低温储罐用13MnNi6-3钢板焊接性能研究*

李治阳

(无锡城市职业技术学院，江苏 无锡 214151)

低温储罐用13MnNi6-3钢板系EN10028-4标准的低温压力容器用钢板，与GB/T 3531-2014中09MnNiDR钢板相比较，13MnNi6-3钢板最低使用温度-60 ℃，高于09MnNiDR钢板的-70 ℃，但其强度指标明显高于09MnNiDR钢板，20 mm厚度规格的16MnNi6-3钢板屈服强度下限为355 MPa，而09MnNiDR钢板屈服强度下限为280 MPa。因此，利用13MnNi6-3钢板建造的-60 ℃低温储罐将有效的减少管壁厚度，从而减少材料使用量[1-3]。

储罐的整体质量取决于焊缝的质量[4-6]，13MnNi6-3钢板的焊接性能是决定其应用的关键因素，本文比较了不同焊接线能量下手工焊焊接方式对焊接试板性能的影响，以盼为工程现场提供参考依据。

1 焊接材料

选用板厚20 mm规格的13MnNi6-3钢板，钢板母材熔炼成分范围、力学性能及工艺性能如表1、表2所示；选用哈尔滨威尔W707DR焊条进行了一系列SMAW的试验，该焊条符合标准NB/T 47108，AWS A5.5 E8016-C1，GB/T 5117 E5516-N5等标准焊条典型化学成分及力学性能如表3、表4所示。

表1 钢板化学熔炼成分范围Table 1 Chemicalheatcompositionof steel plate (wt%)

表2 母材力学性能及工艺性能Table 2 Mechanical properties and process properties of base metal

表3 焊条化学成分Table 3 Chemical composition of electrode (wt%)

表4 焊条力学性能Table 4 Mechanical properties of electrode

母材开V型坡口，开坡口的主要目的是为了获得合理的熔透深度和焊缝形状，合适的坡口能有效减小焊接变形和焊接残余应力。在满足焊接工艺性能的前提下，尽量使坡口左右处于对称状态，并减小坡口角度。这样填充金属量减小且焊接应力对称抵消，有效减小了焊接残余应力，防止因应力所致的焊接裂纹。本项目的试板均采用V型坡口，如图1所示。焊后通过射线探伤，未见明显缺陷。

图1 焊接接头实物图Fig.1 Welded joint

2 斜Y坡口焊接裂纹试验

焊前预热的主要目的是减小接头焊后的冷却速度、避免产生淬硬组织和减小焊接应力与变形，是防止焊接裂纹产生的有效办法。本研究焊接前利用斜Y坡口焊接裂纹试验研究预热温度对钢板焊接裂纹的影响规律，预热温度分别为室温，50 ℃，75 ℃，100 ℃。接入如表5所示。室温下断面及根部的裂纹发生率低于5%；预热50 ℃断面及根部的裂纹发生率为0。结合钢板良好的低温韧性、斜Y坡口焊接裂纹试验结果，同时考虑到大罐在制造过程中不便于预热，因此本研究焊接接头无进行焊前预热。

表5 斜Y坡口焊接裂纹试验结果Table 5 Welding crack test results of inclined Y groove

3 焊接热影响区最高硬度试验

按照GB/T 4675.5《焊接热影响区最高硬度试验方法》进行试验，采用维氏硬度，结果如图2所示。图2中0点表示焊缝中心处，间隔1 mm做HV10硬度，从图中可以看出，在熔合线处出现了硬度极大值，达到200HV10左右，母材及焊缝的硬度则相对较低。

图2 焊接热影响区最高硬度试验Fig.2 Maximum hardness test of welding heat affected zone

4 不同输入能量对焊接接头性能的影响

表6 焊接线能量试验焊接参数Table 6 Welding parameters of welding line energy test

表7 钢板焊接接头拉伸性能Table 7 Tensile properties of welded joints of steel plates

续表7

选用不同的焊接线能量焊接试板，线能量焊接参数线能量如表6所示。钢板焊接接头拉伸试验，每组做2个拉伸试验，结果如表7所示；对焊缝区和热影响区分别做了低温冲击试验，结果如表8所示；20 kJ/cm线能量焊接钢板焊缝区、熔合线及热影响区系列温度冲击试验如图3所示，横向试样。

表8 SMAW焊接接头不同焊接工艺冲击试验结果Table 8 Impact test results of SMAW welded joint with different welding processes

图3 SMAW焊接接头焊态系列温度冲击试验结果Fig.3 Welding state series temperature impact test results of SMAW welded joint

从表7可以看出，随着输入能量的增加，焊接接头的抗拉强度略有增加，但低于交货态母材及焊材抗拉强度；断裂位置发生在热影响区。随着焊接热输入的增加，焊接速率响应的提升，导致焊接焊缝温度较高，冷却速率较快，类似于淬火效应，导致焊缝的抗拉强度增加；与之对应的，钢板母材热影响区反复受到热循环的影响，相当于对母材的回火热处理，导致热影响区母材强度降低；结合图2分析，在焊接接头区域，热影响区的硬度低于焊缝硬度，因此，表现为焊接接头母材热影响区断裂，且焊接接头断裂的抗拉强度低于交货态母材及焊材的抗拉强度。

由表8可知，随着焊接输入能量的增加，焊接接头整体冲击吸收能量呈下降趋势，熔合线处的冲击吸收能量低于母材及焊缝的冲击吸收能量。从焊接材料的化学成分分析，焊材中Ni含量较高，即使是铸态的焊缝依然能保证较高的冲击韧性；熔合线区域，焊材中的Ni元素被母材稀释，另外受到热循环的影响，熔合线接近于淬火态，冲击韧性明显降低。

图3表明，焊缝及FL+2 mm处的冲击吸收能量高于熔合线处冲击吸收能量，但以47 J作为衡量标准，焊缝，熔合线，熔合线+2 mm的脆性转变温度均低于-70 ℃，满足产品设计要求。

5 焊接接头金相组织

图4与图5为焊接接头金相照片，均为500×，焊缝金相表现为铸态组织，FL+2 mm处母材为铁素体+珠光体，整体上晶粒较细化。

图4 焊缝金相组织(500×)Fig.4 Metallographic structure of weld (500×)

图5 FL+2 mm金相组织(500×)Fig.5 Metallographic structure of FL+2 mm (500×)

6 结 论

以20 mm厚度规格13MnNi6-3钢板焊接接头为研究对象，研究结果：(1)斜Y坡口焊接裂纹试验研究表明钢板焊接后裂纹发生倾向较低，钢板焊接无需预热；(2)焊接接头熔合线处出现了硬度极大值；(3)结合硬度分析、拉伸性能及低温韧性，熔合线类似于淬火区，硬度较高而韧性较低，FL+2 mm处则表现为硬度与强度较低，但韧性优良；(4)焊缝金相表现为铸态组织，FL+2 mm处母材为铁素体+珠光体。