壓力容器用國(guó)產(chǎn)化高端鋼材 和焊材焊接性研究概況

房務(wù)農(nóng) 蔣軍

摘要：我國(guó)在鋼材和焊材的焊接性研究方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在明顯差距，且焊材的焊接性研究又遠(yuǎn)滯后于鋼材。針對(duì)壓力容器用幾個(gè)牌號(hào)國(guó)產(chǎn)化高端鋼材和焊材在焊接性方面做了大量細(xì)致的研究工作，即從“焊接角度”去煉鋼，使鋼材由“可焊”變?yōu)椤耙缀浮?通過(guò)合理選擇焊材渣系，優(yōu)化合金體系和配方，使焊材各項(xiàng)性能優(yōu)良，實(shí)現(xiàn)焊材與鋼材的良好匹配，焊接接頭焊接裂紋敏感性低、焊接線能量敏感性低、止裂性能好、低溫沖擊韌性佳等，為壓力容器焊接質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的保障。

關(guān)鍵詞：鋼材;焊材;焊接性;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG457.5? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0134-13

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.14

0? ? 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求與日俱增。近年來(lái)國(guó)內(nèi)新建了大批石化裝置，高參數(shù)壓力容器眾多，運(yùn)行工況越來(lái)越惡劣，再加上采用分析設(shè)計(jì)來(lái)減薄壁厚、降低設(shè)備重量和造價(jià)，對(duì)主體材料性能要求也愈來(lái)愈高。隨著TMCP、爐外精煉等技術(shù)在我國(guó)鋼鐵企業(yè)中的大量成熟應(yīng)用，其生產(chǎn)水平和鋼材性能得到了大幅度的提升[1]，但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的冶煉水平尚有差距。我們倡導(dǎo)國(guó)內(nèi)鋼企應(yīng)向國(guó)外同行學(xué)習(xí)，站在“焊接角度”去煉鋼，在新材料研發(fā)時(shí)就應(yīng)考慮焊接性，使我國(guó)從鋼鐵大國(guó)邁向鋼鐵強(qiáng)國(guó)。

我國(guó)焊接材料近幾年也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但由于與鋼材分屬兩個(gè)不同行業(yè)，國(guó)產(chǎn)焊材的開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于鋼材，造成大部分高端焊材只能依賴進(jìn)口。焊材和鋼鐵材一樣也面臨焊接性難題，壓力容器開(kāi)罐數(shù)據(jù)表明大部分裂紋產(chǎn)生在焊縫中，這與焊縫金屬擴(kuò)散氫高、雜質(zhì)元素含量高及低溫沖擊韌性低等息息相關(guān)[2]。但我國(guó)對(duì)焊材焊接性概念較陌生，缺少深入研究，應(yīng)引起大家充分的重視。而國(guó)外焊材廠與鋼廠基本屬于同一公司，鋼材與配套焊材同步開(kāi)發(fā)，且兩者的強(qiáng)韌化機(jī)理還可以相互借鑒，大大節(jié)約了研發(fā)的成本和時(shí)間，這一點(diǎn)值得學(xué)習(xí)。

近些年為滿足壓力容器發(fā)展的需求，我國(guó)企業(yè)開(kāi)發(fā)了較多高端壓力容器用鋼材和少量配套焊材，以下介紹幾種材料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用過(guò)程，及其在相關(guān)焊接性研究方面開(kāi)展的工作以及取得的成果。

1? 低溫乙烯球罐用07MnNiMoDR調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼及配套的國(guó)產(chǎn)焊材

1.1 乙烯球罐用07MnNiMoDR調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼

（1）乙烯裝置中關(guān)鍵設(shè)備乙烯球罐儲(chǔ)存低溫、高壓及易燃介質(zhì)，危險(xiǎn)性極大。目前國(guó)內(nèi)最大的3 000 m3乙烯球罐直徑為18 000 mm，設(shè)計(jì)壓力為2.16 MPa，如圖1所示。為減輕其質(zhì)量，需研制-50 ℃抗拉強(qiáng)度為610 MPa級(jí)別的調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼。而球罐組裝精度難以控制，組裝應(yīng)力較大，又存在較高拘束度，在焊接接頭中極易產(chǎn)生冷裂紋，考慮到現(xiàn)場(chǎng)需內(nèi)壁施焊，若預(yù)熱溫度過(guò)高會(huì)造成施焊環(huán)境惡劣，因此該鋼既要有高強(qiáng)度、高韌性，又要具有較低的焊接冷裂紋敏感性。

