-40℃下典型鋼種16MnDR材料的焊接和熱處理工藝

王云林，莫其鵬

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川德陽(yáng) 618000）

由于近年來我國(guó)石油制品的需求量大幅升高，各種液態(tài)烯烴低溫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，包括液化天然氣和液化石油氣的低溫儲(chǔ)罐迅猛發(fā)展。而我公司之前對(duì)低溫容器用鋼的焊接工藝和熱處理工藝研究甚少，所以開展低溫容器焊接工藝的研究工作、做好相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備對(duì)我公司十分必要且非常迫切。對(duì)于低溫鋼的技術(shù)要求一般是：在低溫下具有足夠的強(qiáng)度和充分的韌性，具有良好的工藝性能、加工性能和耐腐蝕性等。其中低溫韌性，即在低溫下防止脆性破壞發(fā)生的能力最為重要。所以國(guó)外通常都對(duì)低溫鋼限定在最低使用溫度下有一定的沖擊韌性值，以保證低溫鋼材在使用中的安全性。本文從不同的角度研究了影響16MnDR的各種因素，從而為焊接產(chǎn)品做出了指導(dǎo)。

1 不同焊材的低溫沖擊

從焊材角度，選用與母材16MnDR成分接近的A、B兩種焊絲，在同一焊接、熱處理規(guī)范下，焊接兩副對(duì)接試板，分別對(duì)其焊絲化學(xué)成分及焊縫化學(xué)成分、力學(xué)性能沖擊值進(jìn)行分析。

1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

焊絲、焊縫的化學(xué)成分及焊縫沖擊值見表1所示，焊接、熱處理規(guī)范見表2所示。

表1 焊絲、焊縫的化學(xué)成分及焊縫沖擊值

表2 焊材焊接規(guī)范和熱處理

（1）分析：從以上數(shù)據(jù)可以看出，C元素對(duì)低溫鋼的影響很大：C含量高，則鋼材的抗拉強(qiáng)度高，但低溫沖擊下降；Si含量也對(duì)沖擊功有影響：Si含量越高，則會(huì)降低低溫鋼的沖擊韌性；而S、P是有害元素，所以它們的含量越低越好。

（2）小結(jié)：A焊絲 +A焊劑，B焊絲+B焊劑焊材在-40℃條件下均可達(dá)到16MnDR要求，相對(duì)來說，B焊絲+B焊劑的穩(wěn)定性更好。

2 不同焊接規(guī)范下的低溫沖擊

從焊接規(guī)范角度，分別采用A、B兩種焊材在不同焊接規(guī)范下焊接對(duì)接試板，按同一熱處理規(guī)范進(jìn)行熱處理，對(duì)其焊縫及熱影響區(qū)沖擊值進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

焊接、熱處理規(guī)范及接頭性能（線能量比較小，層間溫度小）見表3、表4所示。

表3 焊接試驗(yàn)條件

表4 接頭夏比沖擊性能

2.2 分析

采用較小的焊接規(guī)范（即線能量比較小，層間溫度低）獲得接頭沖擊值更大。

2.3 小結(jié)

線能量與層間溫度對(duì)接頭沖擊功有影響，層間溫度越高、線能量越大，則越容易引起沖擊功降低的風(fēng)險(xiǎn)。

3 熱處理規(guī)范對(duì)焊縫沖擊性能的影響

從熱處理規(guī)范角度，對(duì)A、C兩種焊材分別采用相同焊接規(guī)范，在不同熱處理規(guī)范下的接頭沖擊性能進(jìn)行分析：

表5～表6為在退火狀態(tài)下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和獲得的數(shù)據(jù)，表7～表8為在正火狀態(tài)下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和獲得的數(shù)據(jù)。

