孫婷婷 王猛 徐鍇 陳佩寅 張學剛

摘要：-70 ℃級低溫壓力容器用09MnNiDR鋼板和配套焊條已廣泛應用于各類低溫壓力容器，但應用于09MnNiDR鋼制乙烯球罐的全位置焊條未見報道。通過合理調(diào)整碳酸鹽的顆粒度、碳酸鹽/氟化物的比例和TiO2的加入形式，來改善焊條的全位置焊接工藝性能，同時保證焊條熔敷金屬的力學性能。結(jié)果表明：新研制的W707DRQ焊條能夠?qū)崿F(xiàn)全位置焊接，具有良好低溫沖擊性能，焊接熱輸入范圍較寬，可以用于09MnNiDR鋼制乙烯球罐的焊接。

關(guān)鍵詞：乙烯球罐; 全位置焊接; W707DRQ焊條

中圖分類號：TG 421

Abstract： The 09MnNiDR steel plate and the matching electrode for the -70 ℃ low temperature pressure vessel have been widely used in various types of low temperature pressure vessels. However， the all-position welding electrode applied to the 09MnNiDR steel vinyl spherical tank has not been reported. Properly adjusting the particle size of carbonate， the ratio of carbonate/fluoride and the addition form of TiO2， the all-position welding process performance of the electrode was improved and the mechanical properties of the deposited metal of the electrode were achieved. The results showed that the newly developed W707DRQ electrode had been realized all-position welding， had good low temperature impact performance， and had a wide welding heat input range， which can be used for welding of the 09MnNiDR steel vinyl spherical tank.

0 前言

隨著世界石油經(jīng)濟的飛速發(fā)展，乙烯產(chǎn)量的不斷提高，乙烯球罐建造正出現(xiàn)一個蓬勃發(fā)展的趨勢。目前乙烯球罐建造正向著大型化、低溫化的方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢對鋼材及焊接材料提出了更高的要求[1-2]。

-70 ℃級低溫壓力容器用09MnNiDR鋼板、09MnNiD鍛件和配套焊接材料于21世紀初應用于各類低溫壓力容器，其中W707DR焊條以其優(yōu)良的工藝性能和低溫沖擊韌性獲得了廣泛的應用。但W707DR焊條不能滿足09MnNiDR鋼制乙烯球罐的全位置焊接要求[3-4]。國內(nèi)外用于-70 ℃低溫鋼焊接的焊條有許多，但還沒有應用于低溫鋼球罐全位置焊接的報道。因此，在W707DR焊條的基礎上，開發(fā)了能夠滿足09MnNiDR鋼制乙烯球罐用全位置施焊及低溫沖擊韌性優(yōu)良的W707DRQ焊條。

1 試驗要求與方法

1.1 技術(shù)要求

09MnNiDR鋼制球罐用W707DRQ焊條熔敷金屬的化學成分和力學性能除滿足NB/T 47018—2017《承壓設備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》和GB/T 5117—2012《非合金鋼及細晶粒鋼焊條》的要求外，還應滿足表1的要求，焊后熱處理規(guī)范為580 ℃×4 h，同時還要求焊條能夠?qū)崿F(xiàn)全位置焊接。

1.2 試驗方法

化學成分分析、熔敷金屬力學性能試驗均按照標準NB/T 47018—2017《承壓設備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》和GB/T 5117—2012《非合金鋼及細晶粒鋼焊條》進行。熔敷金屬擴散氫試驗按照GB/T 3965—2012《熔敷金屬中擴散氫測定方法》進行水銀法擴散氫的測定。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊條的工藝性能

W707DRQ焊條以CaCO3-CaF2-TiO2-SiO2渣系為基礎[5-8]，該渣系含有較多的碳酸鹽、氟化物和鐵合金，從而降低了焊縫中氫和氧的含量，堿性渣系也有利于提高熔敷金屬的沖擊韌性。通過調(diào)整焊條藥皮中碳酸鹽的顆粒度以及碳酸鹽、氟化物的比例，可以明顯改善焊條藥皮的熔化特性、電弧吹力和電弧穩(wěn)定性。TiO2的加入形式主要有鈦鐵礦、金紅石和鈦白粉，通過合理調(diào)整三者的加入量，明顯改善了焊縫成形和脫渣性等。試驗結(jié)果表明：碳酸鹽和氟化物比例為2.3～2.7，總量為64%～69%為宜，較細的碳酸鹽能夠改善焊條藥皮熔化的均勻性，TiO2以單一形式加入效果較好。

