13MnNi6-3低溫鎳合金鋼板焊接性能與組織研究

董璽強，王 川，楊海峰，于 浩，郝文強

（日鋼營口中板有限公司，遼寧 營口 115000）

1 前言

隨著我國低溫條件下能源生產及存儲設備制造行業的發展，對耐低溫鋼材的需求不斷增加。目前能源行業-60～-196 ℃溫度條件下使用的材料多為Ni系低溫鋼，Ni元素含量0.5%～9%［1-3］。國內建造大型低溫丙烷儲罐一般采用13MnNi6-3材質，在鋼板成型和焊接過程中產生的應力集中和殘余應力促使裂紋進一步擴展，最終造成脆性斷裂，因此，要求鋼板在-60 ℃溫度下具有良好的強度和低溫韌性，同時還具備穩定的工藝性能和可靠的焊接性［4-6］，以保證低溫儲罐長期服役的安全性。

本文對13MnNi6-3鋼板焊接后的拉伸性能、沖擊韌性，以及模擬焊后性能和組織進行研究，為鋼板的加工應用提供數據參考。

2 試驗方法

試驗選用厚度30 mm的13MnNi6-3鋼板，其力學性能要求如表1 所示，化學成分如表2 所示。焊接試板取向為鋼板橫向對接焊，坡口型式按GB 12337—2014 附錄C 的規定加工成不對稱X 型，如圖1 所示。焊接采用埋弧自動焊，焊材為K Flux 10.62，焊劑為OK Autrod 13.49。焊前預熱溫度100 ℃，焊接電流為450～500 A，焊接電壓為31～35 V，焊接速度為45～50 cm/min，焊接層間溫度控制在150±20 ℃范圍內，焊接線能量控制在22～25 kJ/cm范圍內。

表1 鋼板力學性能

表2 化學成分（質量分數）%

圖1 試樣示意圖

3 結果與分析

3.1 焊接接頭拉伸性能和彎曲性能檢測結果

按NB 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》的要求，對上述焊接工藝焊接的30 mm厚的鋼板焊接接頭進行拉伸和側彎性能試驗。試驗結果見表3。

表3 焊接接頭（焊態）拉伸試驗與彎曲試驗結果

3.2 沖擊性能檢驗結果分析

鋼板具有良好的韌性，可保證工程結構在服役條件下避免突發脆性斷裂，從而保證構件的安全性。13MnNi6-3 鋼是在-60 ℃環境下使用的鎳系低溫鋼，要求鋼板焊接后同樣具有良好的低溫韌性，防止發生低溫脆斷。從試驗的13MnNi6-3焊接接頭取樣，分別在焊縫中心和熱影響區（熔合線+3 mm）位置加工1 組10 mm×10 mm×55 mm 的夏比沖擊試樣，缺口采用V型缺口，測試20～-100 ℃沖擊性能，收集數據繪制KV2-T 曲線，如圖2 所示。可以看出，沖擊溫度下降到-60 ℃后，沖擊吸收能量出現快速下降趨勢，-60 ℃焊縫沖擊吸收能量均值在137 J，熱影響區沖擊吸收能量均值在198 J，鋼板焊接接頭具有較好的低溫沖擊韌性。

圖2 焊接接頭KV2-T曲線

3.3 焊接接頭的韌脆轉變溫度檢驗結果分析

由沖擊吸收功數據整理的KV2—溫度T 曲線，焊接線能量在22～25 kJ/cm時，焊接接頭的強度和韌性均能滿足要求。分別按沖擊吸收功及沖擊試樣的纖維斷面率確定韌脆性轉變溫度并記錄數據，如表4所示。其中VTE為50%上平臺能所對應的溫度，VTS為50%晶狀斷面率所對應的溫度，可以看出，焊縫和熱影響區的VTE和VTS均低于-71 ℃，由此進一步說明該焊接工藝的30 mm 厚13MnNi6-3鋼板焊接接頭具有良好的低溫韌性。

