壓力容器用國產化高端鋼材 和焊材焊接性研究概況

房務農 蔣軍

摘要：我國在鋼材和焊材的焊接性研究方面與發達國家存在明顯差距，且焊材的焊接性研究又遠滯后于鋼材。針對壓力容器用幾個牌號國產化高端鋼材和焊材在焊接性方面做了大量細致的研究工作，即從“焊接角度”去煉鋼，使鋼材由“可焊”變為“易焊”;通過合理選擇焊材渣系，優化合金體系和配方，使焊材各項性能優良，實現焊材與鋼材的良好匹配，焊接接頭焊接裂紋敏感性低、焊接線能量敏感性低、止裂性能好、低溫沖擊韌性佳等，為壓力容器焊接質量提供了強有力的保障。

關鍵詞：鋼材;焊材;焊接性;力學性能

中圖分類號：TG457.5? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2020）09-0134-13

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.14

0? ? 前言

隨著我國經濟的快速增長，對能源的需求與日俱增。近年來國內新建了大批石化裝置，高參數壓力容器眾多，運行工況越來越惡劣，再加上采用分析設計來減薄壁厚、降低設備重量和造價，對主體材料性能要求也愈來愈高。隨著TMCP、爐外精煉等技術在我國鋼鐵企業中的大量成熟應用，其生產水平和鋼材性能得到了大幅度的提升[1]，但與國外發達國家的冶煉水平尚有差距。我們倡導國內鋼企應向國外同行學習，站在“焊接角度”去煉鋼，在新材料研發時就應考慮焊接性，使我國從鋼鐵大國邁向鋼鐵強國。

我國焊接材料近幾年也取得了長足的進步，但由于與鋼材分屬兩個不同行業，國產焊材的開發遠遠滯后于鋼材，造成大部分高端焊材只能依賴進口。焊材和鋼鐵材一樣也面臨焊接性難題，壓力容器開罐數據表明大部分裂紋產生在焊縫中，這與焊縫金屬擴散氫高、雜質元素含量高及低溫沖擊韌性低等息息相關[2]。但我國對焊材焊接性概念較陌生，缺少深入研究，應引起大家充分的重視。而國外焊材廠與鋼廠基本屬于同一公司，鋼材與配套焊材同步開發，且兩者的強韌化機理還可以相互借鑒，大大節約了研發的成本和時間，這一點值得學習。

近些年為滿足壓力容器發展的需求，我國企業開發了較多高端壓力容器用鋼材和少量配套焊材，以下介紹幾種材料的開發及應用過程，及其在相關焊接性研究方面開展的工作以及取得的成果。

1? 低溫乙烯球罐用07MnNiMoDR調質高強鋼及配套的國產焊材

1.1 乙烯球罐用07MnNiMoDR調質高強鋼

（1）乙烯裝置中關鍵設備乙烯球罐儲存低溫、高壓及易燃介質，危險性極大。目前國內最大的3 000 m3乙烯球罐直徑為18 000 mm，設計壓力為2.16 MPa，如圖1所示。為減輕其質量，需研制-50 ℃抗拉強度為610 MPa級別的調質高強鋼。而球罐組裝精度難以控制，組裝應力較大，又存在較高拘束度，在焊接接頭中極易產生冷裂紋，考慮到現場需內壁施焊，若預熱溫度過高會造成施焊環境惡劣，因此該鋼既要有高強度、高韌性，又要具有較低的焊接冷裂紋敏感性。

（2）為保證07MnNiMoDR調質高強鋼具有優異的焊接性，首先控制碳含量w（C）≤0.09%，但要具有高強度，則需采取最佳的微合金化和合理的調質熱處理。而鋼中添加微合金元素對提高鋼的強韌性固然有利，但損害了鋼的焊接性，為此必須控制其含量，克服傳統的低合金高強度鋼的韌性和焊接性隨著強度提高必然降低的弱點，即控制焊接冷裂紋敏感性指數Pcm不大于0.21%[Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B]，目前實物通常在19%左右，因此稱該鋼為低焊接冷裂紋敏感性鋼，斜Y坡口焊接冷裂紋試驗結果見表1。該鋼含有Cr、Mo、V沉淀強化相元素，因此有一定的再熱裂紋傾向，再熱裂紋敏感溫度約在600 ℃[3]，如圖2所示，但如寶鋼爐號為169984的鋼板再熱裂紋敏感性指數PSR為-0.94[PSR=Cr+w（C）+2w（Mo）+10w（V）+7w（Nb）+5w（Ti）-2]，遠小于0，因此該鋼板再熱裂紋傾向較小。