（2）為保證07MnNiMoDR調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼具有優(yōu)異的焊接性，首先控制碳含量w（C）≤0.09%，但要具有高強(qiáng)度，則需采取最佳的微合金化和合理的調(diào)質(zhì)熱處理。而鋼中添加微合金元素對(duì)提高鋼的強(qiáng)韌性固然有利，但損害了鋼的焊接性，為此必須控制其含量，克服傳統(tǒng)的低合金高強(qiáng)度鋼的韌性和焊接性隨著強(qiáng)度提高必然降低的弱點(diǎn)，即控制焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm不大于0.21%[Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B]，目前實(shí)物通常在19%左右，因此稱該鋼為低焊接冷裂紋敏感性鋼，斜Y坡口焊接冷裂紋試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。該鋼含有Cr、Mo、V沉淀強(qiáng)化相元素，因此有一定的再熱裂紋傾向，再熱裂紋敏感溫度約在600 ℃[3]，如圖2所示，但如寶鋼爐號(hào)為169984的鋼板再熱裂紋敏感性指數(shù)PSR為-0.94[PSR=Cr+w（C）+2w（Mo）+10w（V）+7w（Nb）+5w（Ti）-2]，遠(yuǎn)小于0，因此該鋼板再熱裂紋傾向較小。

該鋼在Mn、Cr、Mo等強(qiáng)化元素基礎(chǔ)上，添加了約0.3%Ni及微量合金元素，S、P等雜質(zhì)元素含量極低。采用先進(jìn)的TMCP技術(shù)，在受控狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)形變熱處理，具有形變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的綜合作用，軋制后加速冷卻，抑制晶粒長(zhǎng)大，再通過(guò)淬火+回火，從而獲得高強(qiáng)度、高韌性，厚板時(shí)需加微量的B元素，提高鋼板的淬透性[4]，-50 ℃ KV2實(shí)物水平可達(dá)280 J左右。另外該鋼為調(diào)質(zhì)狀態(tài)下交貨，焊接時(shí)熱影響區(qū)存在一定程度的軟化問(wèn)題，如圖3所示。

（3）該鋼淬火后形成索氏體，經(jīng)高溫回火后的組織包括了回火過(guò)程中的分解析出、回復(fù)乃至再結(jié)晶三個(gè)過(guò)程中所出現(xiàn)的全部形態(tài)。在分解析出過(guò)程中，索氏體在晶界、晶內(nèi)沉淀析出碳化物，其高密度位錯(cuò)達(dá)1011～1012 cm/cm3，局部已出現(xiàn)了位錯(cuò)墻或內(nèi)孿晶等。若淬火組織回復(fù)較快，則碳化物將大部分沉淀于晶界，隨著大角度晶界的遷移，再結(jié)晶過(guò)程開(kāi)始，逐步形成多邊形貝氏體，其內(nèi)部的位錯(cuò)進(jìn)一步減少，原先偏聚于晶界的粒子趨向均勻分布，并隨回火溫度升高，回復(fù)或再結(jié)晶愈顯著[5]。鋼板調(diào)質(zhì)態(tài)的組織結(jié)構(gòu)為回火索氏體+少量貝氏體，其數(shù)量比例隨板厚方向的不同部位而變化，如圖4所示。

1.2 07MnNiMoDR乙烯球罐用GER-N27M焊條

（1）乙烯球罐用焊條型號(hào)為E6215-N5M1，具有以下特點(diǎn)：a. 全位置下脫渣性好、飛濺小、發(fā)塵量少及成型美觀;b. 具有較低的冷、熱裂紋敏感性;c. 焊縫金屬止裂能力強(qiáng);d. 對(duì)焊接線能量敏感程度低，在立焊位置35 kJ/cm下焊縫金屬需滿足-50 ℃ KV2≥54 J;e. 經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的焊后熱處理，焊接接頭強(qiáng)度和韌性仍需滿足技術(shù)條件要求等。

合肥通用機(jī)械研究院與昆山京群焊材科技有限公司經(jīng)多年的努力，最終研發(fā)出性能優(yōu)良的乙烯球罐用GER-N27M焊條。

（2）GER-N27M焊條采用CaCO3-TiO2-CaF2高堿度渣系。適度提高TiO2含量，可降低熔渣表面張力，細(xì)化熔滴，減少飛濺，改善脫渣性、熔渣覆蓋性，并能降低發(fā)塵量;從提高焊縫金屬韌性和降低擴(kuò)散氫含量出發(fā)，需加入一定量的氟化物，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量實(shí)測(cè)值通常低于2.5 mL/100 g，焊接冷裂紋敏感性極低。由于選擇了合理的渣系，嚴(yán)格控制原材料的目數(shù)，并輔以適量穩(wěn)弧劑，提高了電弧的穩(wěn)定性，見(jiàn)表2。

