10Ni3MoVD鍛件焊接裂紋敏感性試驗研究

竇萬波，卜華全，陸戴丁，章小滸

(合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術中心，安徽合肥 230031)

0 引言

隨著裝置的大型化，乙烯球罐設計溫度大都處于－45～－50℃［1］，這就要求用于乙烯球罐的鋼板、鍛件及焊條等除具備足夠強度以適應設備大型化外，還必須滿足－50℃的低溫要求。

對于強度級別610 MPa的－50℃低溫高強鋼鍛件，JB 4727中有一個10Ni3MoVD的鍛件鋼號，該鍛件是20世紀70年代原沈陽重型機器廠和金州重型機器廠為匹配日本N－TUF490鋼板研制的配套鍛件，20世紀90年代雖然列入JB 4727—1994《低溫壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件》，但一直沒有廠家供貨，也未實際應用。

近年來在乙烯球罐建設中，為解決－50℃高強鋼(如日本的JFE－HITEN610U2L)的配套，國內通常的做法為:采用 －40℃高強鋼鍛件08MnNiCrMoVD、通過提高內控指標并按－50℃性能驗收，再經全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會評審后升級使用或引進日本的配套鍛件NT－490EQ。多個工程表明:08MnNiCrMoVD升級到－50℃使用，已達到使用溫度的極限，性能波動較大，造成廢品率高、交貨期長等問題;而日本NT－490EQ鍛件價格是國產08MnNiCrMoVD鍛件的10倍左右，從而使設備造價大幅度增加。因此，完善和研發國產鍛件10Ni3MoVD勢在必行。

為此，合肥通用機械研究院和無錫市法蘭鍛造有限公司共同開展10Ni3MoVD鋼鍛件的試制，解決了該鍛件的綜合力學性能和－50℃低溫韌性的穩定性問題。為準確評定所研制的10Ni3MoVD鍛件焊接裂紋敏感性，以期制訂科學、可靠的焊接工藝，合肥通用機械研究院采用鍛板開展了系統的試驗研究。

1 試驗用材料

試驗用10Ni3MoVD取自研制的鍛件試板(簡稱鍛板)。鍛板厚度48 mm，其化學成分、力學性能的技術要求及質量證明書的檢驗數據分別見表1，2。表2中鍛板熱處理狀態為調質，試樣取樣部位為t/2處(t為厚度)。

試驗采用日本神戶制鋼所生產的、與－50℃的610 MPa高強鋼匹配的LB－65L焊條。其熔敷金屬化學成分、力學性能見表3。

表1 試驗用鍛件化學成分技術要求及檢驗結果 %

表2 10Ni3MoVD鍛件力學性能的技術要求及檢驗結果

表3 LB－65L焊條熔敷金屬的化學成分和力學性能

2 焊接冷裂紋敏感性試驗

2.1 10Ni3MoVD鍛板焊接冷裂紋敏感指數分析

鋼材的化學成分與其焊接熱影響區的硬度和冷裂紋傾向密切相關。對于低碳多種微合金體系的低合金鋼，日本的伊藤、別所采用斜Y型坡口鐵研試驗對近200個鋼種進行研究，建立了低合金高強度鋼的焊接裂紋敏感性組成Pcm和焊接冷裂紋敏感性指數Pc公式，并相應建立了小鐵研試驗法預測焊接預熱溫度To的經驗公式。一般認為，下述公式可用于w(C)≤0.16%、抗拉強度為400～900 MPa的低合金高強度鋼。

式中 t——板厚，mm

［H］——采用日本JIS 3113標準甘油法測定的熔敷金屬擴散氫含量，10－2ml/g

To——最低焊前預熱溫度，℃

按表1中鍛板的熔煉分析數據計算，本試驗用10Ni3MoVD鍛板的 Pcm=0.195%。LB－65L焊條的擴散氫含量按［H］≤0.02 ml/g考慮。按式(2)計算，10Ni3MoVD鍛板的Pc=0.3083%，則小鐵研試驗不裂的最低焊前預熱溫度To=52℃，需要適當的預熱。由此判斷:該鍛板抗焊接冷裂紋能力良好。

