07MnNiMoDR与10Ni3MoVD组焊焊接试件性能研究

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(1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070；2.机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司， 上海 201518；3.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518)

压力容器大型化、高压化和高低温化发展对其制造材料的要求越来越高[1]。许多新钢种应运而生，解决了生产发展需要的同时也带来了新的问题。GB 19189—2011《压力容器用调质高强度钢板》[2]中新增牌号钢种07MnNiMoDR是一种压力容器用调质高强度钢，广泛应用于球罐的制造[3-5]。NB/T 47009—2017《低温承压设备用合金钢锻件》[6]中钢种10Ni3MoVD是20世纪80年代初研制的一种高强合金钢，最初的研制目的是用作日本N-TUF490钢板的配套锻件。07MnNiMoDR与10Ni3MoVD钢常用于制造低温特殊设备。制造加工时，由于抗拉强度高、淬硬倾向性大，焊接过程中或焊后易出现冷裂纹及再热裂纹。文中对低温丙烯球罐使用07MnNiMoDR与10Ni3MoVD材料的组焊试件性能进行试验，以期为以异种钢07MnNiMoDR与10Ni3MoVD建造低温设备提供一些参考[7-12]。

1 试板焊接及热处理

1.1 焊接坡口

07MnNiMoDR与10Ni3MoVD材料供货状态为淬火+回火(Q+T)。准备2块焊接试板，规格(长度×宽度×厚度)500 mm×250 mm×70 mm。试板切双面V型坡口，见图1。

图1 07MnNiMoDR与10Ni3MoVD焊接试板坡口示图

1.2 焊接材料及焊接工艺

焊接工艺选择全程焊条电弧焊(SMAW)。根据07MnNiMoDR与10Ni3MoVD材料及焊接材料化学成分(表1)，焊接材料选用Ø4.0 mm的LB-65L焊条。焊接后，对试板进行消除应力热处理，热处理的温度及时间为(580±10)℃×8 h。

07MnNiMoDR与10Ni3MoVD试板焊接工艺参数见表2。焊接时需注意：①焊接材料使用前要烘干并在保温桶中保温使用。②焊接前，采用火焰对材料进行预热。③焊接完成后，立即进行消除应力热处理。

表1 材料主要化学成分(质量分数) %

表2 07MnNiMoDR与10Ni3MoVD试板焊接工艺参数

2 试验结果与讨论

2.1 室温拉伸试验

根据NB/T 47016—2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》[13]、GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验 第一部分：室温试验方法》[14]，沿试板在垂直于焊缝的方向上分层截取覆盖试板厚度的矩形室温拉伸试样，代替全厚度试样进行试验，每层截取2件试样。07MnNiMoDR与10Ni3MoVD焊接试样室温拉伸试验结果见表3，相应的母材室温拉伸性能试验结果见表4。

表3 两种材料焊接试样室温拉伸试验结果

表4 两种材料母材室温拉伸试验结果

由表3可以看出，①试样被拉断之后，其断裂位置全部位于07MnNiMoDR侧母材区，这说明焊接接头的强度高于07MnNiMoDR侧母材的强度。②消除应力热处理之后材料的最小抗拉强度为634 MPa。③不同位置取样下的试样室温抗拉强度相差不大(相差2～10 MPa)。

由表4可以看出，07MnNiMoDR钢的抗拉强度较10Ni3MoVD钢的低，且经过焊接及消除应力热处理后，抗拉强度有所下降。

依据GB 19189—2011《压力容器用调质高强度钢板》及NB/T 47009—2017《低温承压设备用合金钢锻件》，07MnNiMoDR钢的室温抗拉强度Rm=610～730 MPa，10Ni3MoVD钢的室温抗拉强度Rm=600～760 MPa。对比上述试验结果表明，焊缝及材料强度满足标准要求。

2.2 弯曲试验

按照GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》[15]，在试板上垂直于焊缝轴线方向截取4件全板厚侧弯试样进行弯曲试验。4件试样弯曲后均没有裂纹产生，说明焊接接头的焊缝区、热影响区及母材区的材料伸长率一致，焊缝的塑性和完整性较好，能够满足材料的使用要求。

