10Ni3MoVD鍛件焊接裂紋敏感性試驗研究

竇萬波，卜華全，陸戴丁，章小滸

(合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)中心，安徽合肥 230031)

0 引言

隨著裝置的大型化，乙烯球罐設(shè)計溫度大都處于－45～－50℃［1］，這就要求用于乙烯球罐的鋼板、鍛件及焊條等除具備足夠強度以適應(yīng)設(shè)備大型化外，還必須滿足－50℃的低溫要求。

對于強度級別610 MPa的－50℃低溫高強鋼鍛件，JB 4727中有一個10Ni3MoVD的鍛件鋼號，該鍛件是20世紀(jì)70年代原沈陽重型機器廠和金州重型機器廠為匹配日本N－TUF490鋼板研制的配套鍛件，20世紀(jì)90年代雖然列入JB 4727—1994《低溫壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件》，但一直沒有廠家供貨，也未實際應(yīng)用。

近年來在乙烯球罐建設(shè)中，為解決－50℃高強鋼(如日本的JFE－HITEN610U2L)的配套，國內(nèi)通常的做法為:采用 －40℃高強鋼鍛件08MnNiCrMoVD、通過提高內(nèi)控指標(biāo)并按－50℃性能驗收，再經(jīng)全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會評審后升級使用或引進(jìn)日本的配套鍛件NT－490EQ。多個工程表明:08MnNiCrMoVD升級到－50℃使用，已達(dá)到使用溫度的極限，性能波動較大，造成廢品率高、交貨期長等問題;而日本NT－490EQ鍛件價格是國產(chǎn)08MnNiCrMoVD鍛件的10倍左右，從而使設(shè)備造價大幅度增加。因此，完善和研發(fā)國產(chǎn)鍛件10Ni3MoVD勢在必行。

為此，合肥通用機械研究院和無錫市法蘭鍛造有限公司共同開展10Ni3MoVD鋼鍛件的試制，解決了該鍛件的綜合力學(xué)性能和－50℃低溫韌性的穩(wěn)定性問題。為準(zhǔn)確評定所研制的10Ni3MoVD鍛件焊接裂紋敏感性，以期制訂科學(xué)、可靠的焊接工藝，合肥通用機械研究院采用鍛板開展了系統(tǒng)的試驗研究。

1 試驗用材料

試驗用10Ni3MoVD取自研制的鍛件試板(簡稱鍛板)。鍛板厚度48 mm，其化學(xué)成分、力學(xué)性能的技術(shù)要求及質(zhì)量證明書的檢驗數(shù)據(jù)分別見表1，2。表2中鍛板熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，試樣取樣部位為t/2處(t為厚度)。

試驗采用日本神戶制鋼所生產(chǎn)的、與－50℃的610 MPa高強鋼匹配的LB－65L焊條。其熔敷金屬化學(xué)成分、力學(xué)性能見表3。

表1 試驗用鍛件化學(xué)成分技術(shù)要求及檢驗結(jié)果 %

表2 10Ni3MoVD鍛件力學(xué)性能的技術(shù)要求及檢驗結(jié)果

表3 LB－65L焊條熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能

2 焊接冷裂紋敏感性試驗

2.1 10Ni3MoVD鍛板焊接冷裂紋敏感指數(shù)分析

鋼材的化學(xué)成分與其焊接熱影響區(qū)的硬度和冷裂紋傾向密切相關(guān)。對于低碳多種微合金體系的低合金鋼，日本的伊藤、別所采用斜Y型坡口鐵研試驗對近200個鋼種進(jìn)行研究，建立了低合金高強度鋼的焊接裂紋敏感性組成Pcm和焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pc公式，并相應(yīng)建立了小鐵研試驗法預(yù)測焊接預(yù)熱溫度To的經(jīng)驗公式。一般認(rèn)為，下述公式可用于w(C)≤0.16%、抗拉強度為400～900 MPa的低合金高強度鋼。

式中 t——板厚，mm

［H］——采用日本JIS 3113標(biāo)準(zhǔn)甘油法測定的熔敷金屬擴散氫含量，10－2ml/g

To——最低焊前預(yù)熱溫度，℃

按表1中鍛板的熔煉分析數(shù)據(jù)計算，本試驗用10Ni3MoVD鍛板的 Pcm=0.195%。LB－65L焊條的擴散氫含量按［H］≤0.02 ml/g考慮。按式(2)計算，10Ni3MoVD鍛板的Pc=0.3083%，則小鐵研試驗不裂的最低焊前預(yù)熱溫度To=52℃，需要適當(dāng)?shù)念A(yù)熱。由此判斷:該鍛板抗焊接冷裂紋能力良好。