該鋼在Mn、Cr、Mo等強化元素基礎上，添加了約0.3%Ni及微量合金元素，S、P等雜質元素含量極低。采用先進的TMCP技術，在受控狀態下實現形變熱處理，具有形變強化、析出強化和相變強化的綜合作用，軋制后加速冷卻，抑制晶粒長大，再通過淬火+回火，從而獲得高強度、高韌性，厚板時需加微量的B元素，提高鋼板的淬透性[4]，-50 ℃ KV2實物水平可達280 J左右。另外該鋼為調質狀態下交貨，焊接時熱影響區存在一定程度的軟化問題，如圖3所示。

（3）該鋼淬火后形成索氏體，經高溫回火后的組織包括了回火過程中的分解析出、回復乃至再結晶三個過程中所出現的全部形態。在分解析出過程中，索氏體在晶界、晶內沉淀析出碳化物，其高密度位錯達1011～1012 cm/cm3，局部已出現了位錯墻或內孿晶等。若淬火組織回復較快，則碳化物將大部分沉淀于晶界，隨著大角度晶界的遷移，再結晶過程開始，逐步形成多邊形貝氏體，其內部的位錯進一步減少，原先偏聚于晶界的粒子趨向均勻分布，并隨回火溫度升高，回復或再結晶愈顯著[5]。鋼板調質態的組織結構為回火索氏體+少量貝氏體，其數量比例隨板厚方向的不同部位而變化，如圖4所示。

1.2 07MnNiMoDR乙烯球罐用GER-N27M焊條

（1）乙烯球罐用焊條型號為E6215-N5M1，具有以下特點：a. 全位置下脫渣性好、飛濺小、發塵量少及成型美觀;b. 具有較低的冷、熱裂紋敏感性;c. 焊縫金屬止裂能力強;d. 對焊接線能量敏感程度低，在立焊位置35 kJ/cm下焊縫金屬需滿足-50 ℃ KV2≥54 J;e. 經較長時間的焊后熱處理，焊接接頭強度和韌性仍需滿足技術條件要求等。

合肥通用機械研究院與昆山京群焊材科技有限公司經多年的努力，最終研發出性能優良的乙烯球罐用GER-N27M焊條。

（2）GER-N27M焊條采用CaCO3-TiO2-CaF2高堿度渣系。適度提高TiO2含量，可降低熔渣表面張力，細化熔滴，減少飛濺，改善脫渣性、熔渣覆蓋性，并能降低發塵量;從提高焊縫金屬韌性和降低擴散氫含量出發，需加入一定量的氟化物，熔敷金屬擴散氫含量實測值通常低于2.5 mL/100 g，焊接冷裂紋敏感性極低。由于選擇了合理的渣系，嚴格控制原材料的目數，并輔以適量穩弧劑，提高了電弧的穩定性，見表2。

（3）該焊條要求熔敷金屬高強度、高韌性，故選擇了以Mn-Ni-Mo為合金體系，并輔以微合金化。研究表明，Mn含量保持在1.2%左右，熔敷金屬隨Ni含量增加先共析鐵素體減少，針狀鐵素體增多，并使針狀鐵素體的長寬比發生改變，使板條變得更加多角化，提高了低溫韌性。錳含量較高的熔敷金屬中，高Ni助長M-A形成，必須采用微合金化技術，適當加入稀土后并使非金屬夾雜物呈彌散分布，具有減小奧氏體晶粒尺寸的作用[6]，降低熔敷金屬對焊接線能量的敏感性，這對球罐的現場立焊至關重要。熔敷金屬金相組織如圖5所示。

