SA-537 CL2 碳錳硅鋼埋弧焊工藝研究

劉玉祥

（森松（江蘇） 重工有限公司上海分公司， 上海 201323）

SA-537 CL2 鋼是近年來國內(nèi)外制造儲(chǔ)罐或球罐采用的一種材質(zhì)， 尤其是廣泛應(yīng)用于低溫服役的產(chǎn)品制造[1-2]。 與SA-516 Gr.70 鋼相比， SA-537 CL2 鋼具有更高的強(qiáng)度， 適用于低溫工況。設(shè)計(jì)采用SA-537 CL2 材料， 具有可降低設(shè)備整體質(zhì)量、 減少設(shè)備運(yùn)輸成本以及降低海洋平臺(tái)承重等優(yōu)勢(shì)。 近年來常用于海洋石油平臺(tái)除汞洗滌器、 VRU 除塵器以及化工行業(yè)聚丙烯反應(yīng)器的制造和使用。

1 SA-537 CL2 鋼介紹

1.1 化學(xué)成分及力學(xué)性能

SA-537 CL2 是通過熱處理強(qiáng)化的碳錳硅鋼板， 其材料供貨狀態(tài)為淬火+回火， 是晶粒度為5 號(hào)及以上的細(xì)晶粒鋼。 不同板厚的SA-537 CL2 鋼， 其化學(xué)成分和力學(xué)性能也有所不同， SA-537 CL2 鋼成品板材的化學(xué)成分見表1[3]，力學(xué)性能見表2[3]。

表1 SA-537 CL2 鋼化學(xué)成分 %

表2 SA-537 CL2 鋼力學(xué)性能

SA-537 CL2 鋼主要成分為C、 Mn、 Si 三種元素， P、 S 為雜質(zhì)元素， 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的微量元素為Cu、 Ni、 Cr、 Mo， 實(shí)際成品板材中還添加了V、 Ti、 Al、 B 微量元素。 C 元素可提高鋼的強(qiáng)度和硬度， 但會(huì)使塑性、 韌性降低； Mn 元素具有非常高的淬透性， 在鋼中起到基體強(qiáng)化作用，隨著板厚的增加， Mn 的含量也隨之增加， 通過Mn 元素的淬透性， 提高厚板芯部的強(qiáng)度； Si 在淬火+回火鋼中的作用是增加鋼的淬透性， 提高鋼的強(qiáng)度并具有一定的耐回火性； Cu 元素對(duì)鋼的沖擊韌性有輕微的提高， 但對(duì)鋼的強(qiáng)度， 特別是屈強(qiáng)比有很大的提高； Ni 元素具有細(xì)化晶粒的作用， 可以提高鋼的沖擊韌性； Cr 元素可以提高鋼的抗氧化性， 并能提高鋼的強(qiáng)度； 微量的Mo 元素能提高鋼的淬透性及抗回火性[4]； V、 Ti、Al、 B 均可提高鋼的基體強(qiáng)度， 細(xì)化晶粒并改善沖擊韌性。 綜上所述， SA-537 CL2 主要通過C、Mn、 Si、 Cr、 Mo、 Ni、 Cu 及少量的微量元素共同作用， 經(jīng)淬火+回火熱處理后， 得到強(qiáng)度及韌性較好的回火索氏體， 其基體微觀組織如圖1所示。

圖1 SA-537 CL2 鋼基體回火索氏體組織形貌

1.2 焊接性分析

SA-537 CL2 鋼熱紋傾向不明顯[2]， 根據(jù)碳當(dāng)量公式Ceq 以及冷裂紋敏感指數(shù)公式Pcm 對(duì)SA-537 CL2 鋼冷裂紋敏感性進(jìn)行評(píng)估， 由表1中試驗(yàn)材料化學(xué)成分按照公式 （1） 及公式 （2）計(jì)算碳鋼量Ceq 以及冷裂紋敏感指數(shù)Pcm， Ceq約為0.45%， Pcm 約為0.26%。

當(dāng)Ceq＞0.4%、 Pcm＞0.23%時(shí)， 這說明材料的焊接具有冷裂紋傾向， 因此SA-537 CL2 鋼具有一定的冷裂紋敏感性。 冷裂紋形成原因主要基于焊接冷卻速度過快， 產(chǎn)生淬硬組織， 以及焊縫中的殘余氫擴(kuò)散聚集在焊接殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生冷裂紋， 因此焊接前應(yīng)采取預(yù)熱措施， 通過預(yù)熱達(dá)到消氫的目的， 并減緩t8/5冷卻速度， 改善組織性能，避免冷裂紋的產(chǎn)生。 同時(shí)， 對(duì)SA-537 CL2 鋼焊后進(jìn)行溫度200～250 ℃、 冷卻時(shí)間為1～1.5 h 的緩冷處理， 進(jìn)一步消除焊縫的氫， 減小冷裂紋傾向。