2.2 10Ni3MoVD鍛板焊接熱影響區最高硬度試驗

焊接熱影響區最高硬度試驗按GB 4675.5—84《焊接性試驗 焊接熱影響區最高硬度試驗方法》的規定進行［2］。先將48 mm厚10Ni3MoVD鍛板加工至20 mm厚(保留一個鍛造面)，然后加工成標準規格試板(200 mm×150 mm×20 mm)3塊，分別在不同預熱狀態下施焊。

試驗采用?4.0 mm LB－65L焊條(400℃ ×1 h烘干)，預熱溫度分別為室溫、75和100℃。試驗焊縫在鍛造面上進行，焊接規范見表4。

表4 最高硬度試驗的焊接規范

以焊接熔合線底部切點為0點，左右每隔0.5 mm作為硬度的測定點，見圖1。加載載荷10 kg，加載時間 20 s，加載速度 70 μm/s。維氏硬度測定點位置及其硬度值見表5，6，由表中數據整理的硬度測定點位置及其硬度值曲線見圖2。

表5 維氏硬度測定點位置及其硬度值(左半側)

鋼材的淬硬傾向是評價其焊接冷裂紋敏感性的主要判據之一，焊接熱影響區最高硬度HV作為一個因子，不僅可以反映化學成分的作用，也反映了組織形態對冷裂紋的影響。由表5，6數據及圖2曲線可以看出，10Ni3MoVD鍛板在不預熱時，焊接熱影響區最高硬度HV10為377 N/mm2，有一定淬硬傾向;而預熱至75和100℃時，焊接熱影響區最高硬度HV10分別為281和288 N/mm2左右，淬硬傾向明顯降低，可有效避免焊接冷裂紋的產生。

表6 維氏硬度測定點位置及其硬度值(右半側)

圖2 最高硬度法試驗硬度分布圖(焊條:LB－65L)

2.3 10Ni3MoVD鍛板斜Y型坡口焊接裂紋試驗

為直觀地評價10Ni3MoVD鍛件根部焊道的焊接冷裂紋敏感性，采用48 mm厚的鍛板，按GB 4675.1—84《焊接性試驗 斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》的有關規定進行了斜Y型坡口焊接裂紋試驗［3］。

共制作了6塊試板，按不同的預熱溫度施焊(參數見表7)。試板焊后經48 h自然冷卻后，試驗焊縫經滲透檢測，均未發現表面裂紋，并檢查其斷面，結果見表8。

由斜Y坡口焊接裂紋試驗結果可知:用LB－65L焊條施焊的10Ni3MoVD鍛板，不預熱試樣的斷面和根部裂紋率均達到100%，預熱75℃和100℃的試驗均未出現斷面和根部裂紋?？梢哉J為，用LB－65L焊接48 mm厚的10Ni3MoVD鍛板時，應進行75℃以上的預熱。

表7 斜Y坡口焊接裂紋試驗參數

表8 斜Y坡口焊接裂紋試驗

3 再熱裂紋敏感性試驗

3.1 再熱裂紋敏感性指數分析

鋼材的化學成分是影響其再熱裂紋敏感性的重要因素。為研究各種碳化物形成元素以及鐵素體穩定化元素對鋼材再熱裂紋敏感性的影響，日本伊藤等在前人試驗研究的基礎上(鈴木春義，1979)，采用Y型坡口拘束試板作進一步研究，提出了再熱裂紋敏感性指數PSR作為鋼板再熱裂紋敏感性的初步判斷，并建立了以下公式:

