朱超兵 銀潤(rùn)邦 羅永飛

摘要： 通過(guò)對(duì)09MnNiDR焊接工藝、熱處理工藝和熱成型工藝進(jìn)行研究，分析了出影響該鋼焊接接頭性能和原材料熱成型后性能的主要因素，從而確定出09MnNiDR合理的焊接工藝、熱處理工藝和熱成型工藝。

關(guān)鍵詞： 焊接；熱處理；熱成型

中圖分類(lèi)號(hào)： TG-444

Abstract： The welding， heat treatment and thermoforming processes have been investigated for the 09MnNiDR steel in this studyThe main influence factors for the performance of welded joints and raw materials after thermoforming were summarizedAccordingly， reasonable welding， heat treatment and thermoforming processes were determined for this steel.

Key words： welding；heat treatment；thermoforming

0 前言

09MnNiDR為鐵素體+少量珠光體型低溫用鋼，可用于制備-45～-70 ℃低溫壓力容器。Mn，Ni為其主要合金元素，Mn通過(guò)固溶強(qiáng)化來(lái)提高鋼材的強(qiáng)度，而Ni能改善鐵素體的低溫韌性，并具有明顯降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度的作用。目前，09MnNiDR鋼主要應(yīng)用于石油、化工設(shè)備的低溫容器制造。

標(biāo)準(zhǔn)GB 3531—2014 《低溫壓力容器用鋼板》中，將09MnNiDR 在-70 ℃低溫沖擊值提高到了60 J，同時(shí)硫含量降低至≤0.008%，相比于GB 3531—2008 《低溫壓力容器用低合金鋼板》有較大的提高。特別是對(duì)沖擊值要求的提高，增大了其焊接和熱成型的難度，之前的研究結(jié)果不一定適應(yīng)于新標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，文中從焊接材料的選型、焊接過(guò)程中規(guī)范的控制、焊后熱處理溫度及熱成型溫度的選擇等方面開(kāi)展試驗(yàn)研究。

1 焊接工藝研究

1.1 母材要求

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定09MnNiDR低溫鋼母材的合金成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1及表2。原材料供貨狀態(tài)為正火狀態(tài)，正火溫度為910 ℃。

1.2 焊材選型

1.2.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)母材性能，焊條電弧焊選擇了3種焊材，分別是焊條M1 ，焊條M2，焊條M3。自動(dòng)焊焊材有兩種，分別是W1和W2。對(duì)以上焊材采用如圖1所示的坡口進(jìn)行堆焊全焊縫金屬，焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

在厚度為50 mm的試板上堆焊完后，按照620 ℃溫度進(jìn)行焊后熱處理3 h，如圖2所示。

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

焊材熔敷金屬合金化學(xué)成分見(jiàn)表4。堆焊焊縫金屬的拉伸、彎曲、沖擊（按NB/T47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》，下同）等力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

從表4， 5看出，3種焊條均能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度值，彎曲也合格，焊條M2的抗拉強(qiáng)度最高，與其化學(xué)元素Si，Mn含量高有關(guān)，這兩種元素均為強(qiáng)化元素。焊條M3沖擊吸收能量不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的60 J。焊條M1，M2均滿(mǎn)足要求且數(shù)據(jù)很接近。因此，焊條M1，M2可以作為09MnNiDR低溫鋼焊條電弧焊焊接材料。

從表5數(shù)據(jù)顯示，W1和W2自動(dòng)焊焊材的抗拉強(qiáng)度均滿(mǎn)足GB 3531—2014 《低溫壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)要求，彎曲合格，沖擊吸收能量W1，W2滿(mǎn)足要求，且有較大的富裕度。因此，W1和W2埋弧焊焊材均能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，可以用于09MnNiDR低溫鋼的焊接。

根據(jù)上述試驗(yàn)，在后續(xù)試驗(yàn)中，焊條選擇M1，埋弧焊焊材選擇W2。

1.3 焊接工藝試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)條件

在不同焊接熱輸入和熱處理規(guī)范下進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表6。坡口如圖3所示。[LM]

1.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試樣的性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

從表7可見(jiàn)，在熱輸入較小和層間溫度較低的情況下，焊接接頭經(jīng)歷退火后，焊接接頭中的熱影響區(qū)和焊縫處的力學(xué)性能均能滿(mǎn)足GB 3513—2014《低溫壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3.3 分析

[HJ*4/7]3種焊條熔敷金屬化學(xué)成分值大致接近，但M2焊條的Si含量較高，是M1焊條的2倍，接近M3焊條的4倍，Mn含量也較其它兩種高出約1/3，通過(guò)對(duì)比可知其強(qiáng)度也明顯比其它兩種焊材要高，這是因?yàn)镾i，Mn兩種元素均為強(qiáng)化元素。埋弧焊的兩種焊接材料熔敷金屬化學(xué)成分很接近，均符合低溫鋼埋弧焊焊絲Ni含量在3.50%左右的要求。

從B1與B2，C1與C2，D1與D2的對(duì)比知，在其余條件相同的情況下，590 ℃和620 ℃熱處理的焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，相對(duì)來(lái)說(shuō)590 ℃熱處理的焊縫沖擊吸收能量比620 ℃熱處理的焊縫沖擊吸收能量高一些，這與相關(guān)資料[1]研究結(jié)果比較符合。通過(guò)B1與C1，B2與C2比較可得出這樣一個(gè)規(guī)律，焊接熱輸入增大對(duì)熱影響區(qū)和焊條電弧焊焊焊縫的沖擊吸收能量影響較明顯，熱輸入增大，沖擊吸收能量降低，在一定范圍內(nèi)，對(duì)埋弧焊焊縫影響不大，沖擊功沒(méi)有降低，仍能保持較高的沖擊吸收能量。由C1與D1比較，C2與D2比較可得出這樣一個(gè)規(guī)律，層間溫度升高，熱影響區(qū)的沖擊吸收能量降低，焊條電弧焊焊縫的沖擊吸收能量也降低，對(duì)埋弧焊影響不明顯。

