09MnNiDR低溫鋼熱成形焊接的工藝研究

■ 李艷霞，劉亮

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09MnNiDR低溫鋼板主要應(yīng)用于石油、化工低溫設(shè)備中。我單位承接了某大型乙二醇項目，其中包含的設(shè)備有：CO2吸收塔、CO2閃蒸塔、H2S吸收塔、再吸收塔等設(shè)備的制造。為了研究其焊接工藝，我們選擇δ=65mm的母材進(jìn)行試驗，熱處理狀態(tài)為模擬熱成形+正火（加速冷卻）+回火+退火，為今后09MnNiDR低溫鋼熱成形封頭的焊接提供了有力的技術(shù)支撐。

表1 09MnNiDR低溫鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 09MnNiDR低溫鋼的力學(xué)性能

1. 09MnNiDR低溫鋼的焊接性

09MnNiDR低溫鋼為鐵素體+少量珠光體型低溫用鋼。由于含碳量低，屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，Mn、Ni為其主要合金。Mn主要是通過固溶強(qiáng)化來提高鋼材的強(qiáng)度，而Ni能改善鐵素體的低溫韌性，并具有明顯降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度的作用。

根據(jù)國際焊接學(xué)會（ⅡW）推薦的碳當(dāng)量公式計算CE=0.347%＜0.45%，淬硬傾向小，不易形成冷裂紋，焊縫具有較好的塑性和韌性，通常無需預(yù)熱。當(dāng)板厚超過一定的厚度、接頭剛性拘束較大或碳當(dāng)量偏高時，應(yīng)考慮預(yù)熱。但預(yù)熱溫度不要過高，否則會使熱影響區(qū)晶粒長大，并在晶界析出氧化物。因此，焊接時應(yīng)控制焊接熱輸入和層間溫度，焊后還應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理。

09MnNiDR鋼板的供貨狀態(tài)為正火+回火，材料化學(xué)成分、力學(xué)性能如表1、表2所示。

2. 09MnNiDR低溫鋼焊接工藝要點

（1）選擇合適的焊接材料，低溫鋼可采用焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊和埋弧焊等進(jìn)行焊接。焊接時保證焊縫和過熱區(qū)低溫韌性，是擬訂低溫鋼焊接工藝的關(guān)鍵。

（2）合理設(shè)計接頭的形式，降低接頭的拘束度。

（3）清理坡口表面及坡口母材兩側(cè)30mm范圍內(nèi)的油污、氧化皮、鐵銹等雜質(zhì)，并對坡口進(jìn)行100%磁粉檢測，Ⅰ級合格。

（4）嚴(yán)格按照烘干說明烘干焊條和焊劑，使用時焊條放置于保溫桶內(nèi)，隨用隨取。

（5）焊前預(yù)熱，嚴(yán)格控制道間溫度。

（6）采用低熱輸入焊接方法和工藝，以縮小焊接接頭過熱區(qū)的寬度，限制晶粒長大。

（7）焊后立即后熱處理，降低焊接接頭拘束度，同時加快氫的逸出。

（8）合理選擇熱處理工藝，盡量縮短在敏感溫度區(qū)間的保溫時間。

表3 焊條W107DR（φ4.0mm）化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表4 焊絲H06Mn35DR（φ3.2mm）化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表5 焊接參數(shù)

表6 熱處理工藝參數(shù)

圖1

圖2 熱處理工藝曲線

3. 09MnNiDR低溫鋼熱成形封頭的焊接工藝特性

（1）焊接方法及母材的坡口形式 焊接方法：SMAW+SAW。焊接位置：平焊。母材的坡口形式如圖1所示。

（2）焊接材料的選擇 針對09MnNiDR低溫鋼的焊接性能及設(shè)備的工作特點，保證設(shè)備在低溫條件下長期安全地運行。我們選用哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 W107DR（φ4.0mm）焊條，使之與母材在Ni含量上高于母材，從而提高焊縫區(qū)的低溫沖擊韌性。同時為了提高焊縫金屬的抗裂性，通常將焊接材料中的碳含量控制在低于母材，硫、磷含量控制在較低水平。埋弧焊焊絲和焊劑經(jīng)過大量的試驗，最終選擇使用哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司生產(chǎn)的H06Mn35DR（φ3.2mm）焊絲和SJ208DR焊劑。焊條和焊絲化學(xué)成分分別如表3、表4所示。

（3）焊接工藝要求 焊前清理坡口及坡口兩側(cè)30mm范圍內(nèi)的油污、氧化皮、鐵銹等雜質(zhì)，并打磨出金屬光澤。焊前預(yù)熱最小溫度為80℃，最大道間溫度為160℃，焊接參數(shù)如表5所示。

焊后立即進(jìn)行消氫處理，溫度為230～300℃、2h。然后按照NB/T47013對焊縫進(jìn)行100%RT檢測，Ⅰ級合格。

（4）焊后熱處理 具體焊后熱處理工藝參數(shù)如表6所示。熱處理工藝曲線如圖2所示。

（5）力學(xué)性能 力學(xué)性能檢測所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)有：NB/T47014 、GB/T228、 GB/T229、GB/T2653。使用的設(shè)備型號及名稱分別為：WE-1000萬能試驗機(jī)、JB-300B沖擊試驗機(jī)、SBW-600彎曲試驗機(jī)。經(jīng)過一系列熱處理之后的力學(xué)性能如表7所示，符合GB3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)要求，同時符合NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 09MnNiDR低溫鋼熱處理之后焊縫的力學(xué)性能

4. 結(jié)語

通過分析09MnNiDR低溫鋼的焊接性及焊接工藝評定，確定了合理的焊接參數(shù)和工藝措施，獲得了良好的焊接力學(xué)性能。

此焊接工藝在多個低溫塔器中成功應(yīng)用，各方面性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為今后09MnNiDR低溫鋼熱成形封頭的焊接提供了重要依據(jù)。