表5 焊接實(shí)驗(yàn)條件

表6 接頭夏比沖擊性能（單位J）

小結(jié)：對(duì)焊后熱處理規(guī)范進(jìn)行分析，E1和E2試樣其余條件完全相同，僅焊后熱處理溫度E1為620℃，E2為580℃，兩者的平均沖擊功雖然接近，但從單個(gè)沖擊功看，E2離散性很大，低于30J的有三個(gè)（分別24、14、28），而E1則相對(duì)穩(wěn)定，低于30J的只有一個(gè)，最低值為29J，從F跟G比較，G的沖擊功明顯比F高，因此，從焊后熱處理的影響分析620℃更好。

表7 焊接實(shí)驗(yàn)條件

表8 接頭夏比沖擊性能（單位J)

小結(jié)：對(duì)于正火焊縫來說，正火溫度在980℃+910℃+580℃（或620℃）焊縫均能獲得較好的沖擊性能，910℃+910℃+580℃下的沖擊功則明顯變差。

4 母材熱處理規(guī)范對(duì)沖擊性能的影響

從母材熱處理規(guī)范角度，在不同母材熱處理狀態(tài)下，對(duì)其母材性能進(jìn)行分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表9-表11。

從表9～表11可見，編號(hào)為YG27和G30正火后沖擊功均很低，即便是正火工藝調(diào)整至910℃，沖擊功也仍然很低。而編號(hào)為G32的母材，在經(jīng)歷950～980℃熱成型920～940℃正火熱處理后，具有很好的沖擊功，可見，原材料自身性能是決定母材正火后性能的主要因素。從1#、2#，3#的性能來看，經(jīng)歷930℃淬火+650℃回火和630℃的回火后，抗拉強(qiáng)度上線超出標(biāo)準(zhǔn)，且沖擊功也提高不多。在930℃淬火+680℃回火后，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材要求，沖擊功也有明顯提高，可達(dá)到母材性能要求，因此對(duì)于解決因原材料問題而導(dǎo)致的沖擊性能達(dá)不到要求的問題，淬火+高溫回火是一個(gè)可行的措施。

表9 母材試驗(yàn)條件

表10 正火后母材沖擊性能(單位J)

表11 淬火試樣的力學(xué)性能

5 結(jié)束語(yǔ)

在焊接低溫鋼16MnDR時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

1）焊接低溫鋼16MnDR時(shí)，為了不讓焊縫晶粒粗大，防止低溫韌性下降，焊接的時(shí)候必須采取小的線能量（小的焊接參數(shù)，較大的焊接速度）；層間溫度也對(duì)這種鋼的低溫韌性有著明顯的作用，不管是手工焊還是自動(dòng)焊，在多層多道焊過程中，應(yīng)盡可能地保持較低的層間溫度，防止層間溫度過高。

2）熱處理規(guī)范對(duì)焊縫沖擊性能有影響，對(duì)于正火焊縫來說，正火溫度在980℃+910℃+580℃（或620℃）焊縫均能獲得較好的沖擊性能，910℃+910℃+580℃下的沖擊功則明顯變差。對(duì)焊后熱處理規(guī)范進(jìn)行分析，試樣其余條件完全相同，僅焊后熱處理溫度分別為620℃，580℃，兩者的平均沖擊功雖然接近，但從單個(gè)沖擊功看，E2離散性很大，低于30J的有三個(gè)（分別24、14、28），而E1則相對(duì)穩(wěn)定，低于30J的只有一個(gè)，最低值為29J，因此，從焊后熱處理的影響分析620℃更好。

3）原材料的性能是影響熱成型+正火后沖擊功的主要因素，為了保證熱成型后的沖擊功滿足要求，建議原材料入廠驗(yàn)收時(shí)增加模擬正火熱處理。

在焊接低溫鋼16MnDR時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)母材的設(shè)計(jì)要求，特別是板厚、強(qiáng)度、低溫韌性要求、熱處理要求、施工環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮選擇適當(dāng)?shù)暮附臃椒ǎ蛔钪匾菫楸ＷC焊縫及熱影響區(qū)的韌性，在焊接過程中必須嚴(yán)格控制焊接線能量，控制層間溫度以細(xì)化晶粒，達(dá)到良好的工藝性能。