09MnNiDR低溫鋼焊條電弧焊工藝研究

王 博

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

某制造廠承接一批甲醇用低溫壓力容器，其最低工作溫度為-70℃，設(shè)計(jì)選用09MnNiDR鋼。09MnNiDR為工作在-70℃～-40℃的低溫壓力容器用鋼，含W（Ni）=0.5%，主要用于液化石油氣儲(chǔ)罐、冷凍設(shè)備及煉油化工等低溫工作的容器、管道、結(jié)構(gòu)和設(shè)備，要求在使用溫度下具有足夠的韌性及抗脆性破壞能力[1]。低溫鋼還需要具有良好的工藝焊接性和使用焊接性，以保證焊接接頭在低溫環(huán)境下使用時(shí)韌性符合要求。在進(jìn)行09MnNiDR的焊接時(shí)，如果焊接材料或焊接工藝參數(shù)等選擇不合理，焊接接頭很容易出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，且焊接接頭（焊縫、熱影響區(qū)） 的低溫沖擊吸收功很難達(dá)到要求[2]。因此，正確選擇焊接方法和焊接材料，合理制定焊接工藝措施和焊接工藝參數(shù)以及規(guī)范的焊后熱處理方式至關(guān)重要。

本試驗(yàn)針對(duì)40 mm厚09MnNiDR鋼，開X形坡口，焊接方法采用焊條電弧焊。通過焊接工藝試驗(yàn)確定甲醇用低溫壓力容器的焊接工藝參數(shù)及工藝要點(diǎn)，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 09MnNiDR鋼及其焊接性分析

1.1 09MnNiDR鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能

09MnNiDR鋼為鐵素體+少量珠光體型低溫鋼，其含碳量低，屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼[3]。Mn、Ni為其主要合金元素，Mn的作用主要是通過固溶強(qiáng)化來提高鋼的強(qiáng)度，Ni能改善鐵素體的低溫韌性，并具有顯著降低鋼的冷脆轉(zhuǎn)變溫度的作用[4]。試驗(yàn)材料選用40 mm厚09MnNiDR板材，交貨狀態(tài)為正火+回火。對(duì)09MnNiDR鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行復(fù)檢，復(fù)檢結(jié)果符合GB3531-2014《低溫壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)要求，如表1和表2所示。

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

表2 09MnNiDR鋼的力學(xué)性能

1.2 09MnNiDR鋼的焊接性分析

09MnNiDR鋼屬于低合金鋼，合金元素總質(zhì)量不超過5%，并且C、Si、S、P等元素含量被嚴(yán)格控制，所以產(chǎn)生熱裂紋的傾向性較低。

鋼材產(chǎn)生冷裂紋的傾向性和鋼中合金元素的種類和含量密切相關(guān)。把鋼材中各種合金元素對(duì)冷裂的影響換算成碳元素的相當(dāng)含量，作為評(píng)定鋼材焊接性的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式：

通過計(jì)算可知Ceq=0.39%＜0.4%。09MnNiDR鋼淬硬傾向不大，不易形成冷裂紋，在室溫環(huán)境下一般不需預(yù)熱。當(dāng)焊接中厚板時(shí)或焊接環(huán)境溫度過低時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮預(yù)熱，但預(yù)熱溫度不宜過高，溫度過高會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)晶粒長大。

2 焊接材料的選擇

09MnNiDR鋼為低合金鋼，一般按等強(qiáng)度原則選擇焊條，以保證焊縫和熱影響區(qū)與母材的力學(xué)性能相當(dāng)。為了保證09MnNiDR鋼制造的設(shè)備長期在低溫條件下穩(wěn)定運(yùn)行，又要求焊縫金屬具有較高的低溫性沖擊韌性。所以，選擇Ni含量較高的焊接材料，以提高焊縫的低溫沖擊韌性。本試驗(yàn)焊接方法采用焊條電弧焊，焊條牌號(hào)為W707Ni，φ3.2 mm和φ4 mm。W707Ni焊條的化學(xué)成分和熔敷金屬的力學(xué)性能，如表3和表4所示。

表3 焊接材料W707Ni焊條化學(xué)成分

表4 焊接材料W707Ni熔敷金屬的力學(xué)性能

W707Ni焊條的Ni含量高于09MnNiDR鋼從而提高焊縫區(qū)的低溫沖擊韌性。W707Ni焊條在使用前應(yīng)在350℃～400℃，烘干1～2小時(shí)。烘干后，將其置于溫度為100℃～150℃的保溫桶內(nèi)，隨用隨取。烘干的焊條要4小時(shí)內(nèi)用完，未用完的需要重新烘干，但烘干焊條不能超過2次。

3 09MnNiDR鋼焊接工藝要點(diǎn)

