低温材料09MnNiDR的焊接工艺

低温材料09MnNiDR的焊接工艺

上海向福贸易有限公司主营09MnNiDR低温容器板 021-65176141

摘要 通过选用不同的焊材及不同的焊接参数,对低温材料09MnNiDR进行了一系列的工艺评定试验。指出了影响09MnNiDR焊接接头低温韧性的主要因素,并提出了焊接时应采取的工艺措施。 关键词: 低温材料 焊接工艺 试验 低温韧性

WELDINGPROCESSOFLOWTEMPERATURE09MnNiDRSTEEL

HebeiInstituteofArchitectureandEngineeringWangZhanying,MaYiqun,ZhangLandi TianjinUniversity LiHuan

Abstract Aseriesoftechnicalassessmenttestsforlowtemperature09MnNiDRwerecarriedoutbyusingdifferentweldingmaterialandchangingweldingparameters.Theinfluencefactorsofthelowtemperaturetoughnessofthewelded09MnNiDRjointandthetechnicalmeasurementwereproposed.

Keywords: lowtemperaturematerial, weldingprocess, test, lowtemperaturetoughness 0 前 言

随着科学和经济的发展,国内外的石油、化工技术

和设备也得到了长足的进步。压力容器向着大型化、高参数和高寿命的方向发展,一些大型、低温、深冷压力容器在石油炼化行业应用越来越多。低温材料的焊接加工技术也成为焊接研究的重要课题。2002年以来,张家口市石油机械厂先后为国内外一些石化公司制造了30余台09MnNiDR低温压力容器。09MnNiDR钢为铁素体+少量珠光体型低温钢,其含碳量低,属于低合金结构钢。Mn、Ni为其主要合金元素,Mn的作用主要是通过固溶强化来提高钢的强度,Ni能改善铁素体的低温韧性,并具有显著降低钢的冷脆转变温度的作用。在进行09MnNiDR的焊接时,如果焊接材料或焊

接工艺参数等选择不合理,焊接接头很容易出现气孔、夹渣等缺陷,且焊接接头(焊缝、热影响区)的低温冲击吸收功很难达到要求。为此,先后采用不同的焊材进行了多次工艺评定试验,取得了一些宝贵的工艺参数。1 焊接工艺评定试验1.1 焊接工艺评定试验方法

评定按《钢制压力容器焊接工艺评定》JB4708—2000的有关规定进行。焊接方法采用焊条电弧焊和埋弧自动焊。着重评定了焊接接头中焊缝金属和热影响区的低温韧性。 1.2 焊接工艺评定试验材料

试验用母材的化学成分和力学性能见表1和表2,试验用焊材的化学成分和力学性能见表3和表4。 表1 试验用母材的化学成分(%) 序号 钢号

规格δΠmm CSiMnSPCr

NiCuNbAl109MnNiDR180.0080.361.350.0060.008—0.47—0.0240.05209MnNiDR100.010.271.370.0080.009— 0.51— 0.0180.03 3

09MnNiD 20 0.08 0.24 1.32 0.010 0.010 0.13 0.83 0.03

0.01 — ?

36?焊接 2006(2) WW W. 09 Mn Ni DR .C OM

(1)试验用母材:板材09MnNiDR为舞阳钢铁公司生产(执行标准GB3531—94),交货状态正火,组织为铁素体+少量珠光体。锻件为山西定襄新星锻件厂生产(执行标准JB4727—2000),交货状态为淬火+回火。

(2)试验用焊材:焊条为天津大桥焊条W707Ni(执行标准GBΠT5118—1995);埋弧焊丝为锦州某公司JW-1(执行标准AWSA5.17EH14),焊剂为SJ101(执行标准GB5293—85)。表2 试验用母材的力学性能 序号 钢号

规格δΠmm 屈服强度σsΠ

MPa抗拉强度σbΠ MPa伸长率δ5(%) 冲击吸收功

Akv(-70℃)ΠJ冷弯 d=2a,α=180°

109MnNiDR1841052031106,93,170合格209MnNiDR1040052531215,205,207 合格3 09MnNiD 20 360 500 27 86 —

表3 试验用焊材的化学成分(%) 序号 钢号

规格dΠmm CSiMnSPCr Ni

CuNbAl

1W707Ni3.20.060.350.940.006 0.017

—2.72———2W707Ni4.00.070.310.890.0070.014—2.75 ———3

JW-1 4.0 0.10 0.05 1.94 0.017 0.016 — — — — —

表4 试验用焊材的力学性能 序号钢号规格dΠmm

屈服强度σsΠMPa抗拉强度σbΠMPa伸长率δ5(%) 冲击吸收功Akv(-70℃)ΠJ

1W707Ni3.25126273072.72W707Ni4.047857328583 JW-1 4.0 467 569 29 47

1.3 试验选材过程最初焊条电弧焊选用W707A焊条,埋弧焊选用H10Mn2焊丝和YD507A焊剂。经过选择不同厂家的焊 条、焊丝和焊剂反复试验,发现YD507A和国产焊丝