2 熱成型工藝研究

由于在制造過(guò)程中，母材要通過(guò)高溫卷圓，而材料冷脆轉(zhuǎn)變溫度與鐵素體晶粒直徑有著線性關(guān)系，母材經(jīng)熱成型后應(yīng)保證其晶粒度級(jí)別不降低。為此母材高溫卷圓加熱溫度的選擇是在保證合金元素充分溶入固溶體的前提下，控制加熱溫度不過(guò)高于正火溫度。如果高溫卷圓加熱溫度過(guò)高，容易造成晶粒粗大，后續(xù)正火校圓過(guò)程其細(xì)化晶粒、恢復(fù)性能效果會(huì)稍差。正火校圓由于變形量相對(duì)小，其溫度剛好控制在原材料正火溫度區(qū)間，這樣既可正火校圓也可對(duì)母材進(jìn)行正火。

按照GB 150—2011《壓力容器》規(guī)定最終產(chǎn)品還要進(jìn)行焊后熱處理，因此母材經(jīng)歷的熱處理狀態(tài)為正火卷圓+正火校圓或正火+焊后熱處理。為了便于熱壓，一般希望熱壓溫度較高，但較高的熱壓溫度是否會(huì)對(duì)性能有影響，需要在試驗(yàn)中進(jìn)行研究。

2.1 原材料熱成型工藝研究

2.1.1 試驗(yàn)條件

對(duì)于熱卷筒節(jié)和封頭壓制，由于經(jīng)歷熱成型和其后的熱校圓或正火，需要進(jìn)行兩次Ac3以上的熱處理，之后還要進(jìn)行整體焊后熱處理。因此，具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表8。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

原材料經(jīng)過(guò)不同正火熱處理后，力學(xué)性能見(jiàn)表9。

通過(guò)表9數(shù)據(jù)可知， 經(jīng)2#熱處理方案熱處理后，綜合力學(xué)性能最佳。3#，4#沖擊吸收能量中各出現(xiàn)一值低于標(biāo)準(zhǔn)要求，這與正火卷圓溫度過(guò)高有關(guān)。

2.2 接頭熱成型工藝研究

2.2.1 試驗(yàn)條件

對(duì)于熱卷筒節(jié)，由于熱卷在縱縫焊接前進(jìn)行，因此焊縫只經(jīng)歷一次正火+一次焊后熱處理。對(duì)于封頭，由于焊縫要經(jīng)歷熱壓+正火+焊后熱處理，因此需要兩次正火+一次焊后熱處理，結(jié)合2.1的結(jié)果，為保證原材料性能，對(duì)經(jīng)歷兩次正火的焊縫，選擇910 ℃+910 ℃+590 ℃進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表10。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同熱處理規(guī)范下焊接接頭力學(xué)性能見(jiàn)表11。

從表11中數(shù)據(jù)可知，焊條電弧焊接頭單次正火+焊后熱處理后，其接頭力學(xué)性能更為優(yōu)異，但其經(jīng)過(guò)兩次正火后，雖然焊縫沖擊值明顯降低，但仍能滿(mǎn)足要求。

2.3 分析

正火溫度通常在奧氏體化溫度以上，不同的正火溫度對(duì)試樣的組織影響很大。奧氏體化的保溫溫度與保溫時(shí)間對(duì)晶粒的粗細(xì)起著重要的作用，在奧氏體化保溫時(shí)間相同的情況下，奧氏體化溫度越高，原子擴(kuò)散越快、晶界遷移速度越快、晶粒長(zhǎng)大的速度也就越快、得到的奧氏體晶粒越粗大，最終冷卻后得到的組織也就越粗大[2]。根據(jù)公式σs=σ0+Kd-1/2 [3]可知，金屬材料的晶粒變粗大后，會(huì)導(dǎo)致原材料強(qiáng)度降低。因此，焊縫經(jīng)過(guò)正火后，晶粒發(fā)生顯著長(zhǎng)大，導(dǎo)致其強(qiáng)度有不同程度的下降。

3 結(jié)論

（1） 焊接熱輸入、層間溫度對(duì)沖擊吸收能量有影響，隨著熱輸入量和層間溫度的升高，熱影響區(qū)和焊條電弧焊焊縫的沖擊吸收能量降低。焊條電弧焊熱輸入宜在15 kJ/cm以?xún)?nèi)，埋弧焊熱輸入在15 kJ/cm以?xún)?nèi)，層間溫度不超過(guò)160 ℃可滿(mǎn)足要求。

（2） 焊后熱處理溫度對(duì)接頭沖擊吸收能量有一定的影響，590 ℃熱處理的接頭沖擊性能優(yōu)于620 ℃。

（3） 對(duì)于熱成型的產(chǎn)品，熱成型溫度應(yīng)在910～960 ℃，正火溫度應(yīng)在910 ℃，最終退火溫度應(yīng)為590～620℃，最佳規(guī)范為910 ℃+910 ℃+590 ℃。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉玉華， 高海水. 09MnNiDR鋼制低溫壓力容器焊接工藝的確定[J]. 壓力容器， 2002， 19（1）：32-34.

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[3] 崔忠圻. 金屬學(xué)與熱處理原理[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003