低溫儲罐用13MnNi6-3鋼板焊接性能研究*

李治陽

(無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214151)

低溫儲罐用13MnNi6-3鋼板系EN10028-4標(biāo)準(zhǔn)的低溫壓力容器用鋼板，與GB/T 3531-2014中09MnNiDR鋼板相比較，13MnNi6-3鋼板最低使用溫度-60 ℃，高于09MnNiDR鋼板的-70 ℃，但其強(qiáng)度指標(biāo)明顯高于09MnNiDR鋼板，20 mm厚度規(guī)格的16MnNi6-3鋼板屈服強(qiáng)度下限為355 MPa，而09MnNiDR鋼板屈服強(qiáng)度下限為280 MPa。因此，利用13MnNi6-3鋼板建造的-60 ℃低溫儲罐將有效的減少管壁厚度，從而減少材料使用量[1-3]。

儲罐的整體質(zhì)量取決于焊縫的質(zhì)量[4-6]，13MnNi6-3鋼板的焊接性能是決定其應(yīng)用的關(guān)鍵因素，本文比較了不同焊接線能量下手工焊焊接方式對焊接試板性能的影響，以盼為工程現(xiàn)場提供參考依據(jù)。

1 焊接材料

選用板厚20 mm規(guī)格的13MnNi6-3鋼板，鋼板母材熔煉成分范圍、力學(xué)性能及工藝性能如表1、表2所示；選用哈爾濱威爾W707DR焊條進(jìn)行了一系列SMAW的試驗(yàn)，該焊條符合標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47108，AWS A5.5 E8016-C1，GB/T 5117 E5516-N5等標(biāo)準(zhǔn)焊條典型化學(xué)成分及力學(xué)性能如表3、表4所示。

表1 鋼板化學(xué)熔煉成分范圍Table 1 Chemicalheatcompositionof steel plate (wt%)

表2 母材力學(xué)性能及工藝性能Table 2 Mechanical properties and process properties of base metal

表3 焊條化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of electrode (wt%)

表4 焊條力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of electrode

母材開V型坡口，開坡口的主要目的是為了獲得合理的熔透深度和焊縫形狀，合適的坡口能有效減小焊接變形和焊接殘余應(yīng)力。在滿足焊接工藝性能的前提下，盡量使坡口左右處于對稱狀態(tài)，并減小坡口角度。這樣填充金屬量減小且焊接應(yīng)力對稱抵消，有效減小了焊接殘余應(yīng)力，防止因應(yīng)力所致的焊接裂紋。本項(xiàng)目的試板均采用V型坡口，如圖1所示。焊后通過射線探傷，未見明顯缺陷。

圖1 焊接接頭實(shí)物圖Fig.1 Welded joint

2 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)

焊前預(yù)熱的主要目的是減小接頭焊后的冷卻速度、避免產(chǎn)生淬硬組織和減小焊接應(yīng)力與變形，是防止焊接裂紋產(chǎn)生的有效辦法。本研究焊接前利用斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)研究預(yù)熱溫度對鋼板焊接裂紋的影響規(guī)律，預(yù)熱溫度分別為室溫，50 ℃，75 ℃，100 ℃。接入如表5所示。室溫下斷面及根部的裂紋發(fā)生率低于5%；預(yù)熱50 ℃斷面及根部的裂紋發(fā)生率為0。結(jié)合鋼板良好的低溫韌性、斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮到大罐在制造過程中不便于預(yù)熱，因此本研究焊接接頭無進(jìn)行焊前預(yù)熱。

表5 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Welding crack test results of inclined Y groove

3 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)

按照GB/T 4675.5《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，采用維氏硬度，結(jié)果如圖2所示。圖2中0點(diǎn)表示焊縫中心處，間隔1 mm做HV10硬度，從圖中可以看出，在熔合線處出現(xiàn)了硬度極大值，達(dá)到200HV10左右，母材及焊縫的硬度則相對較低。

圖2 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)Fig.2 Maximum hardness test of welding heat affected zone

