尚才眾，董宏斌，賈云剛，鄭麗華，吳建國，楊森民，郭 建

（河北海乾威鋼管有限公司，河北 滄州 061300）

09MnNiDR低溫鋼管以其原料價(jià)格低廉、焊接性能好、低溫性能優(yōu)異等特點(diǎn)，已在西氣東輸工程中應(yīng)用。河北海乾威鋼管有限公司（簡稱河北海乾威）承接的新疆伊犁年產(chǎn)20億m3煤制天然氣輸送工程用低溫鋼管已經(jīng)交付使用，規(guī)格包括Φ508 mm×10 mm×12 000 mm，Φ813 mm×20 mm×12 000 mm等。技術(shù)條件約定：鋼管母材按GB 3531—2008標(biāo)準(zhǔn)［1］進(jìn)行訂貨和復(fù)檢，焊接完成后需做-70℃低溫沖擊試驗(yàn)（AkV≥34 J），成型方式為JCO冷彎，焊接方式為直縫雙面埋弧焊。本文主要介紹09MnNiDR低溫鋼管的焊接工藝研究及生產(chǎn)情況。

1 焊接工藝評定試驗(yàn)

焊接工藝評定試驗(yàn)參照ASME B 31.3—2004標(biāo)準(zhǔn)［2］第Ⅸ卷規(guī)定進(jìn)行評定；焊接方法采用焊條電弧焊和自動(dòng)埋弧焊，對接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性進(jìn)行評定試驗(yàn)。

1.1 母材試驗(yàn)

壓力容器用09MnNiDR鋼板由山東濟(jì)南鋼鐵股份有限公司提供，訂貨技術(shù)條件為GB 3531—2008標(biāo)準(zhǔn)，交貨狀態(tài)為正火+回火，組織為鐵素體+少量珠光體。分兩批取樣，檢驗(yàn)原料鋼板（母材）的化學(xué)成分和力學(xué)性能，其結(jié)果分別見表1和表2。

表2 09MnNiDR鋼板（母材）的力學(xué)性能

1.2 焊材遴選

國產(chǎn)低溫焊材近年得到迅速發(fā)展和提高，只要工藝措施得當(dāng)，選用優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)低溫焊材就完全可以滿足技術(shù)要求。四川某焊接材料股份有限公司生產(chǎn)的CHW-S13焊絲是09MnNiDR等低溫鋼用鍍銅埋弧焊絲，配以超低氫氟堿性燒結(jié)焊劑CHF105DR焊接工藝性能良好，焊縫金屬在-70℃下具有穩(wěn)定的抗低溫沖擊性能。

1.3 焊材試驗(yàn)

手工焊焊條采用國產(chǎn)CHL707R，規(guī)格為Φ3.2 mm×400 mm，型號E5015-G；焊絲為CHW-S13，規(guī)格為Φ4.0 mm、Φ3.2 mm，技術(shù)條件AWS A 5.23/A 5.23M—2011《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑標(biāo)準(zhǔn)》；焊劑為CHF105DR，粒度為10～60目，技術(shù)條件DGS K 901.51—2006。選用焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3。

表3 選用焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能

1.4 焊接試驗(yàn)工藝評定記錄

通過焊接工藝試驗(yàn)評定，檢驗(yàn)按擬訂的焊接工藝文件焊接的接頭性能是否符合設(shè)計(jì)要求，并為正式制定焊接工藝指導(dǎo)書或焊接工藝卡提供實(shí)踐和理論支持。10 mm厚09MnNiDR鋼板自動(dòng)焊和手工焊焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)及評定結(jié)果見表4～8。

1.5 焊接金相分析

10 mm和20 mm厚09MnNiDR鋼板焊接后的金相分析結(jié)果如圖1~2所示。

從圖1看出：10 mm厚09MnNiDR鋼板焊接后的母材（圖1a）中，鐵素體+珠光體沿軋制方向呈輕微帶狀分布，正火態(tài)晶粒均勻，粒度為7.0級，珠

光體體積分?jǐn)?shù)為6.0%～7.0%；焊縫中心區(qū)（圖1b）的顯微組織為片狀鐵素體+珠光體+針狀鐵素體+少量柱狀鐵素體，針狀鐵素體使鋼材的韌性大為增加；熱影響區(qū)（圖1c）的左下角為結(jié)晶區(qū)近等軸狀晶粒，鐵素體+珠光體，細(xì)小均勻，上面的過熱區(qū)和焊縫的顯微組織為鐵素體+珠光體+少量粒狀貝氏體，先共析鐵素體沿柱狀晶界析出，部分鐵素體向晶內(nèi)呈針狀析出。