PSR≥0時，則發生再熱裂紋。

根據上述公式計算10Ni3MoVD鍛板的PSR=－0.94。從而推斷，10Ni3MoVD鍛板的再熱裂紋傾向不大。

3.2 10Ni3MoVD鍛板小鐵研法再熱裂紋試驗

為了用試驗評價10Ni3MoVD鍛板的再熱裂紋敏感性，先按 GB 4675.1—84［3］制作小鐵研試樣，其預熱125℃，確保不產生冷裂紋，然后按不同的規范進行焊后熱處理。

共制作了8塊小鐵研試板，采用直徑?4 mm的LB－65L焊條按要求施焊(參數見表9)，試驗結果見表10。

表9 小鐵研法再熱裂紋試驗參數

表10 10Ni3MoVD鍛板小鐵研再熱裂紋試驗

由表10可知，小鐵研試樣經580及600℃熱處理，部分試樣出現根部和斷面裂紋，但未發現表面裂紋，說明10Ni3MoVD鍛板有一定的再熱裂紋傾向，因小鐵研試驗的拘束度較高，一般認為表面裂紋率低于20%時，實際產品結構不會產生裂紋。

3.3 10Ni3MoVD鍛板插銷再熱裂紋試驗

20世紀80年代到21世紀初，有關單位對多種壓力容器用鋼采用插銷法進行再熱裂紋試驗，獲得大量數據［4－6］。本次的插銷再熱裂紋試驗仍沿用有關單位的試驗方法及參數選擇，以便于對比。其試驗方法參照GB 9446—1988《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》［7］，插銷試樣是從48 mm厚的10Ni3MoVD鍛板1/4板厚處切取，試樣長度方向沿鍛板長度方向，其形狀及尺寸參照插銷冷裂紋的試樣，但選擇缺口深度為1.5 mm，采用較大缺口深度是為了獲取最大的應力集中系數。插銷底板采用低碳鋼板，規格為?100 mm×20 mm，其中心有?8 mm配合插銷安裝的孔。

插銷試樣的焊接工藝規范:焊接電流170 A，焊接電壓24～25 V，焊接速度150 mm/min，線能量16～17 kJ/cm。插銷試驗所用設備為JBL－1型插銷試驗機，試驗期間環境溫度15～21℃，濕度60%～75%。

本次試驗中采用“斷裂”準則，即試樣經一定時間不斷裂所承受的最大應力為鋼材抗裂能力。試驗初應力σ0按下式計算，以便能精細區分試驗用鋼對再熱裂紋的敏感程度。

式中 σ0——插銷應力松弛試驗時的初應力值

σS——鋼材在高溫下的屈服強度

EH——鋼材在高溫下的彈性模數

ER——鋼材在室溫下的彈性模數

3.3.1 再熱裂紋敏感溫度試驗

對10Ni3MoVD再熱裂紋插銷試驗的熱處理溫度分別為560，580，600和620℃，結果見圖3。經測定，其再熱裂紋敏感溫度在600℃左右。

圖3 10Ni3MoVD鍛板插銷再熱裂紋試驗

3.3.2 再熱裂紋敏感應力松弛試驗

對10Ni3MoVD鍛板再熱裂紋應力松弛試驗，其試驗溫度分別為580，600和620℃，結果見圖4。在3個溫度下的臨界斷裂初應力分別為317，230，263 MPa。其中在敏感溫度600℃下的臨界斷裂應力最低，為230 MPa。

3.3.3 與幾種壓力容器用鋼的再熱裂紋敏感性的比較

與幾種壓力容器用鋼的再熱裂紋敏感性比較(敏感溫度及其臨界斷裂初應力值)結果見表11。

圖4 插銷再熱裂紋應力松弛試驗

表11 幾種壓力容器用鋼敏感溫度下的臨界斷裂初應力

由表11可以看出:

(1)10Ni3MoVD鍛件的再熱裂紋敏感溫度較低(600℃)，這可能限制現場消除應力溫度的提高;

(2)其敏感溫度下的臨界斷裂應力較高(230 MPa)，這又表明其再熱裂紋敏感性較低;