（4）GER-N27M焊條藥皮中也加入了Mo等沉淀強化相元素，焊縫金屬與母材一樣具有一定的再熱裂紋傾向。參照GB/T9446-1995《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》進行焊縫金屬的再熱裂紋試驗，插銷棒試樣取自焊縫金屬，結果如圖6所示。可以看出，該焊縫金屬再熱裂紋敏感溫度即C形曲線的“鼻尖”處溫度為625 ℃，高于母材的再熱裂紋溫度，表明該焊縫金屬再熱裂紋敏感性極低。

1.3 母材與焊材組合試驗

（1）采用48 mm厚的07MnNiMoDR鋼和φ4.0 mm的GER-N27M焊條，不同試板采用不同焊接線能量進行焊接，焊后進行（580±15） ℃×6 h熱處理，在1/4T處制取焊縫金屬的沖擊試樣，分別進行低溫沖擊試驗，結果如圖7所示。由圖7可知，焊接線能量達40 kJ/cm，焊縫金屬-50 ℃ KV2仍在70 J以上，遠高于設計技術條件要求，這與1.2節第3條的分析相吻合。

（2）采用GER-N27M焊條焊接48 mm厚的07MnNiMoDR立焊位置試板，焊后經（580±15） ℃×6 h熱處理，制取焊縫金屬落錘P2試樣進行試驗，結果見表3。由表3可知，立焊位置的焊縫金屬的NDTT溫度為-60 ℃，表明該焊縫金屬止裂能力較強。

（3）參照NB/T47014-2011《承壓設備用焊接工藝評定》，選用48 mm厚的07MnNiMoDR鋼板在立焊位置進行試驗，最大焊接線能量為45 kJ/cm，對試板進行（580±15） ℃×4 h熱處理后進行試驗，結果見表4。由表4可知，在較大的焊接線能量下焊接接頭強韌性匹配仍較好。

2 加氫反應器用12Cr2Mo1V（R）鋼及配套的國產焊接材料

2.1 加氫反應器用12Cr2Mo1V（R）鋼

（1）加氫反應器一般工作在高壓（10～25 MPa）、高溫（400～482 ℃）環境下，為防止氫脆、氫腐蝕、硫化物腐蝕、Cr-Mo鋼回火脆化以及堆焊層的剝離等問題，對鋼材、焊材、焊接技術以及焊接質量都有極高要求。近十多年來，因煤氣化工程的需要，國內鋼企相繼開發了改進型的Cr-Mo類抗氫新鋼種12Cr2Mo1V（R），抗氫溫度可達到510 ℃，鋼板厚度可達280 mm，鍛件厚度可達370 mm，目前單臺鍛焊結構加氫反應器質量達3 025 t，最大外徑達6.156 m，如圖8所示。該鋼中含有非常穩定的礬碳化物，使H和C不易反應，所以有很好的抗氫腐蝕和氫脆能力;同時，V對設備停工過程中氫向不銹鋼堆焊交界面的擴散有阻隔作用，因此使堆焊層抗氫剝離的性能大為提高[7]。

（2）該鋼在300～600℃ 易出現可逆的回火脆化。鋼材的合金元素中增加回火脆化敏感性的元素有Si、Mn、Cu、Cr、Ni、C;降低回火脆化敏感性的元素有 Ti、B;雜質元素在晶界上的偏析是造成鋼材回火脆化的主要原因，其影響程度依次為：P>Sn>As>Sb。因此該鋼的化學成分需嚴格控制系數J：