2.2 10Ni3MoVD鍛板焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗

焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗按GB 4675.5—84《焊接性試驗 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法》的規(guī)定進(jìn)行［2］。先將48 mm厚10Ni3MoVD鍛板加工至20 mm厚(保留一個鍛造面)，然后加工成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格試板(200 mm×150 mm×20 mm)3塊，分別在不同預(yù)熱狀態(tài)下施焊。

試驗采用?4.0 mm LB－65L焊條(400℃ ×1 h烘干)，預(yù)熱溫度分別為室溫、75和100℃。試驗焊縫在鍛造面上進(jìn)行，焊接規(guī)范見表4。

表4 最高硬度試驗的焊接規(guī)范

以焊接熔合線底部切點為0點，左右每隔0.5 mm作為硬度的測定點，見圖1。加載載荷10 kg，加載時間 20 s，加載速度 70 μm/s。維氏硬度測定點位置及其硬度值見表5，6，由表中數(shù)據(jù)整理的硬度測定點位置及其硬度值曲線見圖2。

表5 維氏硬度測定點位置及其硬度值(左半側(cè))

鋼材的淬硬傾向是評價其焊接冷裂紋敏感性的主要判據(jù)之一，焊接熱影響區(qū)最高硬度HV作為一個因子，不僅可以反映化學(xué)成分的作用，也反映了組織形態(tài)對冷裂紋的影響。由表5，6數(shù)據(jù)及圖2曲線可以看出，10Ni3MoVD鍛板在不預(yù)熱時，焊接熱影響區(qū)最高硬度HV10為377 N/mm2，有一定淬硬傾向;而預(yù)熱至75和100℃時，焊接熱影響區(qū)最高硬度HV10分別為281和288 N/mm2左右，淬硬傾向明顯降低，可有效避免焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

表6 維氏硬度測定點位置及其硬度值(右半側(cè))

圖2 最高硬度法試驗硬度分布圖(焊條:LB－65L)

2.3 10Ni3MoVD鍛板斜Y型坡口焊接裂紋試驗

為直觀地評價10Ni3MoVD鍛件根部焊道的焊接冷裂紋敏感性，采用48 mm厚的鍛板，按GB 4675.1—84《焊接性試驗 斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行了斜Y型坡口焊接裂紋試驗［3］。

共制作了6塊試板，按不同的預(yù)熱溫度施焊(參數(shù)見表7)。試板焊后經(jīng)48 h自然冷卻后，試驗焊縫經(jīng)滲透檢測，均未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，并檢查其斷面，結(jié)果見表8。

由斜Y坡口焊接裂紋試驗結(jié)果可知:用LB－65L焊條施焊的10Ni3MoVD鍛板，不預(yù)熱試樣的斷面和根部裂紋率均達(dá)到100%，預(yù)熱75℃和100℃的試驗均未出現(xiàn)斷面和根部裂紋。可以認(rèn)為，用LB－65L焊接48 mm厚的10Ni3MoVD鍛板時，應(yīng)進(jìn)行75℃以上的預(yù)熱。

表7 斜Y坡口焊接裂紋試驗參數(shù)

表8 斜Y坡口焊接裂紋試驗

3 再熱裂紋敏感性試驗

3.1 再熱裂紋敏感性指數(shù)分析

鋼材的化學(xué)成分是影響其再熱裂紋敏感性的重要因素。為研究各種碳化物形成元素以及鐵素體穩(wěn)定化元素對鋼材再熱裂紋敏感性的影響，日本伊藤等在前人試驗研究的基礎(chǔ)上(鈴木春義，1979)，采用Y型坡口拘束試板作進(jìn)一步研究，提出了再熱裂紋敏感性指數(shù)PSR作為鋼板再熱裂紋敏感性的初步判斷，并建立了以下公式:

