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(1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)所有限公司， 上海 201518；3.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518)

壓力容器大型化、高壓化和高低溫化發(fā)展對(duì)其制造材料的要求越來(lái)越高[1]。許多新鋼種應(yīng)運(yùn)而生，解決了生產(chǎn)發(fā)展需要的同時(shí)也帶來(lái)了新的問題。GB 19189—2011《壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板》[2]中新增牌號(hào)鋼種07MnNiMoDR是一種壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼，廣泛應(yīng)用于球罐的制造[3-5]。NB/T 47009—2017《低溫承壓設(shè)備用合金鋼鍛件》[6]中鋼種10Ni3MoVD是20世紀(jì)80年代初研制的一種高強(qiáng)合金鋼，最初的研制目的是用作日本N-TUF490鋼板的配套鍛件。07MnNiMoDR與10Ni3MoVD鋼常用于制造低溫特殊設(shè)備。制造加工時(shí)，由于抗拉強(qiáng)度高、淬硬傾向性大，焊接過程中或焊后易出現(xiàn)冷裂紋及再熱裂紋。文中對(duì)低溫丙烯球罐使用07MnNiMoDR與10Ni3MoVD材料的組焊試件性能進(jìn)行試驗(yàn)，以期為以異種鋼07MnNiMoDR與10Ni3MoVD建造低溫設(shè)備提供一些參考[7-12]。

1 試板焊接及熱處理

1.1 焊接坡口

07MnNiMoDR與10Ni3MoVD材料供貨狀態(tài)為淬火+回火(Q+T)。準(zhǔn)備2塊焊接試板，規(guī)格(長(zhǎng)度×寬度×厚度)500 mm×250 mm×70 mm。試板切雙面V型坡口，見圖1。

圖1 07MnNiMoDR與10Ni3MoVD焊接試板坡口示圖

1.2 焊接材料及焊接工藝

焊接工藝選擇全程焊條電弧焊(SMAW)。根據(jù)07MnNiMoDR與10Ni3MoVD材料及焊接材料化學(xué)成分(表1)，焊接材料選用?4.0 mm的LB-65L焊條。焊接后，對(duì)試板進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，熱處理的溫度及時(shí)間為(580±10)℃×8 h。

07MnNiMoDR與10Ni3MoVD試板焊接工藝參數(shù)見表2。焊接時(shí)需注意：①焊接材料使用前要烘干并在保溫桶中保溫使用。②焊接前，采用火焰對(duì)材料進(jìn)行預(yù)熱。③焊接完成后，立即進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

表1 材料主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 07MnNiMoDR與10Ni3MoVD試板焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 室溫拉伸試驗(yàn)

根據(jù)NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》[13]、GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)方法》[14]，沿試板在垂直于焊縫的方向上分層截取覆蓋試板厚度的矩形室溫拉伸試樣，代替全厚度試樣進(jìn)行試驗(yàn)，每層截取2件試樣。07MnNiMoDR與10Ni3MoVD焊接試樣室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3，相應(yīng)的母材室溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 兩種材料焊接試樣室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4 兩種材料母材室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，①試樣被拉斷之后，其斷裂位置全部位于07MnNiMoDR側(cè)母材區(qū)，這說(shuō)明焊接接頭的強(qiáng)度高于07MnNiMoDR側(cè)母材的強(qiáng)度。②消除應(yīng)力熱處理之后材料的最小抗拉強(qiáng)度為634 MPa。③不同位置取樣下的試樣室溫抗拉強(qiáng)度相差不大(相差2～10 MPa)。

由表4可以看出，07MnNiMoDR鋼的抗拉強(qiáng)度較10Ni3MoVD鋼的低，且經(jīng)過焊接及消除應(yīng)力熱處理后，抗拉強(qiáng)度有所下降。

依據(jù)GB 19189—2011《壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板》及NB/T 47009—2017《低溫承壓設(shè)備用合金鋼鍛件》，07MnNiMoDR鋼的室溫抗拉強(qiáng)度Rm=610～730 MPa，10Ni3MoVD鋼的室溫抗拉強(qiáng)度Rm=600～760 MPa。對(duì)比上述試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫及材料強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 彎曲試驗(yàn)

按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》[15]，在試板上垂直于焊縫軸線方向截取4件全板厚側(cè)彎試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。4件試樣彎曲后均沒有裂紋產(chǎn)生，說(shuō)明焊接接頭的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)的材料伸長(zhǎng)率一致，焊縫的塑性和完整性較好，能夠滿足材料的使用要求。

2.3 沖擊試驗(yàn)