J=（Si+Mn）×（P+Sn）×104≤100

式中 Si，Mn，P，Sn均為質量百分比。

國內個別企業控制J系數甚至低于80，另外要求鋼中w（Cu）≤0.2%，w（Ni）≤0.25%，煉鋼要求真空脫氣等。

（3）該鋼從淬透性和高溫強度角度考慮，Cr、Mo、V均按標準上限，但熱軋后空冷在過冷奧氏體中形成空冷貝氏體及共析鐵素體，且在晶界處形成連續分布的碳化物析出，沖擊韌性很差[8]。鋼廠通常對熱軋態鋼板重新正火并加速冷卻，使不均勻碳化物重新融入奧氏體，加快過冷奧氏體向貝氏體轉變，導致晶粒不易長大，使Cr、Mo、V的碳化物析出形態大小相似，呈均勻分布，回火時碳化物進一步析出，從而形成細小的低碳回火貝氏體，鋼的強塑性及韌性實現良好匹配，綜合力學性能較佳。

（4）12Cr2Mo1V（R）鋼焊接時存在的問題。

①12Cr2Mo1V（R）鋼的焊接接頭焊態下硬度可高達375 HV10，其室溫沖擊功小于8 J，并含有H2，當窄間隙厚焊縫有很高殘余應力時，如預熱溫度不足會導致氫致冷裂紋。

②12Cr2Mo1V（R）鋼容器ISR后在縱縫、環縫和封頭焊縫上易出現再熱裂紋，且在埋弧焊焊縫上，距焊縫表面10～40 mm位置處有長3～10 mm的微裂紋，與焊縫垂直，一般是多條裂紋并發，也有單個出現的。從縱截面觀察到的裂紋在焊縫中穿過熔合區和再熱區，裂紋基本沿原奧氏體晶粒的晶間開裂，且產生于多層焊縫的未回火區，在細晶區終止，所以裂紋長度都很短[9]，如圖9所示。

法國阿塞洛鋼鐵公司曾用GLEEBLE試驗機對焊縫金屬進行高溫拉伸試驗結果，如圖10所示。由圖10可知，其再熱裂紋敏感溫度為650 ℃。因此在該鋼制容器焊后進行ISR時，應密切關注再熱裂紋問題。

③焊后熱處理可明顯改善該鋼焊接接頭性能，如圖11所示，因此通常規定其PWHT保溫時間最短為8 h，但最長時間不能超過32 h，否則強度將顯著下降。

2.2? 12Cr2Mo1V（R）鋼制加氫反應器用XY-AF605/XY-SCr2MoV焊材

（1）在鍛件、設計、制造全部實現了國產化的大背景下，12Cr2Mo1V（R）厚壁加氫精制反應器用焊材卻長期依賴進口，四川西冶新材料股份有限公司于2019年成功研制出了配套的XY-AF605/XY-SCr2MoV埋弧焊材。

（2）XY-AF605焊劑主要成分見表5。

XY-AF605為氟堿性、非合金燒結焊劑，不向焊縫中過渡合金，堿度達到3.0，高堿度顯著改善了熔敷金屬的純凈度，各種氧化物和氮化物夾雜較少，擴散氫含量實測值基本在1.2 mL/100 g左右，因此氫致冷裂紋敏感性較低。

XY-SCr2MoV焊絲以C-Si-Mn-Cr-Mo-V-Ni-Nb-Cu等合金為主，焊劑不過渡合金，熔敷金屬中的合金元素取決于焊絲成分，熔敷金屬X系數計算公式為：

X-bar=（10P+5Sb+4Sn+As）/100≤15×10-6

式中 P，Sb，Sn，As 以10-6計。

西冶公司可控制X系數小于12×10-6，這樣熔敷金屬回火脆性很小。

（3）在80 mm厚的2.25Cr-1Mo-0.25V鍛件中，采用XY-AF605/XY-SCr2MoV在30 kJ/cm、21 kJ/cm兩種焊接線能量下評估了連續焊接工藝性，試驗結果如表6所示。由表6可知，該埋弧焊焊材工藝性能良好。

（4）根據API 934B對于12Cr2Mo1V（R）提出再熱裂紋敏感因子：

Kf=Pb+Bi+0.03Sb≤1.5×10-6

西冶焊材熔敷金屬Kf實測值為1.02×10-6，因此在熱處理過程中焊縫金屬產生再熱裂紋概率較小。

采用GLEEBLE試驗來定量地考察熔敷金屬的再熱裂紋敏感性[10]。從熔敷金屬中截取兩件GLEEBLE試樣，試樣尺寸如圖12所示，GLEEBLE試驗過程曲線如圖13所示，試驗結果見表7。