表4 10 mm厚09MnNiDR鋼板自動(dòng)焊和手工焊焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)

表5 10 mm厚09MnNiDR鋼板自動(dòng)焊和手工焊焊接試驗(yàn)工藝評定結(jié)果——拉伸試驗(yàn)

表6 10 mm厚09MnNiDR鋼板自動(dòng)焊和手工焊焊接試驗(yàn)工藝評定結(jié)果——彎曲試驗(yàn)

表7 10 mm厚09MnNiDR鋼板自動(dòng)焊和手工焊焊接試驗(yàn)工藝評定結(jié)果——韌性試驗(yàn)

表8 10 mm厚09MnNiDR鋼板自動(dòng)焊和手工焊焊接試驗(yàn)工藝評定記錄——硬度測試HRB

從圖2看出：20 mm厚09MnNiDR鋼板焊接后，母材（圖2a）的組織為鐵素體+珠光體，晶粒均勻，粒度7.0級，珠光體體積分?jǐn)?shù)5.5%～6.5%；焊縫中心區(qū)（圖2b）組織為片狀鐵素體+珠光體+針狀鐵素體，晶粒均勻細(xì)小，片狀鐵素體變薄、針狀鐵素體增多；熱影響區(qū)（圖2c）的右半部分為粗晶區(qū)，組織為片狀鐵素體+少量粒狀貝氏體+珠光體，晶粒較粗大，塑性和韌性下降，結(jié)晶區(qū)組織為鐵素體+珠光體，晶粒均勻細(xì)小，性能良好。

圖1 10 mm厚09MnNiDR鋼板焊接后的金相組織

圖2 20 mm厚09MnNiDR鋼板焊接后的金相組織

1.6 焊接設(shè)備

JCO生產(chǎn)線焊接設(shè)備配置有氣體保護(hù)預(yù)焊合縫機(jī)、多絲自動(dòng)埋弧內(nèi)焊機(jī)、多絲自動(dòng)埋弧外焊機(jī)。多絲埋弧焊每根焊絲由單獨(dú)的送絲機(jī)送進(jìn)，并配備獨(dú)立的焊接電源供電。焊接電源采用直流和交流聯(lián)用，前置焊絲接直流電源、后置焊絲以及中間焊絲接交流電源。直流電源能更好地控制焊道形貌且起弧穩(wěn)定，主要作用是熔深；后置焊絲采用交流電源，交變的磁場能防止磁偏吹，同時(shí)防止焊縫出現(xiàn)氣孔和熱裂紋［3］。中間焊絲對熔池有攪拌作用，可以破壞金屬熔池及熔滴表面張力，提高熔敷效率、改善熔敷性能；后置焊絲造面成型。

采用在氣體保護(hù)底層焊基礎(chǔ)上的雙面三絲自動(dòng)埋弧焊焊接，滿足JCO高強(qiáng)度大壁厚鋼管生產(chǎn)的需求，同時(shí)焊縫成形飽滿，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，是多層多道焊接的另一種表現(xiàn)形式，比較符合09MnNiDR低溫鋼控制焊接線能量的焊接規(guī)范和焊接措施［4］。預(yù)焊、內(nèi)焊和外焊相當(dāng)于多層完成接頭的焊接、形成焊接焊縫，并且流水線上下工序之間可以控制道次間溫度。

采用直流反接方法進(jìn)行埋弧焊接，即焊件接電源負(fù)極、電極接電源正極；相同能量參數(shù)下直流反接，可使母材獲得更大的熔深，焊接電流降低、熱輸入減少。雙面三絲自動(dòng)埋弧焊焊接中焊絲與電源的連接方式如圖3所示，焊接坡口如圖4所示。

圖3 雙面三絲自動(dòng)埋弧焊焊接中焊絲與電源的連接方式示意

圖4 焊接坡口示意

2 焊接工藝實(shí)踐

2.1 焊材的匹配和應(yīng)用

根據(jù)對近年來國內(nèi)焊接09MnNiDR低溫容器的經(jīng)驗(yàn)分析，放棄使用H10Mn2焊絲搭配SJ101、SJ102、YD507A等焊劑的工藝嘗試，而是直接采用當(dāng)今在低溫焊接方面流行的CHW-S13鍍銅埋弧焊絲和超低氫氟堿性燒結(jié)焊劑CHF105DR作為自動(dòng)埋弧焊焊材。

