3.5%Ni钢国产焊接材料焊接工艺评定试验综述_才红广.pdf

-21-技术交流中国化工装备3.5%Ni钢国产焊接材料焊接工艺评定试验综述才红广 李玉虎（大连金州重型机器集团有限公司，大连 116100）摘 要：采用国产焊接材料制造的脱甲烷塔等产品，为了满足焊接接头各项机械性能能否达到技术条件的要求，特别是低温冲击韧性的要求，制定出合理的焊接工艺。本文首先对3.5Ni钢焊接性进行分析，并在此基础上，对国产焊材进行了焊接工艺评定，最后总结出哈尔滨威尔焊接有限责任公司生产的3.5Ni焊接材料各项性能均达到设计要求。关键词：3.5Ni钢 低温钢 焊接工艺 低温冲击韧性0 前言1977年大连金重承制了吉化11.5万吨/年乙烯装置中脱甲烷塔等共31种产品，其主体材料是10Ni14（10Ni14原西德材料牌号，属于101使用温度的3.5%Ni钢），当时大连金重同哈尔滨焊接研究所一起设立课题，对10Ni14材料进行了系列应用试验研究，通过共同努力较好完成了设备制造。近年来随着国内焊接材料研发水平不断提高，特别是哈尔滨焊接研究所、北京钢铁研究总院等科研院所在低温钢特种焊材研发方面做了大量基础试验研究工作，焊接材料的综合性能指标已基本达到国外先进焊材生产企业实物水平。在此背景下，在低温设备焊接制造时，逐步采用哈尔滨焊接研究所、北京钢铁研究总院等科研院所研发的低温钢焊材，此次以哈尔滨焊接研究所威尔焊材有限公司生产的国产3.5Ni焊接材料为例进行焊接工艺评定试验和产品焊接综述。在首次采用哈焊所研发配套的3.5Ni钢焊材进行压力容器制造前，根据TSG 212016固定式压力容器安全技术监察规程的要求，必须在产品施焊前进行焊接工艺评定，这是确保产品焊接质量的重要质量控制环节；其焊接接头各项机械性能能否达到技术条件的要求，特别是低温冲击韧性储备水平，是我们关注的焦点。1 焊接性分析3.5%Ni钢广泛用于石化及煤化工行业低温设备的制造，通过降低碳（C）、磷（P）、硫（S）含量，加入镍（Ni）等合金成分，并采用热处理细化晶粒，材料的微观结构为细晶铁素体从而使其具有优良低温韧性。由于加入了一定量的镍（Ni）合金成分元素，在提高低温韧性的同时也增大了钢种淬硬性，因此具有一定冷裂倾向。此种冷裂倾向虽不显著，但对于板厚较大或拘束较大的焊接结构时，焊接过程中仍应适当采取预热、后热消氢处理等措施防止产生氢致延迟冷裂纹。能源行业标准NB/T 470152011（JB/T 4709）压力容器焊接规程已对此做出相应规定。需要特别注意的是，国内一些设计单位往往在技术条件中要求采用国际焊接学会（IIW）碳当量公式计算Ceq，要求不大于0.45%，这是不太恰当的，主要是没能充分考虑此公式的应用前提条件；在保证焊接接头冲击韧性的前提下，对焊接接头硬度进行限制才是低温设备安全使用的关键控制点。对于最低使用温度-101的3.5%Ni钢的焊接，如何保证焊接接头的冲击韧性是我们制定焊接工艺应该主要考虑的问题。焊接时控制焊接热输入（线能量）是保证焊接接头冲击韧性最关键的措施，手工焊时焊条应尽量不摆动，焊接操作-22-技术交流中国化工装备时采用窄焊道、多层多道焊的工艺，焊道应尽量薄，利用多层焊的后续焊道对前层焊道的回火作用细化晶粒，严格控制焊接热输入（线能量），当焊接结构刚性拘束度较大时，应采取适宜的预热、焊后立即消氢处理（后热）措施，同时还应严格控制焊接过程的道（层）间温度等。2 工程技术要求根据产品技术条件及NB/T 470142011（JB/T 4708）承压设备焊接工艺评定的要求，归纳了焊接接头性能及检测试样数量的要求，见表1。需要特别注意的是，技术条件对于力学性能分别要求焊接试件经历59014/16h（最大焊后热处理，用Max.PWHT表示），和59014/2h（最小焊后热处理，用Min.PWHT表示）后测定。多年经验及相关资料均有介绍，对于3.5%Ni钢焊接接头，有一个比较适当的热处理参数，在此参数下其焊缝的冲击韧性为最佳，过长或过短时间的，其接头冲击韧性均有所降低。