(3)其敏感溫度下的臨界斷裂應力(230 MPa)，遠高于國產WCF－62(135 MPa)，略低于日本 CF －62(260 MPa)［4－6］。

3.3.4 再熱裂紋C形曲線

10Ni3MoVD鍛件與幾種壓力容器用鋼［6］的再熱裂紋C形曲線見圖5，由圖中斷裂時間可以看出:10Ni3MoVD鍛件比國產WCF－62鋼的斷裂時間長，說明其再熱裂紋敏感性比國產WCF－62鋼低;但其斷裂時間比日本的CF－62的短，說明其再熱裂紋敏感性比日本的CF－62略高。

4 綜合評定及建議

圖5 幾種壓力容器用鋼的再熱裂紋C形曲線

(1)通過焊接冷裂紋敏感指數、焊接熱影響區最高硬度法試驗及斜Y型坡口焊接裂紋試驗等方法對比的試驗研究表明:10Ni3MoVD鍛件有良好的抗焊接冷裂紋能力。采用進口LB－65L焊條施焊，若預熱溫度大于75℃，一般不會產生焊接冷裂紋。而室溫焊接的斜Y型鐵研試驗均出現100%斷面和根部裂紋。因此，對10Ni3MoVD鍛件預熱是必要的。

(2)根據本次試驗結果，考慮到鍛件化學成分因爐批號不同可能的波動性，鍛件主要用在人孔、接管部位拘束度一般較大同時也是應力集中區等因素，推薦10Ni3MoVD鍛件焊前預熱溫度不低于100℃。

(3)通過焊接再熱裂紋敏感指數、斜Y型坡口焊接裂紋試驗及插銷再熱裂紋試驗等的對比試驗，可以看出10Ni3MoVD鍛板有一定的再熱裂紋敏感性(其再熱裂紋敏感溫度為600℃左右，在敏感溫度600℃下的臨界斷裂應力為230 MPa，其敏感性遠低于國產 CF－62，稍高于日本 CF－62)，與常用壓力容器用鋼相比，其再熱裂紋敏感性相對較低。

對于實際產品結構，其敏感程度一般不至于產生再熱裂紋。但對此問題應予以重視，結構設計上應避免較高拘束度，焊接過程中應控制焊接工藝以降低殘余應力，同時要減少焊接缺陷，以避免其對冷裂紋和再熱裂紋的誘導。

(4)本次研制的10Ni3MoVD鍛件，碳當量和Pcm值控制都較理想，試驗結果顯現良好的抗焊接冷裂紋能力。考慮到NB/T 47009—2010《低溫承壓設備用低合金鋼鍛件》中10Ni3MoVD鍛件沒有碳當 量 和 Pcm值的 具 體規 定［8］，建 議 選用10Ni3MoVD鍛件時，增加Pcm≤0.24%的要求，以間接控制其焊接裂紋的敏感性。

［1］竇萬波.我國乙烯球罐現狀及國產化中技術要點分析［J］.壓力容器，2006，23(6):39 －42.

［2］GB 4675.5—84，焊接性試驗 焊接熱影響區最高硬度試驗方法［S］.

［3］GB 4675.1—84，焊接性試驗 斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法［S］.

［4］《大型球罐用CF鋼的應用研究》課題協作組.CF－62鋼焊接性試驗研究［J］.壓力容器，1987，4(3):20－25.

［5］張相權，董家祥，戰旗，等.3.5%Ni鋼再熱裂紋試驗［J］.壓力容器，1988，5(6):8 －13.

［6］張建軍，房務農，卜華全，等.B610CF－L2與JFEHITEN610U2L鋼焊接裂紋敏感性對比研究［J］.壓力容器，2008，25(11):15 －18.

［7］GB 9446—1988，焊接用插銷冷裂紋試驗方法［S］.

［8］NB/T 47009—2010，低溫承壓設備用低合金鋼鍛件［S］.