從表7可知，斷面收縮率平均值≥32%，表明該熔敷金屬產生再熱裂紋機率很小，與上述再熱裂紋敏感因子Kf計算結果相吻合。

（5）多批次焊材的熔敷金屬分別經8 h和32 h PWHT后，-30 ℃ KV2值平均值不低于120 J，遠高于《技術條件》要求，與國外典型焊材相當，8 h

PWHT態的熔敷金屬組織為細小的回火貝氏體，如圖14所示。

2.3 母材與焊接材料組合試驗

（1）本次冷裂紋試驗采用巴頓剛性固定法。試驗選擇了150 ℃、180 ℃兩種預熱溫度，將焊接后的試板拘束放置48 h后，解剖成5個試樣，檢查10個宏觀斷面，結果表明，在150 ℃預熱下焊縫中有個別長約2 mm的小裂紋，在180 ℃預熱下焊縫中無任何裂紋，如圖15所示。

（2）采用35 mm厚的12Cr2Mo1VR鋼板進行不同線能量焊接，焊后進行705 ℃×8 h的PWHT，制取焊縫金屬沖擊試樣進行-30 ℃沖擊試驗，結果如圖16所示。由圖16可知，隨著焊接線能量的增大，焊縫金屬的-30 ℃ KV2值降低，當焊接線能量大于35 kJ/cm時，其值迅速降低至60 J，考慮V改進鋼必須嚴格控制焊接工藝，防止晶粒長大及碳化物沉淀加劇，推薦國產埋弧焊材的線能量不超過33 kJ/cm。

（3）在經705 ℃×8 h PWHT處理的試板上制取焊接接頭硬度試樣，測試結果如圖17所示。可以看出，熱影響區的硬度略高于焊縫金屬，但均滿足HV10≤248設計技術要求。

（4）采用300 mm厚12Cr2Mo1V鍛板，開窄間隙坡口，焊接最大線能量為30.25 kJ/cm，焊后分別進行705 ℃×8 h和705 ℃×32 h焊后熱處理，焊接接頭及焊縫金屬試驗結果分別見表8和表9。由表可知，該國產焊材的性能與國外產品相當。

該焊縫金屬在8 h PWHT、8 h PWHT+步冷狀態下分別進行系列沖擊，得到ΔTr54為0 ℃，其回火脆性值為-57.3 ℃（VTr54+3.0ΔVTr54），遠小于0 ℃，因此該焊縫金屬基本上不產生回火脆性。

在705 ℃×32 h試板上制取焊縫金屬圓拉棒試樣，進行高溫持久試驗，結果見表10，可見焊縫金屬540 ℃高溫持久數據滿足技術要求。

3 10萬m3原油儲罐用12MnNiVR鋼及配套國產氣電立焊用藥芯焊絲

3.1 10萬m3原油儲罐用12MnNiVR鋼板

（1）為了滿足國內建造10萬m3原油儲罐（見圖18）的需求，需開發抗拉強度為610 MPa級且適應100 kJ/cm大線能量的12MnNiVR高強鋼。受現場預熱條件的限制，該鋼還需具備低焊接冷裂紋敏感性鋼的特點。

（2）12MnNiVR高強鋼設計思路如圖19 所示。 該鋼嚴格控制C含量（不大于0.10%）和Pcm值（不大于0.21%），從根本上保證其優異的焊接性，厚度≤50 mm鋼板焊前不預熱或稍加預熱，這主要是采用合理的成分設計、組織細化、強韌性匹配等來實現。該鋼采用鐵水冶煉、二次爐外LF精煉及RH高真空等，降低鋼中的S、P、N、O、H含量，采用我國先進TMCP和DQT技術彌補合金元素下降的影響，再利用調質熱處理達到組織和性能的均勻化，相變和少量析出相等形成高密度位錯的組織結構，保證其具有高強度和高韌性。

