08Ni3DR鋼焊接性試驗研究

何前進，房務農

1.黃山學院 安徽黃山 245041

2.合肥通用機械研究院 安徽合肥 230088

1 序言

08Ni3DR鋼是近年來國內開發的使用在－100℃下的3.5Ni鋼，改變了長期依靠國外進口的局面，已成功應用于乙烷球罐[1]、CO2產品塔[2]、預脫甲烷塔[3]等－100℃低溫承壓設備的建造中。本文通過試驗系統地研究了08Ni3DR鋼的焊接冷裂紋敏感性、焊接熱輸入對焊接接頭力學性能的影響以及焊接接頭的系列溫度沖擊性能。

2 試驗用材料

（1）試驗用鋼板 試驗采用國產50m m厚的08Ni3DR鋼板，熱處理狀態為正火+回火，化學成分、力學性能標準要求及實測值分別見表1、表2。由表1、表2可見，該鋼S、P含量遠低于GB 3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》的規定、力學性能遠高于標準規定要求。

（2）試驗用焊條 試驗焊條采用法國液化空氣集團OERLIKON公司生產的牌號為E7016-C2L焊條，規格為φ4.0mm，其熔敷金屬化學成分技術要求及實測值見表3，熔敷金屬SR處理狀態下力學性能要求及實測值見表4。

表1 試驗用08Ni3DR鋼板化學成分（質量分數） （%）

表2 試驗用08Ni3DR鋼板力學性能

表3 E7016-C2L焊條熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

表4 E7016-C2L 焊條熔敷金屬力學性能要求

由表2、表4可知，焊條熔敷金屬的強度略低于鋼板，低溫沖擊吸收能量較鋼板下降較多，但仍滿足－100℃，KV2≥80J的技術要求。

3 焊接冷裂紋敏感性評定試驗

（1）焊接冷裂紋敏感指數 鋼材的化學成分密切影響著焊接熱影響區的硬度和冷裂紋傾向，國際焊接協會（IIW）、日本JIS和WES標準、美國焊接學會（AWS）根據各國鋼材的特點和試驗方法制定了碳當量公式，從而初步衡量鋼的冷裂紋敏感性，確定預熱溫度、熱輸入等焊接工藝條件。日本的伊藤通過大量的試驗[4]，提出了低合金高強度鋼的焊接冷裂紋敏感性指數Pcm，并結合板厚或拘束度，建立了焊接冷裂紋敏感性Pc、冷裂紋敏感性指數Pcm以及防止裂紋最低預熱溫度To的經驗公式：

式中 [H]——采用日本JIS 3113標準測定的熔敷金屬擴散氫含量（mL/100g）；

t——板厚（mm）；

To——最低焊前預熱溫度（℃）。

本試驗焊條E7016-C2L熔敷金屬擴散氫含量[H]≤1.5mL/100g。按上述公式計算，08Ni3DR鋼Pcm=0.183%，Pc值為0.295%，To約為33℃，即防止冷裂的焊前預熱溫度≥33℃。按照伊藤公式計算結果，可見該鋼板焊接冷裂紋敏感性較低。

（2）焊接熱影響區最高硬度試驗 焊接接頭熱影響區最高硬度試驗主要用于評定鋼板抗冷裂紋性能。按GB 4675.5—1984《焊接熱影響區最高硬度試驗方法》規定，分別在常溫、預熱溫度75℃兩種情況下進行施焊，然后按GB/T 4340—2009《金屬維氏硬度試驗》進行維氏硬度檢驗，結果如圖1所示。

從圖1可以看出，厚度為50mm的08Ni3DR鋼板在常溫和75℃預熱時熱影響區最高硬度值分別為227HV10、210HV10，均遠低于國際焊接協會（IIW）標準規定≤350HV10的要求，表明08Ni3DR鋼淬硬性傾向較低，焊接冷裂紋敏感性較小。

圖1 08Ni3DR鋼熱影響區最高硬度試驗結果

（3）斜Y坡口焊接裂紋試驗 斜Y坡口焊接裂紋試驗主要用于評定低碳鋼及低合金鋼焊接熱影響區的冷裂紋敏感性，并確定合適的預熱溫度。按照CB/T 4364—2013《斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》，分別在室溫、預熱50℃、預熱75℃和預熱100℃下進行試驗，每組試驗制作2塊試板，如圖2所示。焊接參數：焊接電流170～180A，電弧電壓22～24V，焊接速度150mm/min；首先焊接拘束焊縫，預熱達到試驗溫度后，再焊接試驗焊縫。

圖2 斜Y坡口焊接裂紋試板

焊完經48h自然冷卻后，首先對焊縫表面進行滲透檢測，然后對試板進行解剖，經磨光、腐蝕后用放大鏡觀察斷面和根部有無裂紋，試驗結果見表5。

由表5可見，室溫時，斷面裂紋率為2.8%，根部裂紋率為4.66%；在預熱50℃以上時裂紋率均為0%，按裂紋率＜20%時可判定該鋼板無冷裂紋傾向的觀點，可認為50mm厚08Ni3DR鋼在焊前預熱在50℃以上時，實際焊接接頭出現冷裂紋的可能性較小。

