13MnNiMoR鋼板焊接性研究

張 熹，陳延清，章 軍，許良紅，隋鶴龍，董現春，張 楠，牟淑坤

(1.首鋼技術研究院 用戶技術研究所，北京 100041；2.首鋼技術研究院 寬厚板研究所，北京 100041)

13MnNiMoR鋼板焊接性研究

張 熹1，陳延清1，章 軍1，許良紅1，隋鶴龍2，董現春1，張 楠1，牟淑坤1

(1.首鋼技術研究院 用戶技術研究所，北京 100041；2.首鋼技術研究院 寬厚板研究所，北京 100041)

采用熱模擬技術測定13MnNiMoR鋼板焊接連續冷卻轉變曲線，確定焊接熱影響區粗晶區組織轉變規律；通過最高硬度試驗、斜Y坡口試驗確定了最佳焊前預熱溫度和再熱脆化溫度敏感溫度區間；粗晶區熱模擬試驗確定了該鋼種的焊接工藝適應性；結果表明13MnNiMoR鋼板具有良好的焊接性，該結果對制定合適的焊接工藝有重要參考意義。

低合金高強鋼；熱影響區；組織轉變；焊接性

0 前言

13MnNiMoR鋼作為一種低合金高強鋼廣泛應用于鍋爐氣泡等壓力容器的制造。為保證其常溫和中溫性能，13MnNiMoR鋼合金元素含量較高，淬硬傾向較高，熱影響區易形成淬硬組織，在焊接時易形成延遲冷裂紋，焊前需預熱；由于13MnNiMoR鋼通常在中溫長期工作，為保證其熱強性需加入較多Mo、Cr、Nb等合金元素，這些合金元素均為碳化物形成元素，在焊后去應力處理時，該碳化物易在晶界偏聚從而導致再熱裂紋的出現，因此有必要確定其再熱裂紋溫度敏感區間，避免出現再熱裂紋[1-9]。壓力容器在焊接后和去應力處理后都要進行嚴格的無損檢測，以檢測各種裂紋，因此研究熱影響區組織轉變規律并確定合適的預熱溫度和去應力熱處理溫度是非常必要的。此外，鍋爐氣泡對焊接接頭力學性能有一定要求，焊接熱輸入對焊接接頭最薄弱環節——粗晶區的影響，直接了決定該鋼種的焊接工藝適應性，對制定合理的焊接工藝有著重要的參考價值。

1 試驗材料

試驗鋼板為厚55 mm 13MnNiMoR合金容器鋼板，該鋼板的化學成分和力學性能如表1、表2所示。母材金相組織如圖1所示，為貝氏體+珠光體組織。

2 粗晶區組織轉變規律

利用Gleeble2000熱模擬試驗機測定焊接連續冷卻轉變曲線，設計了14種冷卻速率，熱模擬后通過金相觀察得到熱影響區粗晶區組織轉變與t8／5的關系，如圖2、圖3所示，各相比例隨t8／5的變化規律如圖4所示。

表1 母材化學成分Tab.1 Chemical content %

表2 母材力學性能Tab.2 Mechanical property

圖1 母材金相組織Fig.1 Metallurgical structure

根據以上試驗結果可以得到如下結論： (1)在研究的冷卻速率下，粗晶區只存在M+B、 B、B+F(M為馬氏體，B為貝氏體，F為鐵素體)三種組織轉變。

圖2 粗晶區組織隨t8／5的轉變規律Fig.2 Relationship between coarse grain zone microstructure and t8／5

(2)t8／5＜150 s時，發生M+B組織轉變，且隨著t8／5的增加，M比例減少，B比例增加；150 s＜t8／5＜600 s時，只發生B組織轉變，且隨著t8／5的增加B組織粗化；t8／5＞600 s時，發生B+F組織轉變，隨著t8／5的增加，F比例有所增加，B組織減少。

(3)在常規熱輸入范圍內，即t8／5＜20 s時粗晶區硬度大于臨界值350 HV10，具有較高的淬硬傾向，需要進行焊前預熱。

圖3 焊接連續冷卻轉變曲線Fig.3 Welding continuous cooling transformation curve

圖4 相比例隨t8／5的變化規律Fig.4 Relationship between phase proportion and t8／5

3 冷裂紋敏感性

3.1 Ceq和Pcm的計算

按照日本焊接協會推薦的碳當量和冷裂紋敏感指數計算公式，計算得到Ceq＝0.53%和Pcm＝0.26%，分別大于臨界值0.40%和0.20%，表明該鋼種具有較高的淬硬傾向和冷裂紋敏感傾向。

3.2 最高硬度試驗

對厚55 mm 13MnNiMoR鋼板進行了熱影響區最高硬度試驗。試驗環境：室溫7℃，相對濕度30%。分別進行室溫不預熱、預熱100℃和150℃三種試驗條件下熱影響區最高硬度試驗，試驗用試板的加工方式和硬度測定按GB 4675.5-2008《焊接性試驗-焊接熱影響區最高硬度試驗方法》標準進行。

試驗用電焊條為四川大西洋生產的φ 4.0 mm CHE607Ni焊條(焊前進行350℃×2 h烘干)。焊接工藝參數和試驗結果如表3所示。焊后試板經解剖，以切于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，兩側各測試七個以上點(載荷為10 kg)。

表3 最高硬度試驗工藝參數及結果Tab.3 Welding parameters and results of maximum hardness test

試驗結果：13MnNiMoR鋼板的淬硬傾向較大，室溫7℃不預熱下施焊，最高硬度為389 HV10，大于國際焊接協會規定的臨界值350 HV10；經過預熱100℃和150℃后進行施焊，熱影響區最高硬度分別降到376 HV10和372 HV10，熱影響區的最高硬度仍較大，說明焊前預熱對降低其淬硬傾向有一定的作用，但預熱150℃后該鋼淬硬傾向仍較高。