（3）該焊條要求熔敷金屬高強(qiáng)度、高韌性，故選擇了以Mn-Ni-Mo為合金體系，并輔以微合金化。研究表明，Mn含量保持在1.2%左右，熔敷金屬隨Ni含量增加先共析鐵素體減少，針狀鐵素體增多，并使針狀鐵素體的長(zhǎng)寬比發(fā)生改變，使板條變得更加多角化，提高了低溫韌性。錳含量較高的熔敷金屬中，高Ni助長(zhǎng)M-A形成，必須采用微合金化技術(shù)，適當(dāng)加入稀土后并使非金屬夾雜物呈彌散分布，具有減小奧氏體晶粒尺寸的作用[6]，降低熔敷金屬對(duì)焊接線能量的敏感性，這對(duì)球罐的現(xiàn)場(chǎng)立焊至關(guān)重要。熔敷金屬金相組織如圖5所示。

（4）GER-N27M焊條藥皮中也加入了Mo等沉淀強(qiáng)化相元素，焊縫金屬與母材一樣具有一定的再熱裂紋傾向。參照GB/T9446-1995《焊接用插銷冷裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行焊縫金屬的再熱裂紋試驗(yàn)，插銷棒試樣取自焊縫金屬，結(jié)果如圖6所示。可以看出，該焊縫金屬再熱裂紋敏感溫度即C形曲線的“鼻尖”處溫度為625 ℃，高于母材的再熱裂紋溫度，表明該焊縫金屬再熱裂紋敏感性極低。

1.3 母材與焊材組合試驗(yàn)

（1）采用48 mm厚的07MnNiMoDR鋼和φ4.0 mm的GER-N27M焊條，不同試板采用不同焊接線能量進(jìn)行焊接，焊后進(jìn)行（580±15） ℃×6 h熱處理，在1/4T處制取焊縫金屬的沖擊試樣，分別進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，焊接線能量達(dá)40 kJ/cm，焊縫金屬-50 ℃ KV2仍在70 J以上，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)技術(shù)條件要求，這與1.2節(jié)第3條的分析相吻合。

（2）采用GER-N27M焊條焊接48 mm厚的07MnNiMoDR立焊位置試板，焊后經(jīng)（580±15） ℃×6 h熱處理，制取焊縫金屬落錘P2試樣進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，立焊位置的焊縫金屬的NDTT溫度為-60 ℃，表明該焊縫金屬止裂能力較強(qiáng)。

（3）參照NB/T47014-2011《承壓設(shè)備用焊接工藝評(píng)定》，選用48 mm厚的07MnNiMoDR鋼板在立焊位置進(jìn)行試驗(yàn)，最大焊接線能量為45 kJ/cm，對(duì)試板進(jìn)行（580±15） ℃×4 h熱處理后進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，在較大的焊接線能量下焊接接頭強(qiáng)韌性匹配仍較好。

2 加氫反應(yīng)器用12Cr2Mo1V（R）鋼及配套的國(guó)產(chǎn)焊接材料

2.1 加氫反應(yīng)器用12Cr2Mo1V（R）鋼

（1）加氫反應(yīng)器一般工作在高壓（10～25 MPa）、高溫（400～482 ℃）環(huán)境下，為防止氫脆、氫腐蝕、硫化物腐蝕、Cr-Mo鋼回火脆化以及堆焊層的剝離等問(wèn)題，對(duì)鋼材、焊材、焊接技術(shù)以及焊接質(zhì)量都有極高要求。近十多年來(lái)，因煤氣化工程的需要，國(guó)內(nèi)鋼企相繼開(kāi)發(fā)了改進(jìn)型的Cr-Mo類抗氫新鋼種12Cr2Mo1V（R），抗氫溫度可達(dá)到510 ℃，鋼板厚度可達(dá)280 mm，鍛件厚度可達(dá)370 mm，目前單臺(tái)鍛焊結(jié)構(gòu)加氫反應(yīng)器質(zhì)量達(dá)3 025 t，最大外徑達(dá)6.156 m，如圖8所示。該鋼中含有非常穩(wěn)定的礬碳化物，使H和C不易反應(yīng)，所以有很好的抗氫腐蝕和氫脆能力;同時(shí)，V對(duì)設(shè)備停工過(guò)程中氫向不銹鋼堆焊交界面的擴(kuò)散有阻隔作用，因此使堆焊層抗氫剝離的性能大為提高[7]。