H10Mn2配合使用,其焊接接头(焊缝和热影响区)的低温冲击功总是达不到标准要求(低温夏比冲击试验最低冲击吸收功规定值Akv≥18J),且极易产生气孔,而焊条电弧焊接头的低温冲击吸收功也不稳定。经认真分析后决定,焊条电弧焊选用含Ni的低温焊条W707Ni,埋弧焊用JW-1焊丝配SJ101焊剂。1.4 试验采取的措施 试验材料确定后,考虑到低温钢的焊接特点,采取了以下措施:

(1)为了避免焊缝金属和热影响区形成粗晶组织而降低低温韧性,采用小的焊接热输入(<25kJΠcm),焊接时尽量采用快速多道焊以减少过热,并可通过多层焊的重热作用细化晶粒。 (2)由于W707Ni焊条焊缝熔敷金属黏度大,凝固

较快,当保护不当或操作手法不对时,熔敷金属中的气体往往来不及逸出,在引弧处和接头处极容易产生密集气孔。为此焊接时,焊条应严格烘干,烘干温度为360～380℃,恒温1～2h,焊条应随用随取,视周围环 境的湿度,每次取用量一般不超过1～2h。

(3)严格控制层间温度,尽可能不连续施焊。层间温度应控制在100～200℃。 (4)适当加大坡口角度,以增加焊道数目。

(5)为控制焊道厚度,应严格控制焊材的规格,尽 量选用细直径的焊条或焊丝(<3.2mm～<4.0mm)

(6)因低温钢对缺陷和应力集中的敏感性大,故应避免产生缺陷(如弧坑、咬边、未焊透及焊缝成形不良等)。 (7)焊后进行560～600℃热处理,以提高焊接接 头的低温韧性。

(8)施焊时,底层第一道焊接电流稍小些,以避免 ?

46? 焊接 2006(2)

WW W. 09 Mn Ni DR .C OM

龟裂。1.5 焊接工艺参数

(1)按照上述的工艺措施,经过反复试验,具体制定了以下主要焊接参数(表5)。 (2)焊后进行消除应力热处理,处理温度为560～ 600℃。1.6 评定结果

以上5块焊接试板经检查合格后,按JB4744—2000标准的规定进行力学性能试验,拉伸和弯曲试验结果合格,低温冲击试验结果见表6。

表5 对接接头焊接工艺参数 编号 母材材质 δΠmm

焊接方法焊材材质 规格 dΠmm 焊接电流 IΠA

电弧电压 UΠV 焊接速度 vΠ(cm?min -1 )

焊接热输入 EΠ(kJ?cm -1 )

层间温度 TΠ℃

S109MnNiDR18

焊条电弧焊S209MnNiDR10

焊条电弧焊S309MnNiD20焊条电弧焊S409MnNiDR18 埋弧焊

S509MnNiD20埋弧焊 W707Ni3.2W707Ni 4.0W707Ni

3.2W707Ni4.0W707Ni3.2W707Ni4.0JW-1SJ1014.04.0JW-1SJ101 4.04.0

105211412.2165231418.01052118

10.6165231814.1110211313.4165231319480315017510335019490315017.6525 33 50 21

100～150

表6 试件冲击试验结果 编号 母材材质 δΠmm 焊材材质 焊接方法

热处理低温冲击吸收功Akv(-70℃)ΠJ 焊缝金属 热影响区

S109MnNiDR18W707Ni

焊条电弧焊消除应力43,81,5256,73,69S209MnNiDR10

W707Ni焊条电弧焊消除应力20,34,1826,38,47S309MnNiD20 W707Ni

焊条电弧焊消除应力30,51,4559,67,75S409MnNiDR18JW-1 SJ101埋弧焊消除应力45,23,5558,84,62S5 09MnNiD 20

JW-1 SJ101 埋弧焊 消除应力 46,19,57 79,41,58 2 结 论

(1)Ni能改善铁素体的低温韧性,并具有显著降

低钢的冷脆转变温度的作用,采用含镍W707Ni焊条焊接09MnNiDR钢,其低温冲击性能优于W707A焊条。

(2)埋弧焊时,选用含锰量较高的焊丝JW-1并配用SJ101焊剂,可获得较高的低温韧性。若焊丝的含锰量低于1.9%,焊接接头的低温冲击吸收功就很难达标。

(3)提高焊接接头的镍含量是改变低温材料焊缝低温韧性的有效途径。 (4)尽量采用低热输入焊接(小于25kJΠcm),最大

限度地减小过热,以避免出现粗大的铁素体或粗大的马氏体组织。

(5)尽量采用快速多道焊,适当增大坡口角度,并严格控制层间温度是提高低温材料焊缝韧性的关键因素。