低溫壓力容器用厚鋼板09MnNiDR的焊接性能研究

劉繼宏

(南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035)

引 言

隨著中國石油化學工業的迅速發展，氣體的液化、分離和液化氣體的生產、貯運及應用已相當普遍，低溫技術和設備的發展促進了低溫壓力容器用鋼的發展[1-3]。中國的0.5Ni低溫鋼系在德國、法國相應鋼號的基礎上調整了化學成分，改進為-70 ℃級用鋼，命名為09MnNiDR。09MnNiDR鋼是目前國產低合金鋼中使用溫度最低的鋼種，作為-70 ℃級0.5Ni低溫鋼代替進口低溫鋼材在低溫壓力容器制造領域得到了廣泛應用[4-7]；且09MnNiDR鋼要求在使用溫度下具有足夠的韌性及抗脆性破壞能力[8]。1991年09MnNiDR鋼板及其配套焊材通過了壓力容器用新材料的技術評定。但隨著化工行業的飛速發展，化工設備的大型化，厚板的低溫容器用鋼需求量越來越大，對于厚板的焊接性能研究顯得尤為重要。

1 實驗材料成分及性能

選用南京鋼鐵股份有限公司(以下簡稱“南鋼”)開發生產的09MnNiDR低溫容器鋼板，厚度為100 mm，供貨狀態為正火。實驗鋼板的性能參數如表1所示。

表1 09MnNiDR鋼的性能參數

2 實驗過程

2.1 熱模擬試驗

為了考察焊接線能量對鋼板焊接接頭熱影響區力學性能的影響，在Gleeble-3500熱模擬試驗設備上進行焊接熱影響區模擬試驗。模擬焊接線能量輸入為10～60 kJ/cm，試驗獲得不同線能量輸入時的熱循環曲線、表征冷卻速度的t8/5與線能量的關系如圖1所示。

對熱模擬試驗后的試樣以加熱點為中心加工成標準沖擊試樣，進行熱影響區沖擊性能試驗。試驗結果如表2所示。

表2 不同線能量模擬后的沖擊試驗結果

由表可知，在焊接線能量輸入為10～60 kJ/cm范圍內，隨著線能量的增大，熱模擬得到的熱影響區沖擊韌性略呈下降的趨勢，但下降的幅度不大。在60 kJ/cm的熱輸入下，沖擊韌性的平均值仍能達到310 J，保持較高的水平。這樣，在該鋼板的焊接過程中，焊縫的熱輸入的控制就可以相對寬松，從而使得焊接接頭的性能更易于控制。

圖1 不同線能量條件下的熱循環曲線和冷卻速度

2.2 焊接試驗

2.2.1 焊接材料的選擇

試驗材料09MnNiDR的屈服強度為355 MPa，根據等強度匹配的要求及標準JB/T 4709-2000的要求，本試驗中手工電弧焊選用哈爾濱焊接研究所研制的W707DR焊條，埋弧焊選擇哈爾濱焊接研究所研制的H06Mn35DR焊絲和SJ208DR焊劑的搭配。

2.2.2 工藝參數的確定

根據對材料焊接性的分析，確定焊接工藝參數如表3, 4所示。

表3 手工電弧焊工藝參數

表4 埋弧焊工藝參數

3 焊接性能

3.1 焊接接頭拉伸及彎曲性能

試驗獲得的09MnNiDR鋼焊接接頭拉伸及彎曲性能結果如表5, 6所示。

表5 焊接接頭拉伸試驗結果

從試驗結果可以看出，不論是手工電弧焊還是埋弧焊，所獲得的焊接接頭強度均滿足與母材一致的要求，斷裂都發生在母材位置。焊接接頭經側彎180°后，均未發生開裂現象。

表6 焊接接頭彎曲試驗結果

為了測試焊縫在不同溫度下的抗負載能力，根據GB/T 13239-2006進行了焊接接頭的低溫拉伸試驗，其結果如表7所示。由表可知，試驗鋼板在焊接后，焊接接頭的低溫拉伸性能良好，均能達到與母材一致的要求。

表7 焊接接頭低溫拉伸試驗結果

3.2 焊接接頭沖擊性能

沖擊試驗的結果如表8所示。

由試驗的結果可知，在-70 ℃的低溫條件下，手工電弧焊及埋弧焊接頭的焊縫和熱影響區的沖擊韌性都表現出較高的水平，其中手工電弧焊接時的焊縫和熱影響區的沖擊韌性達到標準的5倍以上；即便在-80℃的條件下，手工電弧焊的沖擊韌性依然能保持較高的水平。

表8 焊接接頭沖擊試驗結果

3.3 焊縫HAZ的應變時效性能

對于焊縫HAZ的應變時效試驗按照GB/T4160-2004《鋼的應變時效敏感性試驗方法》規定進行，即對于厚度為100mm的焊縫，切取按照GB/T2975-1998的規定；其他試驗條件及方法同Q345R焊縫HAZ試驗，測定的沖擊性能及形變失效敏感系數如表9所示。

表9 09MnNiDR焊縫的形變時效敏感性系數測定結果

3.4 焊接接頭無塑性轉變溫度

將焊接后的試樣中焊縫的余高用機加方式加工到與試樣表面齊平，按照GB/T 6803-2008標準加工成P-2型試件，并在試樣表面進行堆焊裂紋源焊道，預置缺口。對制備的試樣進行落錘試驗，測定焊縫金屬的無塑性轉變溫度(NDT溫度)，試驗結果如表10所示。

表10 焊縫金屬落錘試驗結果

4 結束語

針對南鋼生產的厚規格09MnNiDR鋼板進行了焊接性能研究。結果表明，在焊接熱輸入達到60 kJ/cm的熱輸入條件下，實驗鋼的HAZ區沖擊功達到310 J；選取100 mm厚鋼板進行手工電弧焊和埋弧焊，當預熱溫度在75～150 ℃時，鋼板焊接接頭拉伸性能及彎曲性能良好，焊縫和熱影響區低溫沖擊功滿足標準要求，焊接接頭無塑性轉變溫度為-70 ℃，表明南鋼生產的厚規格09MnNiDR鋼板具有良好的焊接性能。