3.3 斜Y冷裂紋敏感性試驗

斜Y坡口焊接裂紋試驗按GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》進行。焊前試板分別進行100℃和150℃預熱，每種預熱溫度焊接試樣兩塊，試樣尺寸示意如圖5所示。試板焊后經48 h自然冷卻后，檢測試驗焊縫表面，均未發現表面裂紋。然后將每塊試板的試驗焊縫切成四片，對五個斷面進行裂紋檢查，采用光學顯微鏡(放大倍數200×)觀察裂紋率，試驗結果如表4所示。

試驗結果表明：兩種預熱制度下表面裂紋率均為0；預熱100℃后施焊，兩塊試樣斷面裂紋率分別為19.8%和10.7%；預熱150℃后施焊，兩塊試樣斷面裂紋率均為0%。因此，為避免該鋼種施焊后出現冷裂紋，厚55 mm 13MnNiMoR鋼板施焊前應預熱150℃以上。

圖5 斜Y坡口試樣尺寸示意Fig.5 Schematic plan of Y-Groove crack sensitivity experiment

表4 斜Y裂紋敏感性試驗的工藝參數及結果Tab.4 Welding parameters and results of Y-Groove crack sensitivity experiment

4 再熱裂紋敏感性

為了評價13MnNiMoR合金容器鋼熱影響區再熱裂紋敏感性，采用斜Y坡口試樣法進行研究。斜Y坡口試樣按照如表5所示的焊接工藝參數進行施焊，共焊接斜Y坡口試樣六塊，為避免出現焊接冷裂紋影響再熱裂紋的測定，施焊前預熱200℃。焊接后將六塊試樣分為三組，每組兩塊，分別按580℃×2.5 h、620℃×2.5 h、660℃×2.5 h進行焊后熱處理，解剖熱處理后的試樣，檢測斷面裂紋率，試驗結果如表6所示。

表5 斜Y坡口試樣焊接工藝參數Tab.5 Welding parameters of Y-Groove specimen

試驗結果表明：在580℃、620℃進行焊后熱處理，斷面裂紋率為0%；焊后熱處理溫度為660℃時，平均斷面裂紋率為0.41%，有一定的再熱裂紋傾向，但低于臨界值20%。試驗結果表明，該鋼種的再熱裂紋敏感性較低，為安全起見，其焊后熱處理溫度應控制在620℃以下。

表6 再熱裂紋試驗結果Tab.6 Reheat crack results

5 粗晶區熱模擬試驗

粗晶區熱模擬試樣取自距軋制表面2 mm處，熱模擬工藝參數和試驗結果如表7、圖6所示。

表7 熱模擬工藝及試驗結果Tab.7 Thermal simulation craft and test results

試驗結果表明：在t8／5＝10～40 s，即焊接熱輸入在35～72 kJ／cm時，焊接接頭最薄弱的環節——粗晶區的0℃沖擊功雖然隨t8／5的增加而呈下降趨勢，特別是當焊接熱輸入大于63 kJ／cm時，粗晶區沖擊功顯著下降，但焊接熱輸入在35～72 kJ／cm范圍內粗晶區沖擊功均能滿足使用要求(大于等于41 J)，說明該鋼種焊接熱輸入適應性較高，可以在較大熱輸入下進行施焊。

圖6 粗晶區沖擊功隨t8／5的變化規律Fig.6 Relationship between impact energy and t8／5

6 結論

(1)焊接連續冷卻轉變曲線測定結果表明：t8／5＜150 s時，發生M+B組織轉變，且隨著t8／5的增加，M比例減少，B比例增加；150 s＜t8／5＜600 s時，只發生B組織轉變，且隨著t8／5的增加B組織粗化；t8／5＞600 s時，發生B+F組織轉變，隨著t8／5的增加F比例有所增加，B組織減少；在常規熱輸入范圍內，即t8／5＜20 s時，粗晶區硬度大于臨界值350 HV10，具有較高的淬硬傾向，需要進行焊前預熱。

(2)冷裂紋敏感性試驗結果表明：為避免該鋼種施焊后出現冷裂紋，厚55 mm的13MnNiMoR鋼板施焊前應預熱150℃以上。

(3)該鋼種的再熱裂紋敏感性較低，為安全起見，其焊后熱處理溫度應控制在620℃以下。

(4)粗晶區熱模擬試驗結果表明：焊接熱輸入在35～72 kJ／cm范圍內，粗晶區沖擊功均能滿足使用要求(大于等于41 J)，說明該鋼種焊接熱輸入適應性較高，可以在較大熱輸入下進行施焊。

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Study on the weldability of 13MnNiMoR steel plate

ZHANG Xi1，CHEN Yan-qing1，XU Liang-hong1，ZHANG Jun1
(1.Application Technology Dept.，Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100041，China；2.Width-thickness Plate Dept.，Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100041，China)

The welding continuous cooling transformation curve has been mensurated by thermal simulation technology and the microstructure transformation regulation of heat affected zone has been determined.Through maximum hardness test and Y-groove type cracking test，optimal preheat temperature and reheat embitterment sensitive temperature have been determined.The welding technology adaptability has been valued by coarse grain zone thermal simulation.The results indicated that the weldability of 13MnNiMoR steel plate was well and the results were helpful for determining welding technology.

low alloy high strength steel；heat affected zone；microstructure transformation；weldability

TG457.11

A

1001-2303(2012)07-0017-06

2012-02-29

張 熹(1980—)，男，天津人，工程師，碩士，主要從事板材焊接性及焊接材料的研發工作。