低溫儲罐用13MnNi6-3鋼板焊接性能研究*

李治陽

(無錫城市職業技術學院，江蘇 無錫 214151)

低溫儲罐用13MnNi6-3鋼板系EN10028-4標準的低溫壓力容器用鋼板，與GB/T 3531-2014中09MnNiDR鋼板相比較，13MnNi6-3鋼板最低使用溫度-60 ℃，高于09MnNiDR鋼板的-70 ℃，但其強度指標明顯高于09MnNiDR鋼板，20 mm厚度規格的16MnNi6-3鋼板屈服強度下限為355 MPa，而09MnNiDR鋼板屈服強度下限為280 MPa。因此，利用13MnNi6-3鋼板建造的-60 ℃低溫儲罐將有效的減少管壁厚度，從而減少材料使用量[1-3]。

儲罐的整體質量取決于焊縫的質量[4-6]，13MnNi6-3鋼板的焊接性能是決定其應用的關鍵因素，本文比較了不同焊接線能量下手工焊焊接方式對焊接試板性能的影響，以盼為工程現場提供參考依據。

1 焊接材料

選用板厚20 mm規格的13MnNi6-3鋼板，鋼板母材熔煉成分范圍、力學性能及工藝性能如表1、表2所示；選用哈爾濱威爾W707DR焊條進行了一系列SMAW的試驗，該焊條符合標準NB/T 47108，AWS A5.5 E8016-C1，GB/T 5117 E5516-N5等標準焊條典型化學成分及力學性能如表3、表4所示。

表1 鋼板化學熔煉成分范圍Table 1 Chemicalheatcompositionof steel plate (wt%)

表2 母材力學性能及工藝性能Table 2 Mechanical properties and process properties of base metal

表3 焊條化學成分Table 3 Chemical composition of electrode (wt%)

表4 焊條力學性能Table 4 Mechanical properties of electrode

母材開V型坡口，開坡口的主要目的是為了獲得合理的熔透深度和焊縫形狀，合適的坡口能有效減小焊接變形和焊接殘余應力。在滿足焊接工藝性能的前提下，盡量使坡口左右處于對稱狀態，并減小坡口角度。這樣填充金屬量減小且焊接應力對稱抵消，有效減小了焊接殘余應力，防止因應力所致的焊接裂紋。本項目的試板均采用V型坡口，如圖1所示。焊后通過射線探傷，未見明顯缺陷。

圖1 焊接接頭實物圖Fig.1 Welded joint

2 斜Y坡口焊接裂紋試驗

焊前預熱的主要目的是減小接頭焊后的冷卻速度、避免產生淬硬組織和減小焊接應力與變形，是防止焊接裂紋產生的有效辦法。本研究焊接前利用斜Y坡口焊接裂紋試驗研究預熱溫度對鋼板焊接裂紋的影響規律，預熱溫度分別為室溫，50 ℃，75 ℃，100 ℃。接入如表5所示。室溫下斷面及根部的裂紋發生率低于5%；預熱50 ℃斷面及根部的裂紋發生率為0。結合鋼板良好的低溫韌性、斜Y坡口焊接裂紋試驗結果，同時考慮到大罐在制造過程中不便于預熱，因此本研究焊接接頭無進行焊前預熱。

表5 斜Y坡口焊接裂紋試驗結果Table 5 Welding crack test results of inclined Y groove

3 焊接熱影響區最高硬度試驗

按照GB/T 4675.5《焊接熱影響區最高硬度試驗方法》進行試驗，采用維氏硬度，結果如圖2所示。圖2中0點表示焊縫中心處，間隔1 mm做HV10硬度，從圖中可以看出，在熔合線處出現了硬度極大值，達到200HV10左右，母材及焊縫的硬度則相對較低。

圖2 焊接熱影響區最高硬度試驗Fig.2 Maximum hardness test of welding heat affected zone

4 不同輸入能量對焊接接頭性能的影響

表6 焊接線能量試驗焊接參數Table 6 Welding parameters of welding line energy test

表7 鋼板焊接接頭拉伸性能Table 7 Tensile properties of welded joints of steel plates

續表7

選用不同的焊接線能量焊接試板，線能量焊接參數線能量如表6所示。鋼板焊接接頭拉伸試驗，每組做2個拉伸試驗，結果如表7所示；對焊縫區和熱影響區分別做了低溫沖擊試驗，結果如表8所示；20 kJ/cm線能量焊接鋼板焊縫區、熔合線及熱影響區系列溫度沖擊試驗如圖3所示，橫向試樣。

表8 SMAW焊接接頭不同焊接工藝沖擊試驗結果Table 8 Impact test results of SMAW welded joint with different welding processes

圖3 SMAW焊接接頭焊態系列溫度沖擊試驗結果Fig.3 Welding state series temperature impact test results of SMAW welded joint

從表7可以看出，隨著輸入能量的增加，焊接接頭的抗拉強度略有增加，但低于交貨態母材及焊材抗拉強度；斷裂位置發生在熱影響區。隨著焊接熱輸入的增加，焊接速率響應的提升，導致焊接焊縫溫度較高，冷卻速率較快，類似于淬火效應，導致焊縫的抗拉強度增加；與之對應的，鋼板母材熱影響區反復受到熱循環的影響，相當于對母材的回火熱處理，導致熱影響區母材強度降低；結合圖2分析，在焊接接頭區域，熱影響區的硬度低于焊縫硬度，因此，表現為焊接接頭母材熱影響區斷裂，且焊接接頭斷裂的抗拉強度低于交貨態母材及焊材的抗拉強度。

由表8可知，隨著焊接輸入能量的增加，焊接接頭整體沖擊吸收能量呈下降趨勢，熔合線處的沖擊吸收能量低于母材及焊縫的沖擊吸收能量。從焊接材料的化學成分分析，焊材中Ni含量較高，即使是鑄態的焊縫依然能保證較高的沖擊韌性；熔合線區域，焊材中的Ni元素被母材稀釋，另外受到熱循環的影響，熔合線接近于淬火態，沖擊韌性明顯降低。

圖3表明，焊縫及FL+2 mm處的沖擊吸收能量高于熔合線處沖擊吸收能量，但以47 J作為衡量標準，焊縫，熔合線，熔合線+2 mm的脆性轉變溫度均低于-70 ℃，滿足產品設計要求。

5 焊接接頭金相組織

圖4與圖5為焊接接頭金相照片，均為500×，焊縫金相表現為鑄態組織，FL+2 mm處母材為鐵素體+珠光體，整體上晶粒較細化。

圖4 焊縫金相組織(500×)Fig.4 Metallographic structure of weld (500×)

圖5 FL+2 mm金相組織(500×)Fig.5 Metallographic structure of FL+2 mm (500×)

6 結 論

以20 mm厚度規格13MnNi6-3鋼板焊接接頭為研究對象，研究結果：(1)斜Y坡口焊接裂紋試驗研究表明鋼板焊接后裂紋發生傾向較低，鋼板焊接無需預熱；(2)焊接接頭熔合線處出現了硬度極大值；(3)結合硬度分析、拉伸性能及低溫韌性，熔合線類似于淬火區，硬度較高而韌性較低，FL+2 mm處則表現為硬度與強度較低，但韌性優良；(4)焊縫金相表現為鑄態組織，FL+2 mm處母材為鐵素體+珠光體。