樣以加熱點為中心加工成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，進(jìn)行熱影響區(qū)沖擊性能試驗。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同線能量模擬后的沖擊試驗結(jié)果

由表可知，在焊接線能量輸入為10～60 kJ/cm范圍內(nèi)，隨著線能量的增大，熱模擬得到的熱影響區(qū)沖擊韌性略呈下降的趨勢，但下降的幅度不大。在60 kJ/cm的熱輸入下，沖擊韌性的平均值仍能達(dá)到310 J，保持較高的水平。這樣，在該鋼板的焊接過程中，焊縫的熱輸入的控制就可以相對寬松，從而使得焊接接頭的性能更易于控制。

圖1 不同線能量條件下的熱循環(huán)曲線和冷卻速度

2.2 焊接試驗

2.2.1 焊接材料的選擇

試驗材料09MnNiDR的屈服強(qiáng)度為355 MPa，根據(jù)等強(qiáng)度匹配的要求及標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4709-2000的要求，本試驗中手工電弧焊選用哈爾濱焊接研究所研制的W707DR焊條，埋弧焊選擇哈爾濱焊接研究所研制的H06Mn35DR焊絲和SJ208DR焊劑的搭配。

2.2.2 工藝參數(shù)的確定

根據(jù)對材料焊接性的分析，確定焊接工藝參數(shù)如表3, 4所示。

表3 手工電弧焊工藝參數(shù)

表4 埋弧焊工藝參數(shù)

3 焊接性能

3.1 焊接接頭拉伸及彎曲性能

試驗獲得的09MnNiDR鋼焊接接頭拉伸及彎曲性能結(jié)果如表5, 6所示。

表5 焊接接頭拉伸試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，不論是手工電弧焊還是埋弧焊，所獲得的焊接接頭強(qiáng)度均滿足與母材一致的要求，斷裂都發(fā)生在母材位置。焊接接頭經(jīng)側(cè)彎180°后，均未發(fā)生開裂現(xiàn)象。

表6 焊接接頭彎曲試驗結(jié)果

為了測試焊縫在不同溫度下的抗負(fù)載能力，根據(jù)GB/T 13239-2006進(jìn)行了焊接接頭的低溫拉伸試驗，其結(jié)果如表7所示。由表可知，試驗鋼板在焊接后，焊接接頭的低溫拉伸性能良好，均能達(dá)到與母材一致的要求。

表7 焊接接頭低溫拉伸試驗結(jié)果

3.2 焊接接頭沖擊性能

沖擊試驗的結(jié)果如表8所示。

由試驗的結(jié)果可知，在-70 ℃的低溫條件下，手工電弧焊及埋弧焊接頭的焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性都表現(xiàn)出較高的水平，其中手工電弧焊接時的焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的5倍以上；即便在-80℃的條件下，手工電弧焊的沖擊韌性依然能保持較高的水平。

表8 焊接接頭沖擊試驗結(jié)果

3.3 焊縫HAZ的應(yīng)變時效性能

對于焊縫HAZ的應(yīng)變時效試驗按照GB/T4160-2004《鋼的應(yīng)變時效敏感性試驗方法》規(guī)定進(jìn)行，即對于厚度為100mm的焊縫，切取按照GB/T2975-1998的規(guī)定；其他試驗條件及方法同Q345R焊縫HAZ試驗，測定的沖擊性能及形變失效敏感系數(shù)如表9所示。

表9 09MnNiDR焊縫的形變時效敏感性系數(shù)測定結(jié)果

3.4 焊接接頭無塑性轉(zhuǎn)變溫度

將焊接后的試樣中焊縫的余高用機(jī)加方式加工到與試樣表面齊平，按照GB/T 6803-2008標(biāo)準(zhǔn)加工成P-2型試件，并在試樣表面進(jìn)行堆焊裂紋源焊道，預(yù)置缺口。對制備的試樣進(jìn)行落錘試驗，測定焊縫金屬的無塑性轉(zhuǎn)變溫度(NDT溫度)，試驗結(jié)果如表10所示。

表10 焊縫金屬落錘試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

針對南鋼生產(chǎn)的厚規(guī)格09MnNiDR鋼板進(jìn)行了焊接性能研究。結(jié)果表明，在焊接熱輸入達(dá)到60 kJ/cm的熱輸入條件下，實驗鋼的HAZ區(qū)沖擊功達(dá)到310 J；選取100 mm厚鋼板進(jìn)行手工電弧焊和埋弧焊，當(dāng)預(yù)熱溫度在75～150 ℃時，鋼板焊接接頭拉伸性能及彎曲性能良好，焊縫和熱影響區(qū)低溫沖擊功滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接接頭無塑性轉(zhuǎn)變溫度為-70 ℃，表明南鋼生產(chǎn)的厚規(guī)格09MnNiDR鋼板具有良好的焊接性能。