2.3 冲击试验

低温设备制造工艺要求07MnNiMoDR与10Ni3MoVD两种材料的组焊焊缝及其它部位的低温冲击吸收功在-50 ℃条件下不小于80 J。此要求比其他材料的冲击吸收功要求严格，需要对其检测予以重视。按照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》[16]，在距试板表面10 mm区域截取-50 ℃夏比V型缺口试样，试样轴线垂直于焊缝轴线，在试板的焊缝区、热影响区及两侧母材区各取样1组，每组3个试样，规格(长度×宽度×厚度)均为55 mm×10 mm×10 mm，进行冲击试验的结果见表5。

表5 07MnNiMoDR与10Ni3MoVD试样冲击试验结果

由表5可以看出，焊缝及材料冲击吸收功均大于80 J，满足相关标准的要求。从表5还可知，母材区和热影响区的冲击功明显高于焊缝区的冲击功。经分析认为，焊缝区组织奥氏体中残留较多的δ铁素体，这使得焊缝金属的韧性下降，所以焊缝区的冲击功比母材区和热影响区的都要低。

2.4 硬度试验

硬度是材料抵抗局部变形的能力，也是衡量材料软硬程度的力学性能指标。材料的硬度与其化学成分、组织结构及热处理工艺因素有关，因此可以通过硬度试验来反映材料的质量，验证热处理工艺及试样的淬硬倾向。按照GB/T 231.1—2009《金属材料布氏硬度试验 第1部分：试验方法》[17]，在试板上垂直于焊缝轴线的方向截取全板厚硬度试样，试样经砂纸磨光、机械抛光和4%(质量分数)硝酸酒精溶液侵蚀处理，区分出焊缝区、热影响区及母材区，试验选用的布氏硬度块为HBW2.5/187.5。两种材料硬度试验结果见表6。

表6 两种材料试样硬度试验结果

由表6可以看出，试样的焊接工艺及热处理工艺合理，满足材料的使用要求。两种材料各自的母材区比相应热影响区的硬度值稍高(6～8HBW)，焊缝区的硬度最低，但整体偏差不大。同一区域不同部位测试结果偏差也较小，焊缝区、热影响区及母材区淬硬倾向不明显。

2.5 金相检验

在试板垂直于焊缝轴线方向截取金相检验试样。对试样经砂纸磨光、机械抛光和4%(质量分数)硝酸酒精溶液侵蚀后，在金相显微镜上观察其显微组织[18]。显微组织观察结果见图2～图6。

图2 07MnNiMoDR侧母材区金相组织(500×)

图3 10Ni3MoVD侧母材区金相组织(500×)

图2为07MnNiMoDR原母材的金相组织，可见组织为板条状回火马氏体和回火索氏体+贝氏体和铁素体。图3为10Ni3MoVD原母材的金相组织，可见组织为马氏体和贝氏体。

图4 07MnNiMoDR侧热影响区金相组织(500×)

图4 为07MnNiMoDR侧热影响区金相组织图，可见热影响区马氏体组织相比图2的有所减少，同时可见一些铁素体组织。分析认为，铁素体组织的形成会使材料硬度下降，此分析结果与表6的硬度试验数据互为印证。

图5 10Ni3MoVD侧热影响区金相组织(500×)

图5为10Ni3MoVD侧热影响区金相组织图，可见热影响区马氏体组织相比图3的有所减少，同时可见一些铁素体组织及珠光体组织。分析认为，铁素体组织及珠光体组织的形成会使材料硬度下降，此分析结果与表6的硬度试验数据互为印证。

图6 焊缝区金相组织(500×)

图6为焊缝区金相组织图，可见焊缝区组织为铁素体+珠光体+贝氏体，其中铁素体组织较多。分析认为，较多的铁素体组织使该区域材料的硬度比图5所示区域材料的硬度更低，此分析结果与表6的硬度试验数据互为印证。

3 结语

对低温丙烯球罐所用两种异种钢材料07MnNiMoDR与10Ni3MoVD的组焊焊接试件性能进行了研究。研究结果表明，焊接试件的拉伸、低温冲击及硬度性能良好，各个区域内伸长率一致，塑性良好，-50 ℃冲击性能优于NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》[19]要求，低温韧性良好，焊接质量优良。