2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

考慮設(shè)備壁厚因素以及大直徑封頭拼縫熱成型的情況， 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)共進(jìn)行了兩組， 一組焊接試板進(jìn)行焊后熱處理， 另一組進(jìn)行淬火+回火+焊后熱處理。 在實(shí)際制造過程中存在產(chǎn)品正常的焊后熱處理以及產(chǎn)品熱處理后返修、 客戶現(xiàn)場(chǎng)返修后重新熱處理的情況， 評(píng)定試板的焊后熱處理又分為產(chǎn)品焊后熱處理（即最小焊后熱處理） 和3 倍熱循環(huán)焊后熱處理（即最大焊后熱處理）， 因此每組試板數(shù)量為2 副， 分別為最小焊后熱處理態(tài)和最大焊后熱處理態(tài)。

2.1 焊接坡口

試驗(yàn)用SA-537 CL2 鋼厚度為68 mm， 坡口形式如圖2 所示， 坡口采用機(jī)械加工而成， 加工后對(duì)坡口表面進(jìn)行FULL-MT-APP.6 檢測(cè)。

圖2 SA-537 CL2 試驗(yàn)鋼坡口示意圖

2.2 焊材選用

試驗(yàn)用埋弧焊材選用EF3 焊絲， 匹配同廠家F8P6 焊劑， 焊絲焊劑匹配后滿足ASME SFA-5.23要求， 熔敷金屬抗拉強(qiáng)度為550～650 MPa。

2.3 焊接工藝

試板在焊接前， 坡口及坡口邊緣兩側(cè)25 mm范圍用砂輪打磨除銹， 對(duì)焊接試板進(jìn)行組對(duì)，試板端部加焊接引弧板、 熄弧板。 試板組對(duì)后， 采用電加熱片對(duì)試板整體預(yù)熱， 每副試板上布置2 支熱電偶， 數(shù)顯溫度電箱對(duì)其進(jìn)行控溫， 預(yù)熱溫度150～160 ℃。 試板采用埋弧焊進(jìn)行焊接， 埋弧焊劑使用前按照廠家推薦的烘干溫度進(jìn)行烘干。 埋弧焊采用多層多道焊， 每一道焊縫焊后進(jìn)行道間溫度檢測(cè)， 道間溫度不超過250 ℃。 試板正面焊后， 背面采用碳弧氣刨清根， 清根深度約13 mm， 清根后采用砂輪打磨去除滲碳層并進(jìn)行熱磁粉檢測(cè)， 檢測(cè)合格后繼續(xù)采用埋弧焊焊接， 試板焊完后立即進(jìn)行溫度為200～250 ℃、 冷卻時(shí)間為1～1.5 h 的緩冷去氫處理， 試板具體焊接規(guī)范見表3。

表3 SA-537 CL2 試驗(yàn)鋼焊接工藝參數(shù)

2.4 無損檢測(cè)

試板焊后進(jìn)行MT、 RT 檢測(cè)， 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)按照ASME V 卷執(zhí)行， 檢測(cè)結(jié)果滿足FULL-MT-APP.6 及FULL-RT-UW-51 要求。

2.5 試板熱處理

1#試板僅進(jìn)行焊后熱處理， 2#試板進(jìn)行淬火+回火+焊后熱處理， 熱處理采用電爐加熱，熱處理工藝參數(shù)見表4。

表4 SA-537 CL2 試驗(yàn)鋼焊后熱處理工藝參數(shù)

3 理化性能試驗(yàn)

按照ASME IX 《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行橫向板狀拉伸試驗(yàn)、 側(cè)向彎曲試驗(yàn)和-46 ℃沖擊試驗(yàn)， 并補(bǔ)充進(jìn)行了硬度試驗(yàn)和金相試驗(yàn)。

3.1 拉伸試驗(yàn)

通常情況下， 隨熱處理時(shí)間的延長， 焊接接頭抗拉強(qiáng)度逐漸下降[5-7]， 故拉伸試驗(yàn)僅進(jìn)行了最大焊后熱處理態(tài)。 由于試板厚度較厚， 試驗(yàn)機(jī)能力受限， 最大熱處理后的試板無法進(jìn)行全厚度拉伸試驗(yàn)， 將拉伸試樣在厚度方向等分為2 片試樣， 取樣應(yīng)滿足ASME IX 卷QW462.1（a）要求，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5。 試驗(yàn)?zāi)覆暮穸?8 mm，其抗拉強(qiáng)度的下限值為515 MPa， 表5 所示抗拉強(qiáng)度結(jié)果均大于515 MPa， 試驗(yàn)結(jié)果滿足ASME IX卷QW-153 的要求。

表5 SA-537 CL2 試驗(yàn)鋼焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2 沖擊試驗(yàn)