PSR≥0時，則發(fā)生再熱裂紋。

根據(jù)上述公式計算10Ni3MoVD鍛板的PSR=－0.94。從而推斷，10Ni3MoVD鍛板的再熱裂紋傾向不大。

3.2 10Ni3MoVD鍛板小鐵研法再熱裂紋試驗

為了用試驗評價10Ni3MoVD鍛板的再熱裂紋敏感性，先按 GB 4675.1—84［3］制作小鐵研試樣，其預(yù)熱125℃，確保不產(chǎn)生冷裂紋，然后按不同的規(guī)范進(jìn)行焊后熱處理。

共制作了8塊小鐵研試板，采用直徑?4 mm的LB－65L焊條按要求施焊(參數(shù)見表9)，試驗結(jié)果見表10。

表9 小鐵研法再熱裂紋試驗參數(shù)

表10 10Ni3MoVD鍛板小鐵研再熱裂紋試驗

由表10可知，小鐵研試樣經(jīng)580及600℃熱處理，部分試樣出現(xiàn)根部和斷面裂紋，但未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，說明10Ni3MoVD鍛板有一定的再熱裂紋傾向，因小鐵研試驗的拘束度較高，一般認(rèn)為表面裂紋率低于20%時，實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生裂紋。

3.3 10Ni3MoVD鍛板插銷再熱裂紋試驗

20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初，有關(guān)單位對多種壓力容器用鋼采用插銷法進(jìn)行再熱裂紋試驗，獲得大量數(shù)據(jù)［4－6］。本次的插銷再熱裂紋試驗仍沿用有關(guān)單位的試驗方法及參數(shù)選擇，以便于對比。其試驗方法參照GB 9446—1988《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》［7］，插銷試樣是從48 mm厚的10Ni3MoVD鍛板1/4板厚處切取，試樣長度方向沿鍛板長度方向，其形狀及尺寸參照插銷冷裂紋的試樣，但選擇缺口深度為1.5 mm，采用較大缺口深度是為了獲取最大的應(yīng)力集中系數(shù)。插銷底板采用低碳鋼板，規(guī)格為?100 mm×20 mm，其中心有?8 mm配合插銷安裝的孔。

插銷試樣的焊接工藝規(guī)范:焊接電流170 A，焊接電壓24～25 V，焊接速度150 mm/min，線能量16～17 kJ/cm。插銷試驗所用設(shè)備為JBL－1型插銷試驗機，試驗期間環(huán)境溫度15～21℃，濕度60%～75%。

本次試驗中采用“斷裂”準(zhǔn)則，即試樣經(jīng)一定時間不斷裂所承受的最大應(yīng)力為鋼材抗裂能力。試驗初應(yīng)力σ0按下式計算，以便能精細(xì)區(qū)分試驗用鋼對再熱裂紋的敏感程度。

式中 σ0——插銷應(yīng)力松弛試驗時的初應(yīng)力值

σS——鋼材在高溫下的屈服強度

EH——鋼材在高溫下的彈性模數(shù)

ER——鋼材在室溫下的彈性模數(shù)

3.3.1 再熱裂紋敏感溫度試驗

對10Ni3MoVD再熱裂紋插銷試驗的熱處理溫度分別為560，580，600和620℃，結(jié)果見圖3。經(jīng)測定，其再熱裂紋敏感溫度在600℃左右。

圖3 10Ni3MoVD鍛板插銷再熱裂紋試驗

3.3.2 再熱裂紋敏感應(yīng)力松弛試驗

對10Ni3MoVD鍛板再熱裂紋應(yīng)力松弛試驗，其試驗溫度分別為580，600和620℃，結(jié)果見圖4。在3個溫度下的臨界斷裂初應(yīng)力分別為317，230，263 MPa。其中在敏感溫度600℃下的臨界斷裂應(yīng)力最低，為230 MPa。

3.3.3 與幾種壓力容器用鋼的再熱裂紋敏感性的比較

與幾種壓力容器用鋼的再熱裂紋敏感性比較(敏感溫度及其臨界斷裂初應(yīng)力值)結(jié)果見表11。

圖4 插銷再熱裂紋應(yīng)力松弛試驗

表11 幾種壓力容器用鋼敏感溫度下的臨界斷裂初應(yīng)力

由表11可以看出:

(1)10Ni3MoVD鍛件的再熱裂紋敏感溫度較低(600℃)，這可能限制現(xiàn)場消除應(yīng)力溫度的提高;

(2)其敏感溫度下的臨界斷裂應(yīng)力較高(230 MPa)，這又表明其再熱裂紋敏感性較低;

