09MnNiDR鋼焊接接頭的組織與性能

李玉紅

(中航黎明錦西化工機械(集團)有限責任公司)

隨著國民經濟的快速發展，大型、低溫、深冷壓力容器在石油煉化行業應用越來越多。09MnNiDR鋼是目前國產低合金鋼中使用溫度最低的鋼種，在-70℃時仍具有大于47J的沖擊功，廣泛應用于低溫壓力容器制造領域。低溫壓力容器不僅要求鋼材本身具有良好的低溫性能，還要求通過焊接成形和熱處理加工后焊接接頭具有良好的低溫性能。在進行09MnNiDR的焊接時，如果焊接材料或焊接工藝參數等選擇不合理，焊接接頭容易出現氣孔、夾渣等缺陷，且焊縫和熱影響區的低溫沖擊吸收功很難達到技術要求。

錦西化機曾承接的變換器甲醇洗滌塔、循環氣閃蒸槽等設備，主體材料采用09MnNiDR鋼，設計溫度為-70℃，且要求焊后做(600±14)℃×3h熱處理。為保證焊接質量，施工前需進行焊接工藝評定，以評估焊接工藝的可行性。焊接接頭理化檢驗是焊接工藝評定結果的判據，筆者在顯微組織分析的基礎上，研究和分析了焊接過程中成分、組織與性能之間的內在聯系，確保其焊接接頭的顯微組織與性能全部符合設計要求。

1 試驗材料

本試驗所用09MnNiDR鋼為正火+回火狀態，母材金相組織為鐵素體+少量珠光體，化學成分見表1。

表1 09MnNiDR鋼的化學成分 wt%

2 焊接工藝及檢驗要求

根據設計文件和NB/T 47014-2011的要求[1]，試驗選用10mm厚的09MnNiDR鋼做為母材，開V形坡口，夾角60°，裝配間隙2～3mm，如圖1所示。采用單面多道焊，GTAW打底，其余SMAW填充。GTAW焊絲選用H07MnNiDR/φ2.5，SMAW焊條選用W707Ni/φ3.2。對接焊縫的位置為1G，焊前預熱15℃以上，層間溫度控制在15～150℃之間，焊后(600±14)℃×3h熱處理。焊接工藝參數見表2。

圖1 09MnNiDR鋼V形60°坡口

焊道/焊層焊接方法極性焊接電流A電弧電壓V焊接線速度cm·min-1線能量kJ·cm-11GTAWDCEN90～12010～126～8≤14．402～4SMAWDCEP90～12021～2410～12≤17．28

注：保護氣Ar≥99.99%，流量8～10L/min。

焊后做RT檢測，合格后按文獻[2]進行理化檢驗，檢驗項目、試樣數量和執行標準見表3。

表3 焊接工藝評定的理化檢驗試樣

3 焊接接頭

3.1宏觀形貌

焊接接頭宏觀檢驗主要是檢查焊接缺陷和焊縫金屬的宏觀形貌[3]。09MnNiDR鋼焊接接頭宏觀形貌如圖2所示，焊縫外觀形狀平整，焊道接合緊密，表面無未熔合、未焊透、裂紋、氣孔及夾渣等缺陷，焊縫成形良好。從圖2中可以看出接頭共4層6道，熱影響區約2mm左右。焊道呈扁平狀，成形高度約5mm左右，焊道搭接呈魚鱗狀。在蓋面層可清晰觀察到柱狀晶沿垂直于焊接熔池壁的方向向焊縫中心成長，最終匯交于熔池中部形成八字形柱狀樹枝晶結晶形式。

圖2 09MnNiDR鋼焊接接頭的宏觀形貌 ×10

3.2顯微組織

取金相試樣研磨、拋光，用4%硝酸酒精溶液腐蝕。使用4XCE光學顯微鏡觀察顯微組織。圖3為09MnNiDR鋼焊接接頭各特征區的顯微組織照片。

圖3 09MnNiDR鋼的焊接接頭組織

09MnNiDR鋼的母材組織為白色多邊形鐵素體和少量黑色珠光體組織，如圖3a所示。

09MnNiDR鋼焊縫中心區為細小鐵素體+珠光體組織，呈柱狀晶生長。由于選擇的焊接熱輸入較小，高溫停留時間短，所以接頭組織中沒有粗大的魏氏組織形成。又由于在多層多道焊中，后焊道對前焊道有加熱作用，使前道焊中粗大組織發生重結晶，從而細化了晶粒，故該區晶粒小于母材，如圖3b所示。

圖3c所示為09MnNiDR鋼焊接接頭熔合區顯微組織，圖中右側為焊縫區，由于晶體沿逆最大傳熱方向擇優長大，所以柱狀晶垂直于焊縫-母材界面，指向焊縫中心部位成長。圖中左側為熱影響區中的過熱區，該區緊鄰焊縫，焊接時加熱溫度高，冷卻后晶粒較粗大。

圖3d所示為09MnNiDR鋼焊接接頭蓋面層的顯微組織，由于是最后一道焊接，沒有后續焊道的加熱作用，組織粗大，鐵素體呈枝晶狀生長。

4 焊接接頭的力學性能

09MnNiDR鋼焊接接頭力學性能指標完全符合設計文件要求,兩個試樣的抗拉強度均不低于設計文件規定的抗拉強度下限值，-70℃沖擊功合格且有很大富裕量，4個橫向側彎試樣彎曲到180°后，其拉伸面上的焊縫和熱影響區內完好無裂紋，塑性良好。試驗結果見表4。

表4 09MnNiDR鋼焊接接頭力學性能試驗結果

5 結論

5.109MnNiDR鋼焊接接頭顯微組織符合低合金鋼焊接組織形成規律，用多層多道焊，后焊道對前焊道有加熱正火作用，使焊縫區晶粒細化，改善了接頭金相組織，熱影響區較窄。焊縫中心區和熱影響區均為鐵素體+珠光體，組織細小，保證了焊接接頭良好的力學性能。

5.209MnNiDR鋼焊接接頭的抗拉強度、-70℃沖擊功和側彎試驗結果符合產品技術要求。其中熱影響區性能低于焊縫中心區和母材，這是由于熱影響區、尤其是過熱區組織粗大且不均勻，使強度和韌性降低。

5.309MnNiDR鋼焊接工藝規程選用的焊接材料和焊接方法合理，焊接接頭組織與性能良好，可用于指導生產。

[1] NB/T 47014-2011，承壓設備焊接工藝評定[S].北京：國家能源局，2011.

[2] NB/T 47016-2011.承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗[S].北京：國家能源局，2011.

[3] 孫洪濤.鍋爐壓力容器理化檢驗人員培訓教材：金相檢驗[M].北京：機械工業出版社，2001.