沖擊試樣熱處理狀態(tài)為最小焊后熱處理、最大焊后熱處理、 淬火+回火+最小焊后熱處理、 淬火+回火+最大熱處理四種， 取樣位置及數(shù)量滿足ASME VIII-1 UG84 要求， 試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm， 試驗(yàn)溫度-46 ℃。 沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表6， 從表6 可以看出， 沖擊試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求 （≥34 J）。

表6 SA-537 CL2 試驗(yàn)鋼焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.3 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)的熱處理狀態(tài)為最小、 最大熱處理和淬火+回火+最小、 最大熱處理四種， 每種熱處理狀態(tài)取彎曲試樣4 個(gè)， 按照ASME IX 卷QW-160 進(jìn)行橫向側(cè)彎試驗(yàn)， 側(cè)彎試樣加工滿足ASME IX 卷QW-462.2 要求， 彎曲試驗(yàn)彎頭直徑40 mm， 試樣經(jīng)180°彎曲后， 被彎曲表面焊縫及熱影響區(qū)無開口缺陷， 結(jié)果滿足ASME IX 卷QW-163 的要求。

3.4 硬度試驗(yàn)

硬度因熱處理時(shí)間延長而下降， 因此僅對(duì)經(jīng)歷最小焊后熱處理的1#、 2#試板進(jìn)行硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)按照ISO9015-1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行， 其結(jié)果見表7，從表7 可以看出， 硬度試驗(yàn)結(jié)果均滿足項(xiàng)目規(guī)范要求（＜235HV10）。

表7 SA-537 CL2 試驗(yàn)鋼焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果

3.5 微觀組織分析

對(duì)1#、 2#試板的熱影響區(qū)及焊縫進(jìn)行了顯微組織分析， 分析結(jié)果如圖3 所示。 對(duì)微觀組織進(jìn)行200 倍放大觀察， 未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋及其他缺陷，組織基體為回火索氏體， 但淬火+回火處理的2#試板焊縫及熱影響區(qū)微觀組織中除了回火索氏體外， 還出現(xiàn)大的塊狀鐵素體組織。 鐵素體組織具有強(qiáng)度低、 硬度低的特點(diǎn)， 對(duì)于淬火+回火鋼， 隨著鐵素體組織的增加， 沖擊韌性會(huì)逐漸下降[8-10]，與1#試板的抗拉強(qiáng)度、 沖擊功、 硬度相比， 2#試板均呈下降態(tài)勢(shì)， 其微觀組織中大的塊狀鐵素體析出導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度、 沖擊功和硬度下降。

圖3 1#試板和2#試板熱影響區(qū)及焊縫顯微組織形貌

4 產(chǎn)品焊接

本研究一期項(xiàng)目SA-537 CL2 鋼產(chǎn)品共15臺(tái)設(shè)備， 按照ASME 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 設(shè)備無法豁免沖擊試驗(yàn)， 因此對(duì)A、 B 類焊縫均需帶焊接試板， 對(duì)15 臺(tái)設(shè)備30 塊焊接試板沖擊功數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)沖擊功存在波動(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)兩高一低的情況， 表5 中的評(píng)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)該問題。 雖然焊接試板的沖擊功滿足設(shè)計(jì)要求， 但不利于焊接接頭性能的穩(wěn)定性。通常認(rèn)為， 焊接熱影響區(qū)的沖擊功下降一般為焊接熱輸入過大造成， 但根據(jù)焊接試板沖擊功統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 同一取樣位置的3 個(gè)沖擊試樣僅有一個(gè)沖擊功偏低， 而不是整體偏低， 可判定為原材料本身沖擊功不穩(wěn)定。 按照ASME BPVC II.A SA-537標(biāo)準(zhǔn)中表1 化學(xué)成分要求， 允許材料熔煉分析w（Ni）超過0.25%， 最大可達(dá)0.50%[3]， 因此本研究項(xiàng)目后期板材采購時(shí)， 對(duì)w（Ni）增加到了0.35%～0.50%的要求， 后期產(chǎn)品焊接試板的熱影響區(qū)沖擊功再未出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

（1） SA-537 CL2 鋼埋弧焊焊接， 采用相匹配的F8P6-EF3 焊絲焊劑， 焊后進(jìn)行焊后熱處理以及淬火+回火+焊后熱處理， 其力學(xué)性能可滿足標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目要求。 焊后淬火+回火+焊后熱處理與僅進(jìn)行焊后熱處理的焊接接頭力學(xué)性能相比， 其抗拉強(qiáng)度、 沖擊功、 硬度等性能出現(xiàn)下降的現(xiàn)象， 原因是其焊縫及熱影響區(qū)微觀組織有大的塊狀鐵素析出， 導(dǎo)致焊接接頭抗拉強(qiáng)度、 沖擊功、 硬度等性能下降。

（2） 在進(jìn)行SA-537 CL2 鋼采購時(shí)， 對(duì)w（Ni）增加到了0.35%～0.50%的要求， 經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證， 該方法可提高焊接接頭熱影響區(qū)沖擊性能的穩(wěn)定性。