從表3中看出：CHW-S13焊絲和CHF105DR焊劑中含有Ni、C、S、P。Ni作為該焊材的主要合金元素，Ni與Mn的作用相似，是固溶強(qiáng)化的元素之一，既可提升強(qiáng)度又能夠顯著改善鐵素體的低溫韌性。Ni元素作用的發(fā)揮需要C、S、P含量的配合。在高溫的焊接熔池中，Ni對S、P的親和力較大，可以形成熔點(diǎn)為645℃的Ni-Ni3S2、880℃的Ni-Ni3P2等低熔共晶體，并分布于晶界、形成結(jié)晶裂紋［5］；因此，焊材Ni含量較高時(shí)，C、S、P含量應(yīng)該降下來且低于母材，為保障Ni有利作用的發(fā)揮創(chuàng)造條件。

Ni對各種氣體具有較高的溶解度，焊縫金屬中殘余的［H］、［O］對缺口沖擊韌性影響極大；焊材應(yīng)該預(yù)熱或烘干，焊劑在300/350℃連續(xù)烘干3 h，保證焊劑中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.03%以下；剩余焊劑應(yīng)該保存在100～150℃的密閉熱容器里。

2.2 09MnNiDR母材的焊接性能

09MnNiDR是以鐵素體為基礎(chǔ)的低溫鋼，C、S、P含量很低，鋼質(zhì)純凈；09MnNiDR碳當(dāng)量最大值為0.427%，塑性良好，焊接性能佳；其屈強(qiáng)比不高，淬硬傾向不大。09MnNiDR加入以Ni、Mn（實(shí)測值為1.4%）為主的多種合金元素，使材料具備高強(qiáng)度和良好的低溫韌性；由于09MnNiDR中加入多種合金元素，在高熱輸入的埋弧焊縫中，熔池面積大，柱狀晶體發(fā)達(dá)，晶間偏析顯現(xiàn)［6］，焊縫金屬凝固過程中可能出現(xiàn)熱裂紋。

09MnNiDR焊縫的強(qiáng)度高于母材，［H］向熱影響區(qū)的擴(kuò)散和集聚可能在焊縫金屬中形成冷裂紋［7］；低溫低合金鋼經(jīng)焊接熱循環(huán)作用后，熱影響區(qū)硬度會(huì)有明顯提高，超過一定數(shù)值也會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。

20 mm鋼板采用雙層埋弧外焊接，雙層焊接時(shí)通過減小焊層厚度，縮小柱狀晶成長的空間，獲得的鐵素體晶粒尺寸，或者馬氏體、貝氏體板條數(shù)的尺寸要比單層焊的?。?］，對焊接接頭的韌性有利。雙層焊接還具備現(xiàn)場熱處理的作用，前焊層是后焊層的預(yù)熱層，后焊層是前焊層的退火、保溫層。

2.3 10 mm鋼板的焊接工藝措施

10 mm厚09MnNiDR鋼板的低溫性能較同類產(chǎn)品是最不理想的；從焊接工藝角度上講，低溫薄板材料的焊接工藝亦不如中厚板成熟。所以，壁厚10 mm低溫鋼管的焊接工藝成為重點(diǎn)研究課題。

2.3.1 坡口設(shè)計(jì)

（1）焊接接頭的性能要求。09MnNiDR低溫鋼管要求焊接接頭具備較高的低溫韌性，只有采用多層焊接減小焊接線能量、避免過熱以及防止晶粒長大［4］，才能夠?qū)崿F(xiàn)；因此設(shè)計(jì)出宜于低熱輸入、便于進(jìn)行多層焊接的焊接坡口就顯得十分重要。實(shí)際應(yīng)用中盡量選取較大的外焊坡口角度和深度，一是為氣體保護(hù)底層焊留出空間；二是為埋弧外焊創(chuàng)造更大的外焊道坡口容積，增加焊層數(shù)量，保持合理焊接速度，使焊縫金屬晶粒細(xì)化，得到更多的針狀鐵素體。采用帶鈍邊雙V型坡口，可以防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生；加大坡口角度、減小鈍邊，可以防止熱裂紋的產(chǎn)生。10 mm鋼板的鈍邊高度設(shè)計(jì)為4 mm，安全適中；內(nèi)坡口角度為85°，深度為1 mm；外坡口角度為90°，深度為5 mm。

（2）接頭形式和壁厚的要求。接頭形式和壁厚亦是坡口設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。鋼管焊接的重點(diǎn)在厚度上，首先確定鈍邊高度，薄板在保證不被燒穿的前提下鈍邊盡量小一些；中厚板只要焊接熔深足夠，鈍邊可留大一些，但對于09MnNiDR低溫鋼，需要控制熱輸入，故鈍邊不宜留的太大。