（2）該鋼在300～600℃ 易出現(xiàn)可逆的回火脆化。鋼材的合金元素中增加回火脆化敏感性的元素有Si、Mn、Cu、Cr、Ni、C;降低回火脆化敏感性的元素有 Ti、B;雜質(zhì)元素在晶界上的偏析是造成鋼材回火脆化的主要原因，其影響程度依次為：P>Sn>As>Sb。因此該鋼的化學(xué)成分需嚴(yán)格控制系數(shù)J：

J=（Si+Mn）×（P+Sn）×104≤100

式中 Si，Mn，P，Sn均為質(zhì)量百分比。

國(guó)內(nèi)個(gè)別企業(yè)控制J系數(shù)甚至低于80，另外要求鋼中w（Cu）≤0.2%，w（Ni）≤0.25%，煉鋼要求真空脫氣等。

（3）該鋼從淬透性和高溫強(qiáng)度角度考慮，Cr、Mo、V均按標(biāo)準(zhǔn)上限，但熱軋后空冷在過(guò)冷奧氏體中形成空冷貝氏體及共析鐵素體，且在晶界處形成連續(xù)分布的碳化物析出，沖擊韌性很差[8]。鋼廠通常對(duì)熱軋態(tài)鋼板重新正火并加速冷卻，使不均勻碳化物重新融入奧氏體，加快過(guò)冷奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致晶粒不易長(zhǎng)大，使Cr、Mo、V的碳化物析出形態(tài)大小相似，呈均勻分布，回火時(shí)碳化物進(jìn)一步析出，從而形成細(xì)小的低碳回火貝氏體，鋼的強(qiáng)塑性及韌性實(shí)現(xiàn)良好匹配，綜合力學(xué)性能較佳。

（4）12Cr2Mo1V（R）鋼焊接時(shí)存在的問(wèn)題。

①12Cr2Mo1V（R）鋼的焊接接頭焊態(tài)下硬度可高達(dá)375 HV10，其室溫沖擊功小于8 J，并含有H2，當(dāng)窄間隙厚焊縫有很高殘余應(yīng)力時(shí)，如預(yù)熱溫度不足會(huì)導(dǎo)致氫致冷裂紋。

②12Cr2Mo1V（R）鋼容器ISR后在縱縫、環(huán)縫和封頭焊縫上易出現(xiàn)再熱裂紋，且在埋弧焊焊縫上，距焊縫表面10～40 mm位置處有長(zhǎng)3～10 mm的微裂紋，與焊縫垂直，一般是多條裂紋并發(fā)，也有單個(gè)出現(xiàn)的。從縱截面觀察到的裂紋在焊縫中穿過(guò)熔合區(qū)和再熱區(qū)，裂紋基本沿原奧氏體晶粒的晶間開(kāi)裂，且產(chǎn)生于多層焊縫的未回火區(qū)，在細(xì)晶區(qū)終止，所以裂紋長(zhǎng)度都很短[9]，如圖9所示。

法國(guó)阿塞洛鋼鐵公司曾用GLEEBLE試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊縫金屬進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果，如圖10所示。由圖10可知，其再熱裂紋敏感溫度為650 ℃。因此在該鋼制容器焊后進(jìn)行ISR時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注再熱裂紋問(wèn)題。

③焊后熱處理可明顯改善該鋼焊接接頭性能，如圖11所示，因此通常規(guī)定其PWHT保溫時(shí)間最短為8 h，但最長(zhǎng)時(shí)間不能超過(guò)32 h，否則強(qiáng)度將顯著下降。

2.2? 12Cr2Mo1V（R）鋼制加氫反應(yīng)器用XY-AF605/XY-SCr2MoV焊材

（1）在鍛件、設(shè)計(jì)、制造全部實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化的大背景下，12Cr2Mo1V（R）厚壁加氫精制反應(yīng)器用焊材卻長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，四川西冶新材料股份有限公司于2019年成功研制出了配套的XY-AF605/XY-SCr2MoV埋弧焊材。

（2）XY-AF605焊劑主要成分見(jiàn)表5。

XY-AF605為氟堿性、非合金燒結(jié)焊劑，不向焊縫中過(guò)渡合金，堿度達(dá)到3.0，高堿度顯著改善了熔敷金屬的純凈度，各種氧化物和氮化物夾雜較少，擴(kuò)散氫含量實(shí)測(cè)值基本在1.2 mL/100 g左右，因此氫致冷裂紋敏感性較低。

