焊后熱處理對(duì)09MnNiDR 低溫鋼焊接性能的影響

呂仲光， 安鈞洳， 何世軍， 趙思琪

（中石油第二建設(shè)有限公司， 蘭州 730060）

某石化廠新建的三套煉油裝置中 “3 萬(wàn)t/年聚丙烯裝置” 項(xiàng)目的臥式、 立式壓力容器等設(shè)備設(shè)計(jì)選材為09MnNiDR 低溫鋼， 設(shè)計(jì)溫度不低于-70 ℃。 該低溫設(shè)備的封頭需焊后熱沖壓成形， 再進(jìn)行整臺(tái)設(shè)備的組裝與焊接。 針對(duì)09MnNiDR 低溫鋼焊后需正火處理這一工藝要求進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)， 以便制定合理的焊接工藝，來(lái)滿足施工方的焊接性能與質(zhì)量要求。

1 09MnNiDR 鋼的性能

1.1 09MnNiDR 鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能

09MnNiDR 低溫用鋼執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB 3531—2008 《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》， 09Mn-NiDR 主要用于低溫下工作的容器、 管道和結(jié)構(gòu)[1-4]，如液化石油氣儲(chǔ)罐、 冷凍設(shè)備及石油化工低溫設(shè)備等， 其化學(xué)成分見表1， 力學(xué)性能見表2。

表1 09MnNiDR 低溫鋼的化學(xué)成分%

表2 09MnNiDR 低溫鋼的力學(xué)性能

低溫用鋼的主要性能要求是保證在使用溫度下具有足夠的韌性及抗脆性破壞的能力[5-7]。 低溫用鋼一般通過(guò)合金元素達(dá)到固溶強(qiáng)化、 晶粒細(xì)化，并通過(guò)正火或正火＋回火的熱處理方法， 達(dá)到細(xì)化晶粒、 均化組織的目的， 從而獲得良好的沖擊韌性。 09MnNiDR 低溫鋼的含碳量不高， 在常溫下具有較好的塑性和韌性， 冷加工或熱加工工藝均可采用。 09MnNiDR 是鐵素體＋少量珠光體型低溫鋼， 鐵素體的晶粒度對(duì)斷裂韌性的影響十分明顯。鐵素體的晶粒尺寸越細(xì)小， 鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度將向低溫方向移動(dòng)。 因此， 凡是促使細(xì)化晶粒的合金元素， 加入適當(dāng)量時(shí)， 都能改善其韌性。 此外，通過(guò)正火處理也有利于獲得細(xì)化晶粒的效果。

1.2 09MnNiDR 低溫鋼的焊接性

焊接性是指材料在限定的施工條件下焊接成按規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件， 并滿足預(yù)定服役的能力[8]。它包含兩方面內(nèi)容： 一是焊成的構(gòu)件符合設(shè)計(jì)的要求； 二是滿足預(yù)定的使用條件， 能夠安全運(yùn)行。 根據(jù)這兩方面的內(nèi)容， 優(yōu)質(zhì)的焊接接頭應(yīng)具備兩個(gè)條件， 即接頭中不存在超過(guò)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的缺陷， 同時(shí)具有預(yù)期的使用性能。

焊接時(shí)， 產(chǎn)生各種焊接缺陷和影響接頭性能的因素有很多[9]， 既有鋼材的內(nèi)在因素， 如化學(xué)成分、 組織狀態(tài)、 厚度等， 又有焊接條件的外在因素， 例如焊接材料、 焊接方法、 焊接工藝及參數(shù)、 結(jié)構(gòu)形式、 焊工技術(shù)水平等。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 焊接材料及牌號(hào)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工和裝配條件， 09MnNiDR 低溫鋼的焊接方法確定為焊條電弧焊。 這種焊接方法操作靈活， 可焊金屬材料范圍廣， 對(duì)組件的裝配質(zhì)量要求較低。 選用低溫鋼焊條E5015-N5P（牌號(hào)W707）， 符合GB/T 5117 標(biāo)準(zhǔn)， 焊條規(guī)格為Φ3.2 mm 和Φ4.0 mm， 焊條化學(xué)成分見表3、主要性能見表4。

表3 W707 焊條的熔敷金屬化學(xué)成分%

表4 W707 焊條的主要性能指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙及各種不同因素綜合考慮， 并且要滿足焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求， 選用厚度20 mm 鋼進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.3 焊接坡口尺寸與形式

考慮到焊接坡口尺寸與形式必須使焊工操作方便， 且這樣做有利于焊接防護(hù)， 在保證使用性能的前提下盡量減少焊縫金屬的填充量， 避免產(chǎn)生焊接缺陷和減少焊接應(yīng)力與變形。

X 形焊接坡口形式[10]及尺寸如圖1 所示。焊接坡口內(nèi)側(cè)角度α=60°， 外側(cè)角度β=70°，鈍邊距內(nèi)側(cè)母材表面距離H=10.0 mm， 間隙b=3.0～4.0 mm。

圖1 X 形焊接坡口示意圖

2.4 焊接位置

焊接位置也是焊接工藝評(píng)定的重要因素， 焊接位置的改變， 增加了焊接難度， 考慮到施工方的實(shí)際作業(yè)需求， 依據(jù)NB-T47014—2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[11]， 選定焊接工藝試驗(yàn)的焊接位置為平焊位置。