3.1 焊前準(zhǔn)備

制備兩塊尺寸為600 mm×400 mm×40 mm的09MnNiDR鋼試板，開X形坡口，角度60°±5°。將坡口及坡口附近20 mm～30 mm內(nèi)的水分、油污、氧化物等清理干凈，并打磨出金屬光澤。裝配間隙為2 mm～3 mm，裝配時(shí)保證焊縫間隙均勻，不錯(cuò)邊。裝配過程中必須在坡口內(nèi)引弧，定位焊縫長度不小于30 mm。

3.2 工藝措施

根據(jù)09MnNiDR低溫鋼的焊接特點(diǎn)，采取如下工藝措施：

1）為了確保09MnNiDR低溫鋼焊縫和熱影響區(qū)具有良好的低溫沖擊韌性，防止焊接熱影響區(qū)過熱導(dǎo)致晶粒長大。焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制焊接線能量，增加焊層數(shù)，控制焊層厚度≤4 mm，減少熱輸入，從而使改善焊縫組織、細(xì)化晶粒，提高焊縫低溫韌性。

2）焊接時(shí)不要擺動(dòng)，采用窄焊道，盡量不連續(xù)施焊，并嚴(yán)格控制道間溫度小于150℃。

3）低溫壓力容器不允許出現(xiàn)表面缺陷，表面缺陷容易造成應(yīng)力集中而引起脆性破壞。

4）焊接時(shí)應(yīng)在坡口內(nèi)引弧，防止電弧擦傷焊件表面。收弧時(shí)要確保填滿弧坑，如有弧坑缺陷可用砂輪打磨。多層焊時(shí)各層的焊接接頭要避免重合，以防止應(yīng)力集中。

5）坡口設(shè)計(jì)時(shí)可以增加坡口的角度，從而增加焊道數(shù)量。

6）第一面焊接完成后，翻轉(zhuǎn)工件，進(jìn)行碳弧氣刨清根，并用砂輪修磨。

3.3 焊接工藝參數(shù)選擇

焊接方法為焊條電弧焊（SMAW），焊條牌號(hào)W707Ni，φ3.2 mm和φ4 mm。焊接位置為平焊，打底層采用φ3.2 mm焊條，填充層和蓋面層采用φ4 mm焊條。焊接工藝參數(shù)如表5所示。焊接過程如圖1所示。

表5 焊接工藝參數(shù)

圖1 X形坡口示意圖

3.4 焊后熱處理

09MnNiDR鋼的焊接可導(dǎo)致焊縫附近存在焊接殘余應(yīng)力，焊接熱循環(huán)可導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)脆化[5]。在低溫環(huán)境下，如果存在應(yīng)力集中將引起焊縫及熱影響區(qū)的脆性斷裂。焊后采用消除應(yīng)力處理工藝可以降低脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，熱處理溫度為600±14℃，保溫2.5 h，以改善接頭的低溫沖擊韌性。

4 焊接工藝評(píng)定

焊接完成后焊縫成型美觀、致密，無表面裂紋、咬邊、弧坑、焊瘤等表面缺陷，焊縫外觀檢驗(yàn)合格。按NB/T47013.2-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第2部分：射線檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫進(jìn)行100%射線檢測(cè)，Ⅱ級(jí)合格。檢測(cè)合格后，分別按NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定焊接試件、檢驗(yàn)試樣、測(cè)定性能。

4.1 拉伸試驗(yàn)

焊接接頭抗拉強(qiáng)度按GB/T228-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定，焊接接頭抗拉強(qiáng)度符合設(shè)備使用要求，如表6所示。

表6 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4.2 彎曲試驗(yàn)

焊接接頭彎曲試驗(yàn)按GB/T2653-2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定，彎曲角度為180°時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)無裂紋，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如表7所示。

表7 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

4.3 沖擊試驗(yàn)

焊接接頭沖擊試驗(yàn)按GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定，選取了不同位置的共計(jì)27個(gè)試樣，測(cè)定結(jié)果顯示：試驗(yàn)溫度在-70℃的沖擊吸收功均大于47 J，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。沖擊試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如表8所示。

表8 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4.4 硬度試驗(yàn)

焊接接頭硬度試驗(yàn)按GB/T231.1-2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定，硬度試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)：母材143/143/143HB；焊縫（上） 179/179/179 HB；熱影響區(qū)（上）170/170/187 HB。硬度值符合規(guī)定。

5 結(jié)論

1） 通過焊接性分析，09MnNiDR鋼的碳當(dāng)量Ceq=0.39%，所以09MnNiDR鋼淬硬傾向不大，不易形成冷裂紋，在室溫環(huán)境下一般不需預(yù)熱。

2）焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制線能量，防止焊接熱影響區(qū)過熱而晶粒長大。焊接時(shí)采用小電流焊接，控制焊層厚度≤4 mm。焊接時(shí)道間溫度小于150℃，并盡可能地不連續(xù)施焊。

3）通過焊接工藝評(píng)定可知，采用W707Ni焊條焊接09MnNiDR鋼，焊縫及熱影響區(qū)在-70℃的低溫沖擊韌性良好，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。其他力學(xué)性能指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求。