所以说，技术条件要求的热处理条件均达到苛刻的条件。此外，技术条件中要求的-101焊接接头的冲击吸收能量为平均不低于母材60J，要求偏严格，远远高于国外同类标准的要求。对于母材来说，很容易达到，但对于铸造组织的焊缝来说，这一要求较为苛刻。这就对选用焊接材料及施焊时的焊接工艺提出了更严格的要求。此外，对于焊缝金属化学成分杂质含量提出如下限定要求：S0.008%，P0.0015%。3 焊接试验用材料本次焊接试验采用与产品相同供货厂家的母材及焊接材料：板材采用舞阳钢铁公司生产08Ni3DR，焊材采用哈尔滨焊接研究所威尔焊材表 1 焊接接头性能及检测试样数量外观目测 PT、RT接头拉伸1）Rm（MPa）弯曲试验2）4a，180-101冲击吸收能量3）KV2（J）接头硬度检测4）HB焊后热处理规范无裂纹无裂纹4903mm裂纹平均值：60单个值：42/59014/16hMax.PWHT无裂纹无裂纹4903mm裂纹平均值：60单个值：4220059014/2hMin.PWHT1）接头拉伸试样为板状短试样，数量为2支。2）对于厚度小于10mm试件，分别取面弯及背弯各2支。其他试板取4支横向侧弯试样。3）对于厚度小于10mm试件，焊缝及热区各取一组冲击试样。对于较厚板材，焊缝及热区分别取2组冲击试样，分别位于T/4及T/2处。4）硬度位于表面1.5mm处测量，热区每侧测3点，母材每侧测2点，焊缝测2点。表 2 08Ni3DR钢板力学性能及化学成分板材力学性能Rm（MPa）Re（MPa）A%弯曲试验3a，180 冲击温度（）冲击吸收能量KV2（J）54945526.0合格-101208,203,192板材化学成分(%)CSiMnPSCrNiMoCuV0.060.240.500.0060.0030.173.370.090.060.003数值均来自板材质量证明书。-23-技术交流中国化工装备生产的焊条、埋弧焊焊丝/焊剂。08Ni3DR钢板及焊接材料的力学性能及化学成分别见表2、表3。4 焊接工艺评定试验4.1 焊接工艺评定项目通 过 对 产 品 结 构 的 分 析，依 据 N B/T 470142011（JB/T 4708）及产品技术条件的要求，分别对承压主体纵、环焊缝及接管与筒体连接焊缝进行了埋弧自动焊、焊条电弧焊的评定。焊接工艺评定试件号及相关内容见表4。表 3 焊接材料力学性能及化学成分焊材力学性能品名Rm（MPa）Re（MPa）A%弯曲试验4a，180冲击温度（）冲击吸收能量KV2（J）HB焊后热处理W107DR焊条55046528合格-10188,58,6216559014/16h56047027合格-10168,85,9016759014/2hH06Mn35DRSJ208DR焊丝/焊剂56045526合格-101130,142,13816059014/16h57247327合格-101122,156,12816859014/2h焊材化学成分（%）CSiMnPSNi焊条0.0380.110.340.0080.0053.58埋弧焊材0.0300.200.820.0070.0053.48数值来自焊材质量证明书。表 4 焊接工艺评定项目一览表试件号焊接方法焊接材料坡口简图焊接位置焊后热处理M-1SMAWW107DRVup59014/16hM-2SMAWW107DRVup59014/2hS-1SAWH06Mn35DR/SJ208DRF59014/16hS-2SAWH06Mn35DR/SJ208DRF59014/2h-24-技术交流中国化工装备焊条电弧焊采用立向上焊位置，这是考虑到采取立向上焊时，焊接热量输入最大，若焊接评定试验合格，其他焊接位置就无需评定，一方面扩大了评定的使用范围，减少制造企业焊接工艺评定工作，另一方面也同时说明国产焊材具有较强的工程适应性和良好的韧性储备，为低温设备安全运行提供了可靠保证。