XY-SCr2MoV焊絲以C-Si-Mn-Cr-Mo-V-Ni-Nb-Cu等合金為主，焊劑不過(guò)渡合金，熔敷金屬中的合金元素取決于焊絲成分，熔敷金屬X系數(shù)計(jì)算公式為：

X-bar=（10P+5Sb+4Sn+As）/100≤15×10-6

式中 P，Sb，Sn，As 以10-6計(jì)。

西冶公司可控制X系數(shù)小于12×10-6，這樣熔敷金屬回火脆性很小。

（3）在80 mm厚的2.25Cr-1Mo-0.25V鍛件中，采用XY-AF605/XY-SCr2MoV在30 kJ/cm、21 kJ/cm兩種焊接線能量下評(píng)估了連續(xù)焊接工藝性，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可知，該埋弧焊焊材工藝性能良好。

（4）根據(jù)API 934B對(duì)于12Cr2Mo1V（R）提出再熱裂紋敏感因子：

Kf=Pb+Bi+0.03Sb≤1.5×10-6

西冶焊材熔敷金屬Kf實(shí)測(cè)值為1.02×10-6，因此在熱處理過(guò)程中焊縫金屬產(chǎn)生再熱裂紋概率較小。

采用GLEEBLE試驗(yàn)來(lái)定量地考察熔敷金屬的再熱裂紋敏感性[10]。從熔敷金屬中截取兩件GLEEBLE試樣，試樣尺寸如圖12所示，GLEEBLE試驗(yàn)過(guò)程曲線如圖13所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

從表7可知，斷面收縮率平均值≥32%，表明該熔敷金屬產(chǎn)生再熱裂紋機(jī)率很小，與上述再熱裂紋敏感因子Kf計(jì)算結(jié)果相吻合。

（5）多批次焊材的熔敷金屬分別經(jīng)8 h和32 h PWHT后，-30 ℃ KV2值平均值不低于120 J，遠(yuǎn)高于《技術(shù)條件》要求，與國(guó)外典型焊材相當(dāng)，8 h

PWHT態(tài)的熔敷金屬組織為細(xì)小的回火貝氏體，如圖14所示。

2.3 母材與焊接材料組合試驗(yàn)

（1）本次冷裂紋試驗(yàn)采用巴頓剛性固定法。試驗(yàn)選擇了150 ℃、180 ℃兩種預(yù)熱溫度，將焊接后的試板拘束放置48 h后，解剖成5個(gè)試樣，檢查10個(gè)宏觀斷面，結(jié)果表明，在150 ℃預(yù)熱下焊縫中有個(gè)別長(zhǎng)約2 mm的小裂紋，在180 ℃預(yù)熱下焊縫中無(wú)任何裂紋，如圖15所示。

（2）采用35 mm厚的12Cr2Mo1VR鋼板進(jìn)行不同線能量焊接，焊后進(jìn)行705 ℃×8 h的PWHT，制取焊縫金屬?zèng)_擊試樣進(jìn)行-30 ℃沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如圖16所示。由圖16可知，隨著焊接線能量的增大，焊縫金屬的-30 ℃ KV2值降低，當(dāng)焊接線能量大于35 kJ/cm時(shí)，其值迅速降低至60 J，考慮V改進(jìn)鋼必須嚴(yán)格控制焊接工藝，防止晶粒長(zhǎng)大及碳化物沉淀加劇，推薦國(guó)產(chǎn)埋弧焊材的線能量不超過(guò)33 kJ/cm。

（3）在經(jīng)705 ℃×8 h PWHT處理的試板上制取焊接接頭硬度試樣，測(cè)試結(jié)果如圖17所示。可以看出，熱影響區(qū)的硬度略高于焊縫金屬，但均滿足HV10≤248設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

（4）采用300 mm厚12Cr2Mo1V鍛板，開(kāi)窄間隙坡口，焊接最大線能量為30.25 kJ/cm，焊后分別進(jìn)行705 ℃×8 h和705 ℃×32 h焊后熱處理，焊接接頭及焊縫金屬試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表8和表9。由表可知，該國(guó)產(chǎn)焊材的性能與國(guó)外產(chǎn)品相當(dāng)。

該焊縫金屬在8 h PWHT、8 h PWHT+步冷狀態(tài)下分別進(jìn)行系列沖擊，得到ΔTr54為0 ℃，其回火脆性值為-57.3 ℃（VTr54+3.0ΔVTr54），遠(yuǎn)小于0 ℃，因此該焊縫金屬基本上不產(chǎn)生回火脆性。