低溫設(shè)備制造工藝要求07MnNiMoDR與10Ni3MoVD兩種材料的組焊焊縫及其它部位的低溫沖擊吸收功在-50 ℃條件下不小于80 J。此要求比其他材料的沖擊吸收功要求嚴(yán)格，需要對(duì)其檢測(cè)予以重視。按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[16]，在距試板表面10 mm區(qū)域截取-50 ℃夏比V型缺口試樣，試樣軸線垂直于焊縫軸線，在試板的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及兩側(cè)母材區(qū)各取樣1組，每組3個(gè)試樣，規(guī)格(長(zhǎng)度×寬度×厚度)均為55 mm×10 mm×10 mm，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的結(jié)果見表5。

表5 07MnNiMoDR與10Ni3MoVD試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表5可以看出，焊縫及材料沖擊吸收功均大于80 J，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。從表5還可知，母材區(qū)和熱影響區(qū)的沖擊功明顯高于焊縫區(qū)的沖擊功。經(jīng)分析認(rèn)為，焊縫區(qū)組織奧氏體中殘留較多的δ鐵素體，這使得焊縫金屬的韌性下降，所以焊縫區(qū)的沖擊功比母材區(qū)和熱影響區(qū)的都要低。

2.4 硬度試驗(yàn)

硬度是材料抵抗局部變形的能力，也是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。材料的硬度與其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及熱處理工藝因素有關(guān)，因此可以通過硬度試驗(yàn)來(lái)反映材料的質(zhì)量，驗(yàn)證熱處理工藝及試樣的淬硬傾向。按照GB/T 231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》[17]，在試板上垂直于焊縫軸線的方向截取全板厚硬度試樣，試樣經(jīng)砂紙磨光、機(jī)械拋光和4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕處理，區(qū)分出焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)，試驗(yàn)選用的布氏硬度塊為HBW2.5/187.5。兩種材料硬度試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 兩種材料試樣硬度試驗(yàn)結(jié)果

由表6可以看出，試樣的焊接工藝及熱處理工藝合理，滿足材料的使用要求。兩種材料各自的母材區(qū)比相應(yīng)熱影響區(qū)的硬度值稍高(6～8HBW)，焊縫區(qū)的硬度最低，但整體偏差不大。同一區(qū)域不同部位測(cè)試結(jié)果偏差也較小，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)淬硬傾向不明顯。

2.5 金相檢驗(yàn)

在試板垂直于焊縫軸線方向截取金相檢驗(yàn)試樣。對(duì)試樣經(jīng)砂紙磨光、機(jī)械拋光和4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕后，在金相顯微鏡上觀察其顯微組織[18]。顯微組織觀察結(jié)果見圖2～圖6。

圖2 07MnNiMoDR側(cè)母材區(qū)金相組織(500×)

圖3 10Ni3MoVD側(cè)母材區(qū)金相組織(500×)

圖2為07MnNiMoDR原母材的金相組織，可見組織為板條狀回火馬氏體和回火索氏體+貝氏體和鐵素體。圖3為10Ni3MoVD原母材的金相組織，可見組織為馬氏體和貝氏體。

圖4 07MnNiMoDR側(cè)熱影響區(qū)金相組織(500×)

圖4 為07MnNiMoDR側(cè)熱影響區(qū)金相組織圖，可見熱影響區(qū)馬氏體組織相比圖2的有所減少，同時(shí)可見一些鐵素體組織。分析認(rèn)為，鐵素體組織的形成會(huì)使材料硬度下降，此分析結(jié)果與表6的硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)互為印證。

圖5 10Ni3MoVD側(cè)熱影響區(qū)金相組織(500×)

圖5為10Ni3MoVD側(cè)熱影響區(qū)金相組織圖，可見熱影響區(qū)馬氏體組織相比圖3的有所減少，同時(shí)可見一些鐵素體組織及珠光體組織。分析認(rèn)為，鐵素體組織及珠光體組織的形成會(huì)使材料硬度下降，此分析結(jié)果與表6的硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)互為印證。

圖6 焊縫區(qū)金相組織(500×)

圖6為焊縫區(qū)金相組織圖，可見焊縫區(qū)組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，其中鐵素體組織較多。分析認(rèn)為，較多的鐵素體組織使該區(qū)域材料的硬度比圖5所示區(qū)域材料的硬度更低，此分析結(jié)果與表6的硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)互為印證。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)低溫丙烯球罐所用兩種異種鋼材料07MnNiMoDR與10Ni3MoVD的組焊焊接試件性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，焊接試件的拉伸、低溫沖擊及硬度性能良好，各個(gè)區(qū)域內(nèi)伸長(zhǎng)率一致，塑性良好，-50 ℃沖擊性能優(yōu)于NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[19]要求，低溫韌性良好，焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良。