（3）大線能量焊接技術給傳統的調質鋼帶來了焊接粗晶區（CGHAZ）韌性惡化的問題，尤其易形成M-A組元，如圖20所示。在焊接熱循環一定時，M-A組元形成只與合金元素含量有關。文獻[11-12]等研究了C、Si、Al、 Mo 、Nb 及V 等元素對M-A組元形成的影響，M-A 組元中的碳含量雖然獨立于基體組織的碳含量，但M-A 組元的數量卻隨碳含量的增加而大幅增加;在貝氏體相變時，硅在滲碳體中溶解度很低，因此聚集于滲碳體與未轉變奧氏體的表面，加劇了未相變γ相中碳的濃化過程，阻礙滲碳體長大，使奧氏體穩定化和 M-A 組元形成;在大線能量情況下，Nb減少晶界鐵素體促使長條狀M-A組元的粗化鐵素體的形成，提高硬度值。M-A 組元面積分數SMA[13]：

SMA=-9.748+59.002C+28.831Si+61.38Nb

由SMA公式可知，為改善CGHAZ的韌性，通過降低C、Si和添加除Nb以外的微合金元素，利用冶煉過程中形成高熔點的第二相質點，抑制奧氏體晶粒長大，阻止HAZ晶粒粗化，另外在大線能量焊接條件下，第二相質點可加速形成針狀鐵素體，抑制M-A組元。寶鋼12MnNiVR鋼板在大線能量下實際焊接后HAZ中的質點線掃描如圖21所示，由各元素峰值分析可見：夾雜物為Ti2O3、TiN、Al2O3、AlN等單個或復合粒子，從而使CGHAZ組織轉變為以貝氏體+針狀鐵素體為主，如圖22所示，原奧氏體晶界完全消失，被在奧氏體晶界形核并長大的晶界鐵素體所取代。較大的應變和位錯密度，且位錯呈交錯排列，使CGHAZ具有較高的強韌性和阻止裂紋擴展的能力[14]。

3.2? 12MnNiVR鋼氣電立焊用JQ.YJL60G藥芯焊絲

（1）大型儲罐均采用氣電立焊來大幅度提高焊接效率，其610 MPa級高強鋼藥芯焊絲在100 kJ/cm大焊接線能量下，脫渣性好、焊縫成形美觀、焊縫低溫沖擊韌性高。合肥通用院與天津金橋焊材公司于2017年成功研制出12MnNiVR鋼氣電立焊用JQ.YJL60G藥芯焊絲，于今年開始在工程上大量應用。

（2）氣電立焊藥芯焊絲非金屬藥粉的比例雖很少，但起到造渣、穩弧、保證電弧穩定燃燒、減小飛濺及脫氫等重要作用。CaF2是主要的脫氫劑，可以顯著降低焊縫擴散氫含量;CaCO3分解生成的CO2可排除焊縫周圍空氣，阻止氮氣進入液態金屬中，并降低電弧氣氛中氫分壓;TiO2和SiO2熔點較高，鍵能較小，被排擠到熔渣的表面層中，表面張力小，可降低熔滴表面張力和熔渣堿度，細化熔滴，減少飛濺，改善焊縫成形和脫渣性等;穩弧劑中K+、Na+可提供電子，提高電弧穩定性，降低焊渣熔點。本次氣電立焊藥芯焊絲的渣系為氟化物-CaO-MgO，焊渣量為2%～6%，脫渣率見表11。

為降低焊縫金屬中擴散氫含量，對非金屬類藥粉進行800 ℃以上高溫烘焙，去除藥粉中結晶水，可大幅度提高焊縫金屬的韌性;另外使非金屬藥粉由片狀改變成球狀，有利于填滿金屬粉之間的縫隙，防止在拔絲過程中產生“空管”。

（3）本次氣電立焊藥芯焊絲采用逆向設計，通過不同合金成分下金屬的凝固曲線及析出相特性等特點，對焊縫組織及性能進行預測，分析不同元素夾雜物的形核能力，確定選用Mn-Ni-Mo-Ti合金系復合微合金化。在焊絲配方中加入大量合金成分，使之在焊接過程中不僅脫去O、N、H等有害氣體以及S、P等有害雜質元素，還可以避免產生氣孔、裂紋及夾雜等焊接缺陷。