表4 焊接接頭（焊態）的韌脆轉變溫度

3.4 焊接接頭維氏（HV10）硬度試驗

對鋼板采用FALCON 511 型維氏硬度計進行了不同位置的硬度分析，硬度試驗位置見圖3。其中A 為大坡口近表層，B 為1/2 厚度，C 為小坡口近表層。為了提高準確程度，每一位置進行3個硬度測試，取其平均值，具體硬度變化趨勢如圖4所示。

圖3 硬度檢測位置示意圖

圖4 焊接接頭硬度趨勢

為了提高精確程度，圖3中每個標記位置進行3次硬度檢測，取其平均值，從所得數據觀察到硬度峰值主要集中在5 區、6 區、10 區和11 區且呈對稱形態分布于焊縫周圍，最大值為241 HV；而硬度低值主要集中在1、2、3 區及13、14、15 區呈對稱形態分布于母材區域，最小值為153 HV，硬度值均可滿足工程需求。其硬度趨勢變化整體呈現對稱性，這與取點位置對稱分布結果完全符合。

4 焊接接頭應力消除熱處理試驗

試驗選用30 mm 厚的鋼板，焊接預熱溫度為100 ℃，焊接線能量為22～25 kJ/cm，焊后立即進行250 ℃×0.5 h的消氫處理，然后進行溫度為580 ℃的應力消除熱處理，恒溫保溫時間為2 h，400 ℃以上升、降溫速度均控制在50 ℃/h。按NB 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》的要求，對焊后熱處理的焊接接頭進行拉伸、冷彎和沖擊試驗。其強度有略微的下降，但總體而言沒有明顯變化。

圖5為沖擊吸收功數據整理的KV2—溫度T曲線，曲線趨勢與未進行SR處理的鋼板一樣，-60 ℃焊縫沖擊吸收能量均值在130 J，熱影響區沖擊吸收能量在186 J，并得出焊接接頭的韌性特征值。

圖5 焊接接頭（SR態）KV2-T曲線

5 焊接接頭微觀組織

對采用線能量為22～25 kJ/cm 施焊的焊態和焊后SR 狀態（580 ℃×2 h 熱處理）焊接試板的1/4板厚處，分別進行了焊接接頭不同部位的微觀組織檢驗，如圖6a～d 所示，其中焊縫區域組織為鐵素體+珠光體組織，白色區域為鐵素體，分為塊狀鐵素體和少量針狀鐵素體；黑色區域為珠光體。塊狀鐵素體組織粗大，晶界比較清晰；針狀鐵素體不規則，晶界模糊，無完整連續晶界，粒度大小不一。熱影響區位置組織為多邊形鐵素體和珠光體組成，主要以鐵素體為主，且從圖6中可以看出組織相對細小均勻，這也為良好的低溫韌性性能提供了良好的組織基礎。經過580 ℃的SR 處理后，焊接接頭焊縫與熱影響區的微觀組織并無明顯變化。

圖6 焊接接頭微觀組織

6 結論

6.1 30 mm 厚度13MnNi6-3 鋼板，采用埋弧焊焊接工藝，線能量控制在22～25 kJ/cm 時，焊接接頭的綜合性能優異，抗拉強度實測值536 MPa 以上，焊縫和熱影響區位置-60 ℃低溫沖擊功均值分別為137 J 和198 J，熱影響區維氏硬度值最大值為241 HV，滿足工程應用要求。

6.2 對焊接接頭按溫度580 ℃、保溫時間2 h進行SR 處理后，性能結果良好，抗拉強度仍然保持在530 MPa 以上，焊縫及熱影響區位置-60 ℃低溫沖擊功均值分別為130 J和186 J，與未SR處理性能差異不大，說明鋼板性能穩定。

6.3 焊縫區金相組織為鐵素體+珠光體，鐵素體的形態有塊狀和針狀兩種；熱影響區位置金相組織為多邊形鐵素體和珠光體組成，組織相對均勻細小，經過580 ℃的SR 處理后，焊接接頭焊縫與熱影響區的微觀組織并無明顯變化。