（3）坡口設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮生產(chǎn)線自身坡口的制備方法及焊接方法的工藝要求。對稱性V型坡口，適應(yīng)JCO焊接設(shè)備的工藝要求；10 mm鋼板內(nèi)坡口的主要作用是為內(nèi)焊設(shè)備跟蹤導(dǎo)向之用。

2.3.2 熔化極氣體保護(hù)打底焊

Ar+CO2氣體保護(hù)焊適合09MnNiDR低溫鋼的底層焊。09MnNiDR低溫鋼里的合金元素對熱循環(huán)比較敏感，所要求的熔滴過渡形式?jīng)Q定了焊接電流和電弧電壓的數(shù)值；薄板焊接時(shí)熱輸入直接決定底層焊焊道的性能，故底層焊應(yīng)該以熱輸入優(yōu)先為控制原則。焊接熱輸入Q按以下公式［9］計(jì)算：

式中U——電弧電壓，V；

I——焊接電流，A；

v——焊接速度，cm/s；

η——電弧的功率因數(shù)。

線能量的選擇條件是：焊絲直徑3.2 mm，焊接電流550±50 A，電弧電壓24～28 V，焊接速度3.0±0.3 cm/s。按式（1）計(jì)算得出：Q=4.77（kJ/cm）。

焊機(jī)選擇：型號Lincoln Idealarc DC-1000，保護(hù)氣體為10%CO2+90%Ar混合氣，焊絲伸出長度（25±2）mm，焊絲傾角為 0～5°。

實(shí)踐證明：在氬氣中加入體積分?jǐn)?shù)約為10%的CO2最為合理，此時(shí)焊縫金屬的韌性最佳。氧化性氣體的加入既可能造成焊接熔池增碳，也有可能造成增氧，足以影響焊接。

2.3.3 埋弧內(nèi)焊和埋弧外焊

低溫鋼焊接接頭的力學(xué)性能不僅取決于焊縫金屬的化學(xué)成分，焊接過程中的熱循環(huán)也是非常重要的因素。高的熱輸入量降低了焊接熱影響區(qū)的冷卻速度，焊縫金屬容易形成一些低熔點(diǎn)共晶組織，出現(xiàn)熱裂紋；焊縫、熱影響區(qū)出現(xiàn)晶粒粗大的馬氏體或鐵素體組織，降低了接頭的韌性和強(qiáng)度；熱輸入過小、焊接熔池冷卻速度太快，容易形成淬硬組織，造成韌性下降，形成氫致延遲裂紋。焊接電流和電弧電壓不宜過大，兩者直接影響焊接線能量和焊接接頭形狀系數(shù)和熔合比指標(biāo)；熱輸入優(yōu)先的控制原則同樣適用于埋弧焊接。

文獻(xiàn)［5］指出：工作溫度為-105～-40℃的低溫鋼埋弧焊焊接，應(yīng)將熱輸入控制在25 kJ/cm以下。三絲埋弧焊的熔敷效率很高，10 mm鋼板只能一次性完成內(nèi)外焊，調(diào)整焊接電流、焊接速度以盡量小的熱輸入焊接。正常情況下，內(nèi)焊焊接線能量不超過20 kJ/cm，外焊焊接線能量不超過25 kJ/cm，焊接速度保持在（150±15）cm/min。不能以提升焊接速度的方式來降低焊接熱輸入，因?yàn)楹附铀俣忍鞎?huì)導(dǎo)致熔池邊緣溫度梯度增大，組分過冷度小，焊縫金屬則趨向胞狀晶或胞狀枝晶長大，造成晶粒粗大甚至裂紋。

2.3.4 鋼管整體熱處理

09MnNiDR低溫鋼管在成型和接頭焊接過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，其中以焊接熱循環(huán)的加熱、熔化、凝固導(dǎo)致組織脆化，進(jìn)而產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力為主［10］。GB 150.4—2011《壓力容器》第8.2條款中要求進(jìn)行焊后熱處理（PWHT）［11］。PWHT 主要是松弛應(yīng)力、減小脆性斷裂傾向及冷作硬化等問題，促使金屬焊縫中的氫向外擴(kuò)散。PWHT可以消除80%以上的原始?xì)堄鄳?yīng)力。09MnNiDR低溫鋼管的熱處理溫度控制曲線如圖5所示。