加入微合金Ti元素使電弧集中、穩定，減少飛濺，細化晶粒，提高焊縫金屬沖擊韌性，另外Ti元素與O的親和力大，增加Mn、Si等合金元素過渡系數，Ti還可與N結合，降低焊縫金屬氣孔敏感性;加入少量稀土，增加脫氧，且稀土氧化物可促使鐵素體盡快形核，有利于焊縫金屬中形成細小的針狀鐵素體，如圖23所示。

（4）氣電立焊專用藥芯焊絲常用規格為1.6 mm，焊接電流300～400 A，添加藥芯主要是為保證這種特殊的焊接工藝方法能夠連續穩定的進行，并且最大限度提高其焊接效率。氣電立焊藥芯焊絲填充比若過低，不利于大電流焊接，影響焊接效率;如果填充過高，鋼帶外皮薄，在高速送絲過程中焊絲易被壓扁，將會影響送絲穩定性。根據經驗公式：藥粉填充比×100≈鋼帶寬度÷鋼帶厚度，最終確定該焊絲填充比為24%±0.5%。

3.3? ?母材與焊材組合試驗

（1）參照NB/T47014制作試板，進行焊接性能試驗。焊接線能量對焊縫金屬低溫韌性的影響如圖24所示。由圖24可知，在70～120 kJ/cm范圍內，隨著焊接線能量的增加，焊縫金屬-20 ℃ KV2下降特性不明顯，當焊接線能量達120 kJ/cm時，焊縫金屬-20 ℃ KV2仍為145 J，遠高于技術要求值。但從12MnNiVR母材角度考慮，其焊接線能量不宜超過100 kJ/cm。

（2）焊縫金屬落錘試驗。

采用21mm厚的12MnNiVR試板進行氣電立焊，焊接線能量為114 kJ/cm，制取落錘P2試樣，按GB/T 6803進行試驗，結果見表12。由表12可知，立焊位置焊縫金屬NDTT溫度為-50℃，表明該焊縫金屬止裂能力較強。

（3）參照NB/T47014選用21 mm厚的鋼板進行氣電立焊，采用單V型坡口，焊縫一次成形，焊接線能量為108 kJ/cm，試驗結果見表13。由表13可知，在焊接線能量為108 kJ/cm時，焊縫金屬低溫沖擊韌性相比《技術條件》要求值仍有很大的裕量。

4 總結和建議

目前我國針對高參數容器用鋼材及焊材雖已進行了一些焊接性研究工作，但缺乏系統性、完整性，尤其機理方面的研究更少，應用中出現的很多疑難雜癥并未完全攻克，加之鋼廠和焊材廠之間的障礙，突破高端鋼材和焊材焊接性研究瓶頸，尚任重而道遠。建議重點對以下幾點開展研究：

（1）我國現代化的煉鋼已使鋼中雜質元素質量分數的總量∑（S+P+O+N+H）由傳統550×10-6～600×10-6直接跨越到小于200×10-6， 甚至達到小于100×10-6的國際先進水平，其中w（S）≤0.002%，為高品質的鋼材提供了先決條件，鋼板中添加合金元素適量即可，需嚴格控制Ceq和Pcm值，不必過分追求高韌性，使鋼板由可焊變為易焊。

（2）目前壓力容器用部分TMCP鋼板，當采用小焊接線能量時熱影響區硬度高達400 HV10，直接導致鋼板報廢。筆者雖處理過該類案例，但國內尚無鋼廠對此進行深入研究。

（3）國內缺少再熱裂紋產生機理方面的研究。

（4）目前TOFD技術在球罐上大量應用，但有時會在仰焊位置的TOFD影像上出現大面積疑似氣孔，但挖開后又不見氣孔，造成現場大量焊接返修，TOFD技術人員應配合焊材廠進行相關研究。