4 不同輸入能量對焊接接頭性能的影響

表6 焊接線能量試驗(yàn)焊接參數(shù)Table 6 Welding parameters of welding line energy test

表7 鋼板焊接接頭拉伸性能Table 7 Tensile properties of welded joints of steel plates

續(xù)表7

選用不同的焊接線能量焊接試板，線能量焊接參數(shù)線能量如表6所示。鋼板焊接接頭拉伸試驗(yàn)，每組做2個(gè)拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示；對焊縫區(qū)和熱影響區(qū)分別做了低溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示；20 kJ/cm線能量焊接鋼板焊縫區(qū)、熔合線及熱影響區(qū)系列溫度沖擊試驗(yàn)如圖3所示，橫向試樣。

表8 SMAW焊接接頭不同焊接工藝沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Impact test results of SMAW welded joint with different welding processes

圖3 SMAW焊接接頭焊態(tài)系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Welding state series temperature impact test results of SMAW welded joint

從表7可以看出，隨著輸入能量的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度略有增加，但低于交貨態(tài)母材及焊材抗拉強(qiáng)度；斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)。隨著焊接熱輸入的增加，焊接速率響應(yīng)的提升，導(dǎo)致焊接焊縫溫度較高，冷卻速率較快，類似于淬火效應(yīng)，導(dǎo)致焊縫的抗拉強(qiáng)度增加；與之對應(yīng)的，鋼板母材熱影響區(qū)反復(fù)受到熱循環(huán)的影響，相當(dāng)于對母材的回火熱處理，導(dǎo)致熱影響區(qū)母材強(qiáng)度降低；結(jié)合圖2分析，在焊接接頭區(qū)域，熱影響區(qū)的硬度低于焊縫硬度，因此，表現(xiàn)為焊接接頭母材熱影響區(qū)斷裂，且焊接接頭斷裂的抗拉強(qiáng)度低于交貨態(tài)母材及焊材的抗拉強(qiáng)度。

由表8可知，隨著焊接輸入能量的增加，焊接接頭整體沖擊吸收能量呈下降趨勢，熔合線處的沖擊吸收能量低于母材及焊縫的沖擊吸收能量。從焊接材料的化學(xué)成分分析，焊材中Ni含量較高，即使是鑄態(tài)的焊縫依然能保證較高的沖擊韌性；熔合線區(qū)域，焊材中的Ni元素被母材稀釋，另外受到熱循環(huán)的影響，熔合線接近于淬火態(tài)，沖擊韌性明顯降低。

圖3表明，焊縫及FL+2 mm處的沖擊吸收能量高于熔合線處沖擊吸收能量，但以47 J作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，焊縫，熔合線，熔合線+2 mm的脆性轉(zhuǎn)變溫度均低于-70 ℃，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

5 焊接接頭金相組織

圖4與圖5為焊接接頭金相照片，均為500×，焊縫金相表現(xiàn)為鑄態(tài)組織，F(xiàn)L+2 mm處母材為鐵素體+珠光體，整體上晶粒較細(xì)化。

圖4 焊縫金相組織(500×)Fig.4 Metallographic structure of weld (500×)

圖5 FL+2 mm金相組織(500×)Fig.5 Metallographic structure of FL+2 mm (500×)

6 結(jié) 論

以20 mm厚度規(guī)格13MnNi6-3鋼板焊接接頭為研究對象，研究結(jié)果：(1)斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)研究表明鋼板焊接后裂紋發(fā)生傾向較低，鋼板焊接無需預(yù)熱；(2)焊接接頭熔合線處出現(xiàn)了硬度極大值；(3)結(jié)合硬度分析、拉伸性能及低溫韌性，熔合線類似于淬火區(qū)，硬度較高而韌性較低，F(xiàn)L+2 mm處則表現(xiàn)為硬度與強(qiáng)度較低，但韌性優(yōu)良；(4)焊縫金相表現(xiàn)為鑄態(tài)組織，F(xiàn)L+2 mm處母材為鐵素體+珠光體。