(3)其敏感溫度下的臨界斷裂應(yīng)力(230 MPa)，遠(yuǎn)高于國產(chǎn)WCF－62(135 MPa)，略低于日本 CF －62(260 MPa)［4－6］。

3.3.4 再熱裂紋C形曲線

10Ni3MoVD鍛件與幾種壓力容器用鋼［6］的再熱裂紋C形曲線見圖5，由圖中斷裂時間可以看出:10Ni3MoVD鍛件比國產(chǎn)WCF－62鋼的斷裂時間長，說明其再熱裂紋敏感性比國產(chǎn)WCF－62鋼低;但其斷裂時間比日本的CF－62的短，說明其再熱裂紋敏感性比日本的CF－62略高。

4 綜合評定及建議

圖5 幾種壓力容器用鋼的再熱裂紋C形曲線

(1)通過焊接冷裂紋敏感指數(shù)、焊接熱影響區(qū)最高硬度法試驗及斜Y型坡口焊接裂紋試驗等方法對比的試驗研究表明:10Ni3MoVD鍛件有良好的抗焊接冷裂紋能力。采用進(jìn)口LB－65L焊條施焊，若預(yù)熱溫度大于75℃，一般不會產(chǎn)生焊接冷裂紋。而室溫焊接的斜Y型鐵研試驗均出現(xiàn)100%斷面和根部裂紋。因此，對10Ni3MoVD鍛件預(yù)熱是必要的。

(2)根據(jù)本次試驗結(jié)果，考慮到鍛件化學(xué)成分因爐批號不同可能的波動性，鍛件主要用在人孔、接管部位拘束度一般較大同時也是應(yīng)力集中區(qū)等因素，推薦10Ni3MoVD鍛件焊前預(yù)熱溫度不低于100℃。

(3)通過焊接再熱裂紋敏感指數(shù)、斜Y型坡口焊接裂紋試驗及插銷再熱裂紋試驗等的對比試驗，可以看出10Ni3MoVD鍛板有一定的再熱裂紋敏感性(其再熱裂紋敏感溫度為600℃左右，在敏感溫度600℃下的臨界斷裂應(yīng)力為230 MPa，其敏感性遠(yuǎn)低于國產(chǎn) CF－62，稍高于日本 CF－62)，與常用壓力容器用鋼相比，其再熱裂紋敏感性相對較低。

對于實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其敏感程度一般不至于產(chǎn)生再熱裂紋。但對此問題應(yīng)予以重視，結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)避免較高拘束度，焊接過程中應(yīng)控制焊接工藝以降低殘余應(yīng)力，同時要減少焊接缺陷，以避免其對冷裂紋和再熱裂紋的誘導(dǎo)。

(4)本次研制的10Ni3MoVD鍛件，碳當(dāng)量和Pcm值控制都較理想，試驗結(jié)果顯現(xiàn)良好的抗焊接冷裂紋能力?？紤]到NB/T 47009—2010《低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件》中10Ni3MoVD鍛件沒有碳當(dāng) 量 和 Pcm值的 具 體規(guī) 定［8］，建 議 選用10Ni3MoVD鍛件時，增加Pcm≤0.24%的要求，以間接控制其焊接裂紋的敏感性。

［1］竇萬波.我國乙烯球罐現(xiàn)狀及國產(chǎn)化中技術(shù)要點分析［J］.壓力容器，2006，23(6):39 －42.

［2］GB 4675.5—84，焊接性試驗 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法［S］.

［3］GB 4675.1—84，焊接性試驗 斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法［S］.

［4］《大型球罐用CF鋼的應(yīng)用研究》課題協(xié)作組.CF－62鋼焊接性試驗研究［J］.壓力容器，1987，4(3):20－25.

［5］張相權(quán)，董家祥，戰(zhàn)旗，等.3.5%Ni鋼再熱裂紋試驗［J］.壓力容器，1988，5(6):8 －13.

［6］張建軍，房務(wù)農(nóng)，卜華全，等.B610CF－L2與JFEHITEN610U2L鋼焊接裂紋敏感性對比研究［J］.壓力容器，2008，25(11):15 －18.

［7］GB 9446—1988，焊接用插銷冷裂紋試驗方法［S］.

［8］NB/T 47009—2010，低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件［S］.