3.5％Ni低溫鋼容器焊接及熱處理工藝研究

付啟帥 王慶 曲世超

摘要： 對3.5%Ni低溫鋼采用兩種焊后熱處理制度分別進行焊接性試驗，確定合適的焊接工藝參數及熱處理制度，保證焊縫的低溫沖擊韌性。

關鍵詞： 3.5%Ni低溫鋼;焊接;熱處理;沖擊韌性

前言

3.5Ni低溫鋼具有良好的低溫沖擊韌性，是目前石油化工行業廣泛應用低溫設備的制造鋼種[1]，掌握3.5Ni低溫鋼的焊接技術是制造技術的關鍵。3.5Ni鋼在–100℃低溫下具有良好的性能，其技術難點在于如何解決焊接接頭的低溫沖擊韌性問題。本文通過選擇合適的焊材材料、焊接工藝規范及兩組焊后熱處理制度對比進行焊接性試驗研究，解決實際產品中遇到的低溫沖擊韌性不足問題，從而確定合適的焊接工藝及熱處理制度。

3.5Ni低溫鋼的焊接性分析

08Ni3DR為壓力容器低溫用鋼，等同于3.5%Ni，廣泛用于石油化工低溫設備的制造。對3.5%Ni低溫鋼而言，可焊性比無Ni鋼差，雖然Ni的添加增大了鋼的淬透性，但由于其含碳量和碳當量較低，通常情況下產生冷裂紋傾向并不大。材料上應控制C，S及P的含量，以及采用合理的焊接工藝，增大焊縫成形系數用來避免熱裂紋傾向。3.5%Ni低溫鋼除了考慮焊接接頭的強度外，如何保證焊接接頭的低溫韌性是低溫用鋼焊接的技術關鍵。當焊接線能量過大時，高溫停留時間變長，冷卻速度減慢，會使過熱區晶粒變大，焊縫容易產生粗大的板條貝氏體組織和馬氏體組織嚴重降低低溫韌性[2]。焊接時應嚴格控制線能量和層間溫度，焊后應采用合適熱處理工藝來提高焊接接頭的低溫韌性。

3.5Ni低溫鋼焊后熱處理溫度的分析

相關資料規定焊后熱處理溫度在600℃以上有利于消除殘余應力，改善焊接接頭的塑韌性，而560℃有利于保持材料和焊縫的綜合性能。一般低溫容器鋼焊后熱處理溫度不易超出620℃，ASME規范雖然規定3.5%Ni等低溫容器鋼的焊后熱處理最低溫度為595℃以上，同時也在附注重規定不能超過635℃，當不能在此溫度范圍進行焊后熱處理時可降低延時，在545℃以上進行焊后熱處理。結合我司多年焊后消除應力熱處理的實踐經驗，550℃左右鋼的韌性和強度匹配最佳，隨著焊后熱處理溫度的提高，沖擊韌性和抗拉強度明顯下降，雖然繼續提高溫度可以使應力消除率增加，但是在600℃以上已不明顯，因此對3.5%Ni低溫鋼壓力容器建議焊后熱處理溫度不超過600℃。

焊接試驗方案

本試驗采用同一焊接工藝不同的熱處理制度進行試驗，焊接兩塊試板，具體要求如下：

試驗用的母材及坡口型式

母材為09Ni3DR，試板規格500×125×40mm，材料的性能滿足GB 150–2011《壓力容器》規定;為減少填充量，坡口采用雙面U型坡口。

焊接工藝的選擇

焊接時采用手工電弧焊（SMAW），焊接位置為平焊。為了減少焊接線能量，保證焊接接頭強度和沖擊韌性焊接，焊接時采用窄焊道，焊接過程中不允許擺動，采用小電流，同時注意層間溫度的控制。焊接工藝要求：焊材牌號及規格W107DR Φ4.0mm，焊接電流140～160A，電壓22～26V，焊接速度16～20cm/min，預熱溫度20℃，道間溫度≤110℃。

熱處理工藝的選擇

為了消除焊接接頭的殘余應力，改善焊接接頭的性能，對焊接試板分別采用不同熱處理制度進行試驗，分別為610±10℃/5h、590±10℃/5h。

試驗結果

通過兩組試板分別進行力學性能試驗得出的試驗結果，按熱處理制度590±10℃/5h進行的試驗均合格;按610±10℃/5h進行的試驗中–100℃沖擊試驗不合格，具體詳細試驗結果見表3。

試驗分析

對上述兩組試驗結果進行分析，兩組拉伸試驗結果無差異，但沖擊韌性試驗差異很大，這種情況主要由不同熱處理溫度引起的。隨焊后熱處理溫度的提高對焊接接頭強度變化不大，但低溫沖擊韌性下降，而且沖擊韌性不穩定。

試驗結論

根據上述試驗結果，可以得出以下結論：

3.5Ni低溫鋼焊接時焊接工藝參數范圍電流在140～160A、電壓22～26V、焊接速度16～20cm/min，線能量應控制在14.63KJ/cm以內。另外，焊接時采用窄焊道，焊接過程中不擺動焊，道溫度控制在110℃。

3.5Ni低溫鋼焊后熱處理制度590±10℃/5h能夠保證焊接接頭的低溫沖擊韌性，建議3.5Ni低溫鋼焊后熱處理制度不要超出600℃。

參考文獻

高立峰. 3.5%Ni低溫鋼塔的焊接及熱處理[J].煤炭技術，2003，22（3）：9–10.

王振坤.淺談3.5%Ni低溫鋼塔器的焊接工藝及熱處理[J].中國化工貿易，2014，1（01）：108.

ASME–Ⅷ 第一冊 壓力容器建造規則，C分卷，UCS-56（2017版）.