圖5 09MnNiDR低溫鋼管的熱處理溫度控制曲線

（1）退火設(shè)備為臺(tái)車式天然氣加熱爐，規(guī)格16.0 m×5.3 m×4.5 m；裝爐方式為平行排列、雙層疊放，以確保工件均勻加熱、爐氣正常流通。

（2）裝爐溫度小于300℃、始于300℃控溫，升溫速度以50～150℃/h為宜。

（3）保溫溫度590～620℃，保溫時(shí)間60 min。09MnNiDR低溫鋼在600℃左右的屈服極限已經(jīng)達(dá)到最低值，此時(shí)焊接應(yīng)力高于被加熱金屬的屈服強(qiáng)度；應(yīng)力集中的部位就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，隨著保溫時(shí)間的持續(xù)殘余應(yīng)力得以逐漸釋放。

（4）降溫速度50～100℃/h，冷卻方式為爐冷，出爐溫度≤300℃。

GB 150—2011規(guī)定，設(shè)計(jì)溫度低于-45℃的09MnNiDR低溫容器，任意厚度皆需要PWHT［11］。工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：10 mm厚09MnNiDR鋼板試件數(shù)組PWHT比對，結(jié)果兩者的沖擊功數(shù)據(jù)并沒有明顯區(qū)別，只是經(jīng)過PWHT的一組波谷落差似乎小一些。

2.4 20 mm鋼板的焊接工藝措施

20 mm厚09MnMiDR鋼板焊接工藝主要介紹坡口設(shè)計(jì)和焊接工藝參數(shù)。20 mm鋼板采用雙層外焊焊接，設(shè)計(jì)了對稱性雙V型坡口，并給外焊道預(yù)留了足夠的空間。

2.4.1 坡口設(shè)計(jì)

鈍邊為5.5 mm，內(nèi)坡口深度為5 mm，內(nèi)坡口角度為80°；外坡口深度為9.5 mm，外坡口角度為70°。設(shè)計(jì)的外焊坡口深度和角度為雙層外焊創(chuàng)造了條件。

2.4.2 焊接工藝參數(shù)

直流反接、多層焊接其目的是減小熱輸入，細(xì)化晶粒，得到針狀鐵素體，提高焊縫低溫韌性。

20 mm厚09MnNiDR鋼板雙層外焊的工藝參數(shù)見表9。根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算得出平均熱輸入量為23.49 kJ/cm。

表9 20 mm厚09MnNiDR鋼板雙層外焊工藝參數(shù)

3 結(jié) 論

（1）09MnNiDR低溫鋼管焊接的質(zhì)量取決于焊材和能量參數(shù)的選擇。焊接能量參數(shù)的確定應(yīng)該遵守“熱輸入優(yōu)先的控制原則”。在一定條件下，低溫鋼焊接熱輸入量每提高1.0 kJ/cm，焊縫金屬的沖擊功轉(zhuǎn)變溫度將向上位移50℃以上［7］。

（2）直流反接、多層多道焊接的實(shí)質(zhì)是通過降低熱輸入來細(xì)化晶粒，提高低溫韌性。

（3）多絲埋弧焊焊接線能量應(yīng)小于25 kJ/cm，混合氣體預(yù)焊焊接線能量應(yīng)小于10 kJ/cm。

（4）JCO焊接工藝流程有利于09MnNiDR低溫鋼管的生產(chǎn)，氣體保護(hù)預(yù)焊+雙面多絲埋弧焊起到了多層多道焊接的效果，細(xì)化晶粒，得到針狀鐵素體，應(yīng)視為多層多道焊接的另一種表現(xiàn)形式。

（5）通過焊接金相顯微組織分析，可以有針對性地采取相應(yīng)的焊接措施，提高接頭質(zhì)量。

（6）應(yīng)定制四切板，不能用火焰切割代替銑邊設(shè)備加工鋼板焊接坡口。

（7）在5℃以下、雨天或潮濕天氣不能施焊；在北方冬季無供暖設(shè)施的車間，應(yīng)將09MnNiDR低溫鋼管預(yù)熱到100℃后再施焊。

（8）在氣體保護(hù)底層焊接時(shí)，在氬氣中加入體積分?jǐn)?shù)約為10%的CO2最為合理，焊縫金屬的韌性最佳。

（9）整體熱處理對提高09MnNiDR低溫鋼管焊接接頭的性能有益，保溫溫度590～620℃，保溫時(shí)間60 min。

［1］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 3531—2008低溫壓力容器用低合金鋼鋼板［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

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