在705 ℃×32 h試板上制取焊縫金屬圓拉棒試樣，進(jìn)行高溫持久試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表10，可見(jiàn)焊縫金屬540 ℃高溫持久數(shù)據(jù)滿足技術(shù)要求。

3 10萬(wàn)m3原油儲(chǔ)罐用12MnNiVR鋼及配套國(guó)產(chǎn)氣電立焊用藥芯焊絲

3.1 10萬(wàn)m3原油儲(chǔ)罐用12MnNiVR鋼板

（1）為了滿足國(guó)內(nèi)建造10萬(wàn)m3原油儲(chǔ)罐（見(jiàn)圖18）的需求，需開(kāi)發(fā)抗拉強(qiáng)度為610 MPa級(jí)且適應(yīng)100 kJ/cm大線能量的12MnNiVR高強(qiáng)鋼。受現(xiàn)場(chǎng)預(yù)熱條件的限制，該鋼還需具備低焊接冷裂紋敏感性鋼的特點(diǎn)。

（2）12MnNiVR高強(qiáng)鋼設(shè)計(jì)思路如圖19 所示。 該鋼嚴(yán)格控制C含量（不大于0.10%）和Pcm值（不大于0.21%），從根本上保證其優(yōu)異的焊接性，厚度≤50 mm鋼板焊前不預(yù)熱或稍加預(yù)熱，這主要是采用合理的成分設(shè)計(jì)、組織細(xì)化、強(qiáng)韌性匹配等來(lái)實(shí)現(xiàn)。該鋼采用鐵水冶煉、二次爐外LF精煉及RH高真空等，降低鋼中的S、P、N、O、H含量，采用我國(guó)先進(jìn)TMCP和DQT技術(shù)彌補(bǔ)合金元素下降的影響，再利用調(diào)質(zhì)熱處理達(dá)到組織和性能的均勻化，相變和少量析出相等形成高密度位錯(cuò)的組織結(jié)構(gòu)，保證其具有高強(qiáng)度和高韌性。

（3）大線能量焊接技術(shù)給傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)鋼帶來(lái)了焊接粗晶區(qū)（CGHAZ）韌性惡化的問(wèn)題，尤其易形成M-A組元，如圖20所示。在焊接熱循環(huán)一定時(shí)，M-A組元形成只與合金元素含量有關(guān)。文獻(xiàn)[11-12]等研究了C、Si、Al、 Mo 、Nb 及V 等元素對(duì)M-A組元形成的影響，M-A 組元中的碳含量雖然獨(dú)立于基體組織的碳含量，但M-A 組元的數(shù)量卻隨碳含量的增加而大幅增加;在貝氏體相變時(shí)，硅在滲碳體中溶解度很低，因此聚集于滲碳體與未轉(zhuǎn)變奧氏體的表面，加劇了未相變?chǔ)孟嘀刑嫉臐饣^(guò)程，阻礙滲碳體長(zhǎng)大，使奧氏體穩(wěn)定化和 M-A 組元形成;在大線能量情況下，Nb減少晶界鐵素體促使長(zhǎng)條狀M-A組元的粗化鐵素體的形成，提高硬度值。M-A 組元面積分?jǐn)?shù)SMA[13]：

SMA=-9.748+59.002C+28.831Si+61.38Nb

由SMA公式可知，為改善CGHAZ的韌性，通過(guò)降低C、Si和添加除Nb以外的微合金元素，利用冶煉過(guò)程中形成高熔點(diǎn)的第二相質(zhì)點(diǎn)，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，阻止HAZ晶粒粗化，另外在大線能量焊接條件下，第二相質(zhì)點(diǎn)可加速形成針狀鐵素體，抑制M-A組元。寶鋼12MnNiVR鋼板在大線能量下實(shí)際焊接后HAZ中的質(zhì)點(diǎn)線掃描如圖21所示，由各元素峰值分析可見(jiàn)：夾雜物為Ti2O3、TiN、Al2O3、AlN等單個(gè)或復(fù)合粒子，從而使CGHAZ組織轉(zhuǎn)變?yōu)橐载愂象w+針狀鐵素體為主，如圖22所示，原奧氏體晶界完全消失，被在奧氏體晶界形核并長(zhǎng)大的晶界鐵素體所取代。較大的應(yīng)變和位錯(cuò)密度，且位錯(cuò)呈交錯(cuò)排列，使CGHAZ具有較高的強(qiáng)韌性和阻止裂紋擴(kuò)展的能力[14]。