2.5 焊前預(yù)熱溫度與層間溫度

根據(jù)板材的厚度和實(shí)際的環(huán)境溫度， 選擇焊前不預(yù)熱 （即預(yù)熱實(shí)際溫度為室溫）， 層間溫度略高于預(yù)熱溫度[12]。

2.6 焊后熱處理

為了能夠更好地滿足焊接接頭的工藝與力學(xué)性能[13]， 經(jīng)過(guò)上述對(duì)09MnNiDR 低溫鋼的分析， 初步選定分別用正火、 正火+回火兩種焊后熱處理方法對(duì)試件進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)， 并對(duì)試件進(jìn)行對(duì)比分析， 從中選取更為合理的焊后熱處理方式。

3 焊接工藝試驗(yàn)對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證09MnNiDR 低溫鋼焊接后經(jīng)正火處理和正火+回火處理的低溫沖擊韌性， 進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。 試驗(yàn)選用相同的焊接工藝參數(shù)， 采用多層焊多道焊和窄道焊焊接， 擺動(dòng)參數(shù)控制在0～5 mm， 嚴(yán)格控制焊接熱輸入及層間溫度。 實(shí)際焊接工藝參數(shù)見表5， 熱處理工藝參數(shù)見表6。

表5 09MnNiDR 低溫鋼對(duì)比試驗(yàn)的實(shí)際焊接工藝參數(shù)

表6 09MnNiDR 低溫鋼焊后熱處理工藝參數(shù)

沖擊試驗(yàn)依照NB-T47014—2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》 進(jìn)行， 試驗(yàn)結(jié)果見表7。 另外， 拉伸及彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表7 09MnNiDR 低溫鋼試件沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表8 09MnNiDR 低溫鋼試件拉伸及彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表7 試驗(yàn)結(jié)果可看出， 試件PDW009、PDW010 經(jīng)焊后正火處理后沖擊韌性不能夠滿足工藝與使用性能要求。 試件PDW012 經(jīng)焊后正火+回火處理后， 晶粒得到細(xì)化， 組織均勻化，沖擊韌性得到提高， 可以滿足工藝與使用性能要求。 但按焊接工藝評(píng)定覆蓋厚度要求， 回火處理時(shí)間不能覆蓋其厚度上限。 試件PDW011 經(jīng)焊后正火+回火處理后， 晶粒得到細(xì)化、 組織均勻化，沖擊韌性得到很大提高， 完全滿足工藝與使用性能要求。 因此選取PDW011 焊后正火+回火處理，即正火處理溫度（850～880 ） ℃、 60 min 后空冷，回火處理溫度（600～650） ℃、 60 min 后緩冷。

從編號(hào)為PDW010 和PDW011 的試件上切取金相試樣， 焊縫均采用4%硝酸酒精腐蝕[14]。PDW010 焊接接頭的組織如圖2 所示， PDW011焊接接頭的組織如圖3 所示。

圖2 PDW010（正火） 焊接接頭的金相組織

圖3 PDW011（正火+回火） 焊接接頭的金相組織

通過(guò)圖2 和圖3 可以看出， PDW010 和PDW011 焊接接頭的組織基本相同， 熔合線處熔合良好， 焊縫組織均呈現(xiàn)柱狀晶生長(zhǎng)。 以圖3 所示PDW011 焊接接頭組織為例， 圖3 （a） 和圖3 （b）中有垂直方向和傾斜的柱狀晶， 圖3 （c） 中也有傾斜的柱狀晶。 焊縫中白色和灰色晶粒是固溶了Mn 等合金元素的鐵素體， 晶內(nèi)鐵素體基體上的黑色點(diǎn)狀組織是細(xì)小的氧化物顆粒， 淺色小點(diǎn)則是滲碳體， 黑色的小塊組織是極細(xì)小的珠光體。 圖3 （d） 母材組織呈現(xiàn)帶狀軋制組織， 帶狀組織不顯著， 說(shuō)明可能是熱軋板， 變形量較小， 組織是白色的鐵素體基體和少量的極細(xì)小珠光體， 以及小顆粒的滲碳體。 從圖3 （c） 焊縫接頭的組織看， 熔合線組織細(xì)小， 熔合良好， 形成了共同晶粒， 說(shuō)明焊接質(zhì)量良好[15]。 總體來(lái)看， 無(wú)粗大組織。

由金相組織分析可知， PDW011 焊接接頭的晶粒組織比PDW010 焊接接頭的組織鐵素體顆粒更細(xì)小， 從而具備更好的低溫沖擊韌性。 同樣的焊接工藝條件下， 焊后熱處理選用正火+回火形式比僅作正火處理能夠獲得更優(yōu)的焊接性能和組織。

4 結(jié)束語(yǔ)

09MnNiDR 鋼為鐵素體+少量珠光體型低溫用鋼， 其碳當(dāng)量≤0.44%， 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(wú)需預(yù)熱。 焊接時(shí)， 應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝， 采用多層多道焊、 窄焊道焊接， 嚴(yán)格控制焊接熱輸入和層間溫度。 經(jīng)（850～880） ℃×60 min 空冷的正火處理及 （600～650） ℃×60 min 緩冷的回火處理后， 能得到比較細(xì)小均勻的晶粒與組織， 保證焊后各項(xiàng)工藝、 力學(xué)、 使用性能指標(biāo)符合規(guī)范與設(shè)計(jì)要求。 經(jīng)多次試驗(yàn)論證， 有效地驗(yàn)證了該焊接工藝的可行性。