20MnMoNb 鍛板與0Cr18Ni11Ti的焊接工藝研究

康建強(qiáng)，邵光娟，劉寶劍，顧偉偉

（1.南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇南京 210036；2.青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東青島 266000；3.上海華誼裝備工程有限公司，上海 201400）

0 引言

低合金鍛件20MnMoNb 主要應(yīng)用于石油、化工、電站鍋爐等行業(yè)，在鍋爐汽包制造中應(yīng)用最為廣泛。20MnMoNb 焊接性較差，焊接過程中非常容易產(chǎn)生缺陷[1-2]。奧氏體不銹鋼在石油、化工、海洋開發(fā)、國防工業(yè)和一些尖端科學(xué)技術(shù)中都有廣泛應(yīng)用，其中，0Cr18Ni11Ti 為航空器、鍋爐汽包等方面應(yīng)用最廣的奧氏體不銹鋼[3]。

某高壓汽包設(shè)備存在20MnMoNb 與0Cr18Ni11Ti 的異種鋼焊接結(jié)構(gòu)，為保證焊接質(zhì)量，對(duì)這種兩種鋼焊條電弧焊的焊接工藝性進(jìn)行研究，并按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備用焊接工藝評(píng)定》要求完成焊接工藝評(píng)定。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)的低合金材料為鍛板20MnMoNb，試件規(guī)格為150 mm×800 mm×40 mm，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2。

表1 20MnMoNb 化學(xué)成分 %

表2 20MnMoNb 力學(xué)性能要求

試驗(yàn)的奧氏體不銹鋼材料為鋼板0Cr18Ni11Ti，試件規(guī)格為150 mm×800 mm×40 mm，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3、表4。

1.2 制定焊接工藝方案

按NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》采用焊條E309-16（規(guī)格Φ4.0 mm）進(jìn)行焊接（表5）。采用等離子氣刨清根，清除未焊透等焊接缺陷，使用打磨機(jī)磨掉刨槽內(nèi)外的熔渣及氧化層，試驗(yàn)采用的坡口形式為V 形（圖1）。

表3 0Cr18Ni11Ti 化學(xué)成分

表4 0Cr18Ni11Ti 力學(xué)性能要求

表5 試件焊接工藝參數(shù)

1.3 無損檢測(cè)

按 照 NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》第2、5 部分，分別對(duì)焊接試件進(jìn)行射線檢測(cè)和滲透檢測(cè)并合格。

圖1 焊接坡口

1.4 焊后熱處理

按NB/T 47015—2011 及設(shè)備技術(shù)要求對(duì)焊接試件進(jìn)行焊后熱處理，熱處理溫度及保溫時(shí)間（610±10）℃×2.5 h，裝爐溫度≤400 ℃，升、降溫速度≤60 ℃/h，試件隨爐冷至400 ℃以下出爐空冷。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接試件拉伸試驗(yàn)

垂直于焊縫方向按GB/T 228—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》截取焊接接頭常溫拉伸矩形試樣2 件和焊接接頭350 ℃高溫拉伸圓形試樣1 件，試樣結(jié)果見表6。對(duì)比表4、表6 數(shù)據(jù)：焊接接頭常溫抗拉強(qiáng)度滿足0Cr18Ni11Ti 常溫抗拉強(qiáng)度要求值；焊接接頭350 ℃高溫屈服強(qiáng)度滿足0Cr18Ni11Ti 高溫屈服強(qiáng)度要求值[4]，因此該焊接接頭350 ℃高溫拉伸滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 焊接試件沖擊試驗(yàn)

按GB/T 229—2007《金屬材料夏比沖擊擺錘試驗(yàn)方法》在20MnMoNb 側(cè)母材及其熱影響區(qū)（HAZ）區(qū)截取10 mm×10 mm×55 mm 的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣進(jìn)行0 ℃沖擊實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。20MnMoNbIII 側(cè)母材及其HAZ 的0 ℃沖擊結(jié)果均滿足≥47 J的標(biāo)準(zhǔn)要求，HAZ 沖擊值明顯低于母材側(cè)。

2.3 焊接試件硬度試驗(yàn)

按GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度檢測(cè)（圖2～圖3）。

由圖2、圖3 可知，20MnMoNb 側(cè)HAZ 區(qū)硬度值明顯高于其他區(qū)域，這是由于20MnMoNb 與0Cr18Ni11Ti 焊接采用奧氏體不銹鋼焊條E309-16，焊接過程因碳遷移引起碳元素從20MnMoNb母材區(qū)向焊縫區(qū)聚集[5]，導(dǎo)致20MnMoNb 側(cè)HAZ 硬度升高，韌性降低。這與表6 中沖擊試驗(yàn)的結(jié)果相互印證。

2.4 焊接試件彎曲試驗(yàn)

圖2 硬度檢測(cè)位置

圖3 硬度檢測(cè)結(jié)果

垂直于焊縫方向按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》截取側(cè)彎試樣4 件進(jìn)行常溫108°彎曲實(shí)驗(yàn)。4 件均合格。

2.5 焊接試件宏觀金相試驗(yàn)

按GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》對(duì)焊接試件沿橫向切取的1 個(gè)試樣，經(jīng)王水溶液冷酸腐蝕后，在20 倍放大鏡下觀察，橫向受檢面未出現(xiàn)裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合和未焊透等焊接缺欠（圖4）。

2.6 焊接試件金相組織試驗(yàn)

按GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)焊接接頭進(jìn)行微觀金相分析，顯微組織如圖5 所示。其中，20MnMoNb母材及其HAZ 區(qū)組織均為索氏體，焊縫區(qū)、0Cr18Ni11Ti 母材及其HAZ 區(qū)組織均為奧氏體和少量鐵素體，3 個(gè)區(qū)域奧氏體形態(tài)差別較大，焊縫區(qū)奧氏體為樹枝晶結(jié)構(gòu)顆，0Cr18Ni11Ti 側(cè)HAZ區(qū)奧氏體組織形態(tài)不一致，0Cr18Ni11Ti 側(cè)母材區(qū)奧氏體組織均勻，形態(tài)正常。

3 結(jié)論

圖4 宏觀金相

圖5 熱影響區(qū)金相組織

（1）依據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》等標(biāo)準(zhǔn)，采用焊條電弧在選定的焊接參數(shù)下施焊，20MnMoNb 與0Cr18Ni11Ti 異種鋼焊接接頭無損檢測(cè)及理化檢測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）通過焊接工藝研究，20MnMoNb 與0Cr18Ni11Ti 異種鋼焊接接頭的20MnMoNb 側(cè)HAZ 區(qū)為力學(xué)性能較差區(qū)域，焊接時(shí)嚴(yán)格按照擬定的焊接工藝進(jìn)行焊接，控制道間溫度，降低碳遷移對(duì)焊接接頭的影響。