3.2? 12MnNiVR鋼氣電立焊用JQ.YJL60G藥芯焊絲

（1）大型儲(chǔ)罐均采用氣電立焊來(lái)大幅度提高焊接效率，其610 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼藥芯焊絲在100 kJ/cm大焊接線能量下，脫渣性好、焊縫成形美觀、焊縫低溫沖擊韌性高。合肥通用院與天津金橋焊材公司于2017年成功研制出12MnNiVR鋼氣電立焊用JQ.YJL60G藥芯焊絲，于今年開(kāi)始在工程上大量應(yīng)用。

（2）氣電立焊藥芯焊絲非金屬藥粉的比例雖很少，但起到造渣、穩(wěn)弧、保證電弧穩(wěn)定燃燒、減小飛濺及脫氫等重要作用。CaF2是主要的脫氫劑，可以顯著降低焊縫擴(kuò)散氫含量;CaCO3分解生成的CO2可排除焊縫周圍空氣，阻止氮?dú)膺M(jìn)入液態(tài)金屬中，并降低電弧氣氛中氫分壓;TiO2和SiO2熔點(diǎn)較高，鍵能較小，被排擠到熔渣的表面層中，表面張力小，可降低熔滴表面張力和熔渣堿度，細(xì)化熔滴，減少飛濺，改善焊縫成形和脫渣性等;穩(wěn)弧劑中K+、Na+可提供電子，提高電弧穩(wěn)定性，降低焊渣熔點(diǎn)。本次氣電立焊藥芯焊絲的渣系為氟化物-CaO-MgO，焊渣量為2%～6%，脫渣率見(jiàn)表11。

為降低焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量，對(duì)非金屬類藥粉進(jìn)行800 ℃以上高溫烘焙，去除藥粉中結(jié)晶水，可大幅度提高焊縫金屬的韌性;另外使非金屬藥粉由片狀改變成球狀，有利于填滿金屬粉之間的縫隙，防止在拔絲過(guò)程中產(chǎn)生“空管”。

（3）本次氣電立焊藥芯焊絲采用逆向設(shè)計(jì)，通過(guò)不同合金成分下金屬的凝固曲線及析出相特性等特點(diǎn)，對(duì)焊縫組織及性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析不同元素夾雜物的形核能力，確定選用Mn-Ni-Mo-Ti合金系復(fù)合微合金化。在焊絲配方中加入大量合金成分，使之在焊接過(guò)程中不僅脫去O、N、H等有害氣體以及S、P等有害雜質(zhì)元素，還可以避免產(chǎn)生氣孔、裂紋及夾雜等焊接缺陷。

加入微合金Ti元素使電弧集中、穩(wěn)定，減少飛濺，細(xì)化晶粒，提高焊縫金屬?zèng)_擊韌性，另外Ti元素與O的親和力大，增加Mn、Si等合金元素過(guò)渡系數(shù)，Ti還可與N結(jié)合，降低焊縫金屬氣孔敏感性;加入少量稀土，增加脫氧，且稀土氧化物可促使鐵素體盡快形核，有利于焊縫金屬中形成細(xì)小的針狀鐵素體，如圖23所示。

（4）氣電立焊專用藥芯焊絲常用規(guī)格為1.6 mm，焊接電流300～400 A，添加藥芯主要是為保證這種特殊的焊接工藝方法能夠連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行，并且最大限度提高其焊接效率。氣電立焊藥芯焊絲填充比若過(guò)低，不利于大電流焊接，影響焊接效率;如果填充過(guò)高，鋼帶外皮薄，在高速送絲過(guò)程中焊絲易被壓扁，將會(huì)影響送絲穩(wěn)定性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：藥粉填充比×100≈鋼帶寬度÷鋼帶厚度，最終確定該焊絲填充比為24%±0.5%。

3.3? ?母材與焊材組合試驗(yàn)

（1）參照NB/T47014制作試板，進(jìn)行焊接性能試驗(yàn)。焊接線能量對(duì)焊縫金屬低溫韌性的影響如圖24所示。由圖24可知，在70～120 kJ/cm范圍內(nèi)，隨著焊接線能量的增加，焊縫金屬-20 ℃ KV2下降特性不明顯，當(dāng)焊接線能量達(dá)120 kJ/cm時(shí)，焊縫金屬-20 ℃ KV2仍為145 J，遠(yuǎn)高于技術(shù)要求值。但從12MnNiVR母材角度考慮，其焊接線能量不宜超過(guò)100 kJ/cm。