表5 斜Y坡口焊接裂紋試驗結果

4 焊接接頭力學性能試驗

（1）焊接熱輸入的選擇 焊接熱輸入對低合金鋼焊接接頭的低溫韌性有顯著的影響。選取4檔焊接熱輸入（15～20kJ/cm、20～25kJ/cm、25～30kJ/cm、30～35kJ/cm），焊前預熱溫度≥100℃，層間溫度控制在100～160℃。不同熱輸入焊接接頭力學性能試驗結果見表6，其曲線如圖3、圖4所示。

表6 不同焊接工藝焊接接頭力學性能試驗結果

圖3 焊接熱輸入對焊縫金屬-100℃KV2的影響

圖4 焊接熱輸入對熱影響區-100℃KV2的影響

由表6、圖3、圖4可知，在15～35kJ/cm焊接熱輸入范圍內，隨著焊接熱輸入的增加，焊接接頭的抗拉強度略有下降，但焊縫金屬和焊接熱影響區－100℃沖擊吸收能量呈現明顯下降趨勢，這是由于隨著熱輸入的增加，冷卻速度減小，晶粒尺寸增大所致。試驗結果顯示：焊接熱輸入在15～30kJ/cm時，焊接接頭的強度和韌性均能滿足技術要求。

（2）焊縫金屬的金相組織 25～30kJ/cm熱輸入下的焊接接頭微觀金相組織如圖5～圖6所示。圖5中，焊縫金屬組織為針狀鐵素體+珠光體，晶粒較細，且因其Ni含量（3.5%左右）較高，針狀鐵素體較多。

圖5 焊縫區及熱影響區金相組織

圖6 母材區金相組織

（3）焊接接頭系列溫度沖擊試驗 試驗采用立焊位置施焊，焊條選用E7016-C2L，焊接工藝為：焊條直徑4.0mm，焊前經400℃×1h的烘干處理；預熱溫度＞100℃，層間溫度≤160℃；熱輸入為25～30kJ/cm，焊后立即進行250℃×0.5h的消氫處理，并進行2次（600±15）℃×2h的SR處理。

從焊縫中心和熱影響區取樣，分別進行20℃、0℃、－20℃、－40℃、－50℃、－60℃、－80℃、－100℃、－120℃、－140℃及－160℃的系列沖擊試驗，其KV2－T關系曲線如圖7、圖8所示。由圖7、圖8得出韌脆性轉變溫度見表7。

圖7 焊縫中心（2次SR態）KV2—T曲線

圖8 熱影響區（2次SR態）KV2—T曲線

表7 焊條電弧焊焊接接頭的韌性特征值

由圖7、圖8可知，焊縫金屬及熱影響區系列沖擊試驗曲線上平臺較高，下平臺不明顯，韌脆性之間轉變較為平緩，這與焊縫金屬具有細晶組織、針狀鐵素體含量較多相吻合；Ni含量較高也在一定程度上抑制了焊縫金屬中滲碳體的形成。從表7韌性特征值VTE來看，焊接接頭韌脆轉變溫度較低，具有優良的低溫沖擊韌度。－100℃沖擊試驗時，SR態焊縫區、熱影響區沖擊吸收能量平均值分別為62J、198J。根據GB 150—2011《壓力容器》中第2部分表1規定，08Ni3DR鋼板及焊接接頭的KV2≥24J，E7016-C2L的低溫沖擊吸收能量相對標準有一定的裕量，但與鋼材相比還有一定差距，－100℃低溫焊接材料E7016-C2L性能有待進一步提高。

5 結束語

1）根據伊藤小鐵研試驗經驗公式、熱影響區最高硬度法以及斜Y鐵研試驗，結果表明，08Ni3DR鋼淬硬傾向較小，具有較低的焊接冷裂紋敏感性，焊前預熱50℃以上時，未出現任何裂紋。考慮到工程施工的復雜性，建議50mm厚08Ni3DR鋼焊前預熱溫度≥75℃。

2）為避免焊縫及熱影響區形成粗大組織而使其沖擊吸收能量嚴重降低，焊接時必須采用較小的焊接熱輸入量，熱輸入應控制在15～30kJ/cm。施焊時宜采用短弧、多層多道焊和快速多道焊，以減小焊道過熱，并嚴格控制層間溫度。

3）焊材E7016-C2L韌脆轉變溫度較低，具有優良的低溫沖擊性能，低溫沖擊吸收能量相比GB 150—2011《壓力容器》的規定（－100℃時，鋼板及焊接接頭的KV2≥24J）有一定的裕量，但與鋼材相比有一定差距，E7016-C2L性能有待進一步提高。

4）通過08Ni3DR鋼焊接性分析，冷裂傾向不是焊接的主要矛盾，焊接工藝的重點是要考慮保證焊接接頭的低溫沖擊韌度，即采用小電流、窄焊道快速焊接，嚴格控制焊接熱輸入，合理控制層間溫度來保證焊接接頭的低溫韌性。推薦的焊接參數：預熱溫度＞75℃，層間溫度≤160℃；熱輸入為15～30kJ/cm，焊后立即進行250℃×0.5h的消氫處理，并進行2次（600±15）℃×2h的SR處理。