4.2 评定试件的焊接通过对材料的可焊性的分析，编制焊接工艺评定指导书，制定了严格的焊接工艺参数，尽可能采取多层多道焊，焊前预热，严格控制道（层）间温度；焊接工艺评定试件采用的焊接工艺参数见表5。4.3 无损检测焊接工艺评定试件施焊完成后，对焊接接头表面进行了目测外观检验，无未熔合、未焊透、咬边及表面气孔等焊接缺陷。焊后热处理前、后，分别按照NB/T 47013.52015及NB/T 47013.22015标准要求，对焊接接头进行了渗透检测（PT）及射线检测（RT），结果均符合标准要求。4.4 焊后热处理编号为M1、S1的二块试板，焊后进行模拟最大热处理：59014/16h（Max PWHT）；编号为M2、S2的二块试板，焊后进行模拟最小热处理：59014/2h（Min PWHT）；焊后热处理工艺曲线分别如图1和图2所示。59010400400入炉出炉5594/h55120/h保温时间16h时间温度Max.PWHT图 1 模拟最大热处理工艺曲线59010400400入炉出炉5594/h55120/h时间温度Min.PWHT保温时间2h图 2 模拟最小热处理工艺曲线表 5 焊接工艺评定试件施焊工艺参数试件号焊材规格焊接层道示意图预热/层间温度电流(A)电压(V)焊接速度(mm/min)最大线能量KJ/cmM-1M-24.01247131234556891010111180/20015022-2655-8042.5S-1S-23.21221011119993-880/200400-55028-32450-50023.4-25-技术交流中国化工装备4.5 力学性能检验按照表1的检验要求，依据NB/T 470142011（JB/T 4708）及产品技术条件的要求，分别取样，进行拉伸，弯曲，低温冲击试验及硬度检验，结果见表6。4.6 焊接接头微观组织分析对试件号M-2和S-2在倒置金相显微镜和图像分析系统下分别进行了微观组织分析,焊接接头试样的显微组织分析结果为，母材(a)、热影响区(b)及焊缝区(c)组织均为块状铁素体基体加颗粒状珠光体组织。试件号M-2焊接接头试样显微组织如图3所示，试件号S-2焊接接头试样显微组织如图4所示。(a)母材金相组织表 6 机械性能试验结果评定号Rm（MPa）侧弯弯曲试验4a，180-101冲击吸收能量KV2（J）硬度HV10焊缝热区位置焊缝热区母材M1565,5594支合格114,74,88206,244,229T/4/100,102,112220,240,148T/2M2572,5804支合格100,102,112100,126,124T/4160,169176，180165,172220,240,148296,296,294T/2S1559,5684支合格94,142,138244,296,286T/4/130,108,172160,154,140T/2S2588,5724支合格142,166,178150,176,172T/4162,169185，198165,170182,150,148182,162,202T/2注：拉伸试样断裂位置均断裂于焊缝处，全部弯曲试样均无任何裂纹。(b)热影响区金相组织(c)焊缝金相组织图 3 M-2试件焊接接头的显微组织（500）(a)母材金相组织-26-技术交流中国化工装备(b)热影响区金相组织(c)焊缝金相组织图 4 S-2试件焊接接头的显微组织（500）5 结束语通过前文的焊接性分析与施焊操作，系列外观检验、无损检测和理化试验结果分析，所有的检验与试验项目均达到工程技术条件的合格要求，综合对比M1与M2，S1与S2四个试件的各项检验、检测结果，可以得出如下结论：5.1 随着热处理的时间的延长，接头强度有所下降，但幅度不是很大，均能满足要求；焊缝T/2冲击性能略高于T/4；热影响区T/2冲击性能略高于T/4；5.2 焊缝与母材的强度、硬度值相当，达到了等强的设计要求，但热影响区的硬度值略高，说明这种材料还是具有一定的淬硬倾向的；5.3 焊缝和热影响区由于回火焊道作用，组织比母材略细。通过采用哈尔滨焊接研究所威尔焊材生产的