（2）焊縫金屬落錘試驗(yàn)。

采用21mm厚的12MnNiVR試板進(jìn)行氣電立焊，焊接線能量為114 kJ/cm，制取落錘P2試樣，按GB/T 6803進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表12。由表12可知，立焊位置焊縫金屬NDTT溫度為-50℃，表明該焊縫金屬止裂能力較強(qiáng)。

（3）參照NB/T47014選用21 mm厚的鋼板進(jìn)行氣電立焊，采用單V型坡口，焊縫一次成形，焊接線能量為108 kJ/cm，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。由表13可知，在焊接線能量為108 kJ/cm時(shí)，焊縫金屬低溫沖擊韌性相比《技術(shù)條件》要求值仍有很大的裕量。

4 總結(jié)和建議

目前我國(guó)針對(duì)高參數(shù)容器用鋼材及焊材雖已進(jìn)行了一些焊接性研究工作，但缺乏系統(tǒng)性、完整性，尤其機(jī)理方面的研究更少，應(yīng)用中出現(xiàn)的很多疑難雜癥并未完全攻克，加之鋼廠和焊材廠之間的障礙，突破高端鋼材和焊材焊接性研究瓶頸，尚任重而道遠(yuǎn)。建議重點(diǎn)對(duì)以下幾點(diǎn)開(kāi)展研究：

（1）我國(guó)現(xiàn)代化的煉鋼已使鋼中雜質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量∑（S+P+O+N+H）由傳統(tǒng)550×10-6～600×10-6直接跨越到小于200×10-6， 甚至達(dá)到小于100×10-6的國(guó)際先進(jìn)水平，其中w（S）≤0.002%，為高品質(zhì)的鋼材提供了先決條件，鋼板中添加合金元素適量即可，需嚴(yán)格控制Ceq和Pcm值，不必過(guò)分追求高韌性，使鋼板由可焊變?yōu)橐缀浮?/p>

（2）目前壓力容器用部分TMCP鋼板，當(dāng)采用小焊接線能量時(shí)熱影響區(qū)硬度高達(dá)400 HV10，直接導(dǎo)致鋼板報(bào)廢。筆者雖處理過(guò)該類案例，但國(guó)內(nèi)尚無(wú)鋼廠對(duì)此進(jìn)行深入研究。

（3）國(guó)內(nèi)缺少再熱裂紋產(chǎn)生機(jī)理方面的研究。

（4）目前TOFD技術(shù)在球罐上大量應(yīng)用，但有時(shí)會(huì)在仰焊位置的TOFD影像上出現(xiàn)大面積疑似氣孔，但挖開(kāi)后又不見(jiàn)氣孔，造成現(xiàn)場(chǎng)大量焊接返修，TOFD技術(shù)人員應(yīng)配合焊材廠進(jìn)行相關(guān)研究。

（5）我國(guó)焊接材料廠應(yīng)密切關(guān)注鋼企的發(fā)展動(dòng)態(tài)與方向，加強(qiáng)與鋼企的溝通，提前布局，力爭(zhēng)鋼板與焊材之間的完美配套。

（6）評(píng)價(jià)鋼材和焊材的焊接性時(shí)應(yīng)引入“焊接線能量敏感性”指標(biāo)，即兩者采用較大焊接線能量時(shí)，沖擊韌性下降幅度不可過(guò)大。

（7）為防止高強(qiáng)度低碳貝氏體鋼的焊縫金屬產(chǎn)生裂紋，國(guó)外提倡焊材與母材可適當(dāng)?shù)牡蛷?qiáng)匹配，我國(guó)可否效仿，需深入研究和探討。

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Research overview on weldability of domestic high-end steels

and welding materials for pressure vessels

FANG Wunong， JIANG Jun

（Hefei General Machinery Research Institute Co.， Ltd.， Hefei 230031， China）

Abstract： There is an obvious gap between China and developed countries in the weldability research of steel and welding materials. In recent years， a lot of detailed research works have been done on weldability of several domestic high-end steels and welding materials for pressure vessels. That is， making steel from the point of view of welding， to make the steel from ‘weldable’ to ‘easry to welding’. Through reasonably selecting the welding slag system and optimizing the alloy system and formula， the welding materials have good performance. A good match between welding material and steel is realized， the welding joint has low crack sensitivity， low welding heat input sensitivity， good crack arrest performance and good low temperature impact toughness， which provides a strong guarantee for the welding quality of pressure vessels.

Key words： steel; welding materials; process weldability; mechanical property