08Ni3DR鋼焊接性試驗(yàn)研究

何前進(jìn)，房務(wù)農(nóng)

1.黃山學(xué)院 安徽黃山 245041

2.合肥通用機(jī)械研究院 安徽合肥 230088

1 序言

08Ni3DR鋼是近年來國內(nèi)開發(fā)的使用在－100℃下的3.5Ni鋼，改變了長期依靠國外進(jìn)口的局面，已成功應(yīng)用于乙烷球罐[1]、CO2產(chǎn)品塔[2]、預(yù)脫甲烷塔[3]等－100℃低溫承壓設(shè)備的建造中。本文通過試驗(yàn)系統(tǒng)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(xué)性能的影響以及焊接接頭的系列溫度沖擊性能。

2 試驗(yàn)用材料

（1）試驗(yàn)用鋼板 試驗(yàn)采用國產(chǎn)50m m厚的08Ni3DR鋼板，熱處理狀態(tài)為正火+回火，化學(xué)成分、力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)要求及實(shí)測值分別見表1、表2。由表1、表2可見，該鋼S、P含量遠(yuǎn)低于GB 3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》的規(guī)定、力學(xué)性能遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

（2）試驗(yàn)用焊條 試驗(yàn)焊條采用法國液化空氣集團(tuán)OERLIKON公司生產(chǎn)的牌號為E7016-C2L焊條，規(guī)格為φ4.0mm，其熔敷金屬化學(xué)成分技術(shù)要求及實(shí)測值見表3，熔敷金屬SR處理狀態(tài)下力學(xué)性能要求及實(shí)測值見表4。

表1 試驗(yàn)用08Ni3DR鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 試驗(yàn)用08Ni3DR鋼板力學(xué)性能

表3 E7016-C2L焊條熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 E7016-C2L 焊條熔敷金屬力學(xué)性能要求

由表2、表4可知，焊條熔敷金屬的強(qiáng)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(shù)要求。

3 焊接冷裂紋敏感性評定試驗(yàn)

（1）焊接冷裂紋敏感指數(shù) 鋼材的化學(xué)成分密切影響著焊接熱影響區(qū)的硬度和冷裂紋傾向，國際焊接協(xié)會（IIW）、日本JIS和WES標(biāo)準(zhǔn)、美國焊接學(xué)會（AWS）根據(jù)各國鋼材的特點(diǎn)和試驗(yàn)方法制定了碳當(dāng)量公式，從而初步衡量鋼的冷裂紋敏感性，確定預(yù)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(yàn)[4]，提出了低合金高強(qiáng)度鋼的焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm，并結(jié)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(shù)Pcm以及防止裂紋最低預(yù)熱溫度To的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中 [H]——采用日本JIS 3113標(biāo)準(zhǔn)測定的熔敷金屬擴(kuò)散氫含量（mL/100g）；

t——板厚（mm）；

To——最低焊前預(yù)熱溫度（℃）。

本試驗(yàn)焊條E7016-C2L熔敷金屬擴(kuò)散氫含量[H]≤1.5mL/100g。按上述公式計(jì)算，08Ni3DR鋼P(yáng)cm=0.183%，Pc值為0.295%，To約為33℃，即防止冷裂的焊前預(yù)熱溫度≥33℃。按照伊藤公式計(jì)算結(jié)果，可見該鋼板焊接冷裂紋敏感性較低。

（2）焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn) 焊接接頭熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)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(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》規(guī)定，分別在常溫、預(yù)熱溫度75℃兩種情況下進(jìn)行施焊，然后按GB/T 4340—2009《金屬維氏硬度試驗(yàn)》進(jìn)行維氏硬度檢驗(yàn)，結(jié)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(yù)熱時熱影響區(qū)最高硬度值分別為227HV10、210HV10，均遠(yuǎn)低于國際焊接協(xié)會（IIW）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(qū)最高硬度試驗(yàn)結(jié)果

（3）斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn) 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)主要用于評定低碳鋼及低合金鋼焊接熱影響區(qū)的冷裂紋敏感性，并確定合適的預(yù)熱溫度。按照CB/T 4364—2013《斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》，分別在室溫、預(yù)熱50℃、預(yù)熱75℃和預(yù)熱100℃下進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)制作2塊試板，如圖2所示。焊接參數(shù)：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(yù)熱達(dá)到試驗(yàn)溫度后，再焊接試驗(yàn)焊縫。

圖2 斜Y坡口焊接裂紋試板

焊完經(jīng)48h自然冷卻后，首先對焊縫表面進(jìn)行滲透檢測，然后對試板進(jìn)行解剖，經(jīng)磨光、腐蝕后用放大鏡觀察斷面和根部有無裂紋，試驗(yàn)結(jié)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(yù)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(diǎn)，可認(rèn)為50mm厚08Ni3DR鋼在焊前預(yù)熱在50℃以上時，實(shí)際焊接接頭出現(xiàn)冷裂紋的可能性較小。

表5 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

4 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

（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(yù)熱溫度≥100℃，層間溫度控制在100～160℃。不同熱輸入焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)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(xué)性能試驗(yàn)結(jié)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(qū)-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(nèi)，隨著焊接熱輸入的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度略有下降，但焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)－100℃沖擊吸收能量呈現(xiàn)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(yàn)結(jié)果顯示：焊接熱輸入在15～30kJ/cm時，焊接接頭的強(qiáng)度和韌性均能滿足技術(shù)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(xì)，且因其Ni含量（3.5%左右）較高，針狀鐵素體較多。

圖5 焊縫區(qū)及熱影響區(qū)金相組織

圖6 母材區(qū)金相組織

（3）焊接接頭系列溫度沖擊試驗(yàn) 試驗(yàn)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(jīng)400℃×1h的烘干處理；預(yù)熱溫度＞100℃，層間溫度≤160℃；熱輸入為25～30kJ/cm，焊后立即進(jìn)行250℃×0.5h的消氫處理，并進(jìn)行2次（600±15）℃×2h的SR處理。

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

圖7 焊縫中心（2次SR態(tài)）KV2—T曲線

圖8 熱影響區(qū)（2次SR態(tài)）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(qū)系列沖擊試驗(yàn)曲線上平臺較高，下平臺不明顯，韌脆性之間轉(zhuǎn)變較為平緩，這與焊縫金屬具有細(xì)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(zhuǎn)變溫度較低，具有優(yōu)良的低溫沖擊韌度。－100℃沖擊試驗(yàn)時，SR態(tài)焊縫區(qū)、熱影響區(qū)沖擊吸收能量平均值分別為62J、198J。根據(jù)GB 150—2011《壓力容器》中第2部分表1規(guī)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步提高。

5 結(jié)束語

1）根據(jù)伊藤小鐵研試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式、熱影響區(qū)最高硬度法以及斜Y鐵研試驗(yàn)，結(jié)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(yù)熱50℃以上時，未出現(xiàn)任何裂紋?？紤]到工程施工的復(fù)雜性，建議50mm厚08Ni3DR鋼焊前預(yù)熱溫度≥75℃。

2）為避免焊縫及熱影響區(qū)形成粗大組織而使其沖擊吸收能量嚴(yán)重降低，焊接時必須采用較小的焊接熱輸入量，熱輸入應(yīng)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(yán)格控制層間溫度。

3）焊材E7016-C2L韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低，具有優(yōu)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(guī)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(jìn)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(diǎn)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(yán)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(shù)：預(yù)熱溫度＞75℃，層間溫度≤160℃；熱輸入為15～30kJ/cm，焊后立即進(jìn)行250℃×0.5h的消氫處理，并進(jìn)行2次（600±15）℃×2h的SR處理。