20MnMoNb 鍛板與0Cr18Ni11Ti的焊接工藝研究

康建強，邵光娟，劉寶劍，顧偉偉

（1.南京三方化工設備監理有限公司，江蘇南京 210036；2.青島蘭石重型機械設備有限公司，山東青島 266000；3.上海華誼裝備工程有限公司，上海 201400）

0 引言

低合金鍛件20MnMoNb 主要應用于石油、化工、電站鍋爐等行業，在鍋爐汽包制造中應用最為廣泛。20MnMoNb 焊接性較差，焊接過程中非常容易產生缺陷[1-2]。奧氏體不銹鋼在石油、化工、海洋開發、國防工業和一些尖端科學技術中都有廣泛應用，其中，0Cr18Ni11Ti 為航空器、鍋爐汽包等方面應用最廣的奧氏體不銹鋼[3]。

某高壓汽包設備存在20MnMoNb 與0Cr18Ni11Ti 的異種鋼焊接結構，為保證焊接質量，對這種兩種鋼焊條電弧焊的焊接工藝性進行研究，并按照NB/T 47014—2011《承壓設備用焊接工藝評定》要求完成焊接工藝評定。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗的低合金材料為鍛板20MnMoNb，試件規格為150 mm×800 mm×40 mm，其化學成分及力學性能見表1、表2。

表1 20MnMoNb 化學成分 %

表2 20MnMoNb 力學性能要求

試驗的奧氏體不銹鋼材料為鋼板0Cr18Ni11Ti，試件規格為150 mm×800 mm×40 mm，其化學成分及力學性能見表3、表4。

1.2 制定焊接工藝方案

按NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規程》采用焊條E309-16（規格Φ4.0 mm）進行焊接（表5）。采用等離子氣刨清根，清除未焊透等焊接缺陷，使用打磨機磨掉刨槽內外的熔渣及氧化層，試驗采用的坡口形式為V 形（圖1）。

表3 0Cr18Ni11Ti 化學成分

表4 0Cr18Ni11Ti 力學性能要求

表5 試件焊接工藝參數

1.3 無損檢測

按 照 NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》第2、5 部分，分別對焊接試件進行射線檢測和滲透檢測并合格。

圖1 焊接坡口

1.4 焊后熱處理

按NB/T 47015—2011 及設備技術要求對焊接試件進行焊后熱處理，熱處理溫度及保溫時間（610±10）℃×2.5 h，裝爐溫度≤400 ℃，升、降溫速度≤60 ℃/h，試件隨爐冷至400 ℃以下出爐空冷。

2 實驗結果與分析

2.1 焊接試件拉伸試驗

垂直于焊縫方向按GB/T 228—2010《金屬材料拉伸試驗方法》截取焊接接頭常溫拉伸矩形試樣2 件和焊接接頭350 ℃高溫拉伸圓形試樣1 件，試樣結果見表6。對比表4、表6 數據：焊接接頭常溫抗拉強度滿足0Cr18Ni11Ti 常溫抗拉強度要求值；焊接接頭350 ℃高溫屈服強度滿足0Cr18Ni11Ti 高溫屈服強度要求值[4]，因此該焊接接頭350 ℃高溫拉伸滿足標準要求。

表6 力學性能試驗數據

2.2 焊接試件沖擊試驗

按GB/T 229—2007《金屬材料夏比沖擊擺錘試驗方法》在20MnMoNb 側母材及其熱影響區（HAZ）區截取10 mm×10 mm×55 mm 的標準沖擊試樣進行0 ℃沖擊實驗，試驗結果見表6。20MnMoNbIII 側母材及其HAZ 的0 ℃沖擊結果均滿足≥47 J的標準要求，HAZ 沖擊值明顯低于母材側。

2.3 焊接試件硬度試驗

按GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗》對焊接接頭進行硬度檢測（圖2～圖3）。

由圖2、圖3 可知，20MnMoNb 側HAZ 區硬度值明顯高于其他區域，這是由于20MnMoNb 與0Cr18Ni11Ti 焊接采用奧氏體不銹鋼焊條E309-16，焊接過程因碳遷移引起碳元素從20MnMoNb母材區向焊縫區聚集[5]，導致20MnMoNb 側HAZ 硬度升高，韌性降低。這與表6 中沖擊試驗的結果相互印證。

2.4 焊接試件彎曲試驗

圖2 硬度檢測位置

圖3 硬度檢測結果

垂直于焊縫方向按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》截取側彎試樣4 件進行常溫108°彎曲實驗。4 件均合格。

2.5 焊接試件宏觀金相試驗

按GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》對焊接試件沿橫向切取的1 個試樣，經王水溶液冷酸腐蝕后，在20 倍放大鏡下觀察，橫向受檢面未出現裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合和未焊透等焊接缺欠（圖4）。

2.6 焊接試件金相組織試驗

按GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》對焊接接頭進行微觀金相分析，顯微組織如圖5 所示。其中，20MnMoNb母材及其HAZ 區組織均為索氏體，焊縫區、0Cr18Ni11Ti 母材及其HAZ 區組織均為奧氏體和少量鐵素體，3 個區域奧氏體形態差別較大，焊縫區奧氏體為樹枝晶結構顆，0Cr18Ni11Ti 側HAZ區奧氏體組織形態不一致，0Cr18Ni11Ti 側母材區奧氏體組織均勻，形態正常。

3 結論

圖4 宏觀金相

圖5 熱影響區金相組織

（1）依據NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》等標準，采用焊條電弧在選定的焊接參數下施焊，20MnMoNb 與0Cr18Ni11Ti 異種鋼焊接接頭無損檢測及理化檢測結果滿足標準要求。

（2）通過焊接工藝研究，20MnMoNb 與0Cr18Ni11Ti 異種鋼焊接接頭的20MnMoNb 側HAZ 區為力學性能較差區域，焊接時嚴格按照擬定的焊接工藝進行焊接，控制道間溫度，降低碳遷移對焊接接頭的影響。