（5）我國焊接材料廠應密切關注鋼企的發展動態與方向，加強與鋼企的溝通，提前布局，力爭鋼板與焊材之間的完美配套。

（6）評價鋼材和焊材的焊接性時應引入“焊接線能量敏感性”指標，即兩者采用較大焊接線能量時，沖擊韌性下降幅度不可過大。

（7）為防止高強度低碳貝氏體鋼的焊縫金屬產生裂紋，國外提倡焊材與母材可適當的低強匹配，我國可否效仿，需深入研究和探討。

參考文獻：

[1] 章小滸， 顧先山， 徐翔. 壓力容器用鋼板標準的最新進展[J]. 壓力容器， 2010（1）： 41-43.

[2] 蔣軍， 房務農. 我國壓力容器用高端焊接材料國產化現狀及發展趨勢[J]. 金屬加工（熱加工）， 2020（6）： 19-21.

[3] 劉俊松， 陳學東， 卜華全. 07MnNiVDR再熱裂紋敏感性及試驗[J]. 焊接學報， 2014（4）： 72-73.

[4] 張海軍， 高雅， 劉利香， 等. 壓力容器用07MnNiMoDR鋼板的低溫沖擊韌性研究[J].河南冶金， 2014（1）： 22-23.

[5] 劉立縣， 王東陽， 王建國， 等. 回火時間對07MnNiMoDR鋼板組織和性能的影響[J]. 寬厚板， 2019（4）： 15-17.

[6] 尹士科. 焊接材料實用基礎知識[M]. 北京： 化學工業出版社， 2004： 58-60.

[7] 柳曾典， 陳進，卜華全， 等. 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應器開發與制造中的一些問題[J]. 壓力容器， 2011（5）： 33-36.

[8] 壓力容器學會. 壓力容器先進技術—第八屆全國壓力容器學術會議[M]. 北京： 化學工業出版社， 2013： 659-662.

[9] 任明皓， 陳學東， 羅雪梅， 等. 2.25Cr-1Mo-0.25V鍛件再熱裂紋敏感性試驗研究[J]. 石油化工設備， 2016（4）： 1-5.

[10]卜華全， 陳學東， 羅雪梅， 等. 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接材料的再熱裂紋敏感性試驗方法探討[J]. 壓力容器， 2015（10）： 1-7.

[11] Yakubtsov I A， Boyd J D. Bainite transformation duringcontinuouscooling of low carbon microalloyed steel[J]. Materials Science and Technology， 2001（17）： 296-301.

[12] Okaguchi S， Hashimoto T， Ohtani H. Effect of Nb， Vand Ti on trans-formation behavior of HSLA steel in accelerated cooling[C]. Interna-tional Conference on Physical Metallurgy of Thermomechanical Processing of Steels and OtherMetal， ISIJ， Tokyo， 1998： 330-336.

[13] 張英喬， 張漢謙， 劉偉明. M-A組元對石油儲罐用鋼粗晶熱影響區韌性的影響[J].焊接學報， 2009（1）： 109-111.

[14] 壓力容器學會. 壓力容器先進技術—第九屆全國壓力容器學術會議[M]. 合肥： 合肥工業大學出版社， 2017： 2-4.

Research overview on weldability of domestic high-end steels

and welding materials for pressure vessels

FANG Wunong， JIANG Jun

（Hefei General Machinery Research Institute Co.， Ltd.， Hefei 230031， China）

Abstract： There is an obvious gap between China and developed countries in the weldability research of steel and welding materials. In recent years， a lot of detailed research works have been done on weldability of several domestic high-end steels and welding materials for pressure vessels. That is， making steel from the point of view of welding， to make the steel from ‘weldable’ to ‘easry to welding’. Through reasonably selecting the welding slag system and optimizing the alloy system and formula， the welding materials have good performance. A good match between welding material and steel is realized， the welding joint has low crack sensitivity， low welding heat input sensitivity， good crack arrest performance and good low temperature impact toughness， which provides a strong guarantee for the welding quality of pressure vessels.

Key words： steel; welding materials; process weldability; mechanical property