圖1和圖2分別為W707DRQ焊條仰焊及立焊時脫渣前后的照片。研制的焊條工藝性能良好，主要表現(xiàn)在：電弧穩(wěn)定，電弧吹力適中，藥皮熔化均勻，飛濺小，焊縫成形良好，脫渣容易，不黏渣，能夠適應球罐全位置焊接的要求。

2.2 化學成分對熔敷金屬低溫沖擊韌性的影響

2.2.1 C含量對低溫沖擊韌性的影響

通過采用不同C含量的焊芯及控制粉料的C含量制成焊條，研究不同C含量對熔敷金屬低溫韌性的影響，試驗結(jié)果如圖3所示。

試驗結(jié)果表明，當C含量≤0.045%時，隨著C含量的增加，熔敷金屬低溫沖擊韌性明顯下降。當C含量在0.045%～0.06%時，隨著C含量的增加，熔敷金屬的沖擊韌性幾乎沒有發(fā)生變化，沖擊吸收能量明顯大于60 J。當C含量>0.06%時，沖擊韌性又出現(xiàn)了明顯地降低。為了獲得較高的低溫沖擊韌性，盡可能將熔敷金屬C含量控制在0.06%以下。

2.2.2 Si含量對低溫沖擊韌性的影響

Si元素是作為脫氧元素過渡到焊縫中，也可起到固溶強化的作用。研究不同Si含量對低溫沖擊韌性的影響，試驗結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著Si含量的增加，熔敷金屬低溫沖擊韌性明顯下降，這是因為Si是擴大α區(qū)的元素，Si含量偏高會促進先共析鐵素體的形成。從斷裂過程分析，先共析鐵素體可降低焊縫金屬韌性，因為先共析鐵素體的顯微硬度比貝氏體低，塑性變形最初將局限于晶界鐵素體，加之夾雜物的存在，位錯塞積或纏結(jié)于非金屬夾雜物處，導致開裂，造成熔敷金屬的沖擊韌性降低。因此，為了獲得良好的低溫韌性，熔敷金屬Si含量應控制在較低的水平，但從脫氧的角度考慮，Si含量又不能太低，因此熔敷金屬的Si含量最好控制在0.1%～0.3%。

2.3 熔敷金屬化學成分及力學性能

表3為W707DRQ焊條熔敷金屬化學成分和力學性能結(jié)果。通過調(diào)整熔敷金屬的化學成分，研制出了滿足技術(shù)條件的W707DRQ焊條。低溫沖擊韌性有較大的裕量，側(cè)彎結(jié)果合格，表面無開裂。

2.4 金相組織分析

W707DRQ焊條熔敷金屬微觀金相組織如圖5所示，微觀金相組織為先共析鐵素體+針狀鐵素體，呈柱狀晶特征。

2.5 焊條熔敷金屬擴散氫含量測定

通過嚴格控制原材料中氫的來源并采取其它降氫的W707DRQ焊條熔敷金屬擴散氫含量3.5 mL/100 g（水銀法），滿足技術(shù)要求。

3 焊條熔敷金屬沖擊韌性影響因素的研究

3.1 熱處理保溫時間對沖擊韌性的影響

圖6為熱處理保溫時間對沖擊韌性的影響，熱處理溫度均為580 ℃，熱處理保溫時間分別為4 h，7.5 h和9 h。由圖6可以看出，焊條熔敷金屬的沖擊吸收能量隨著熱處理保溫時間的延長略有下降，但580 ℃×9 h熱處理后沖擊吸收能量的平均值大于100 J，仍有較大裕量。

3.2 熱輸入對沖擊韌性的影響

焊接熱輸入與焊接電流、電弧電壓和焊接速度有關(guān)，主要通過改變焊接速度將焊接熱輸入分別控制在25～30 kJ/cm，30～35 kJ/cm，35～40 kJ/cm范圍內(nèi)。

試板按580 ℃×7.5 h進行焊后熱處理，-70 ℃低溫沖擊試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著焊接熱輸入的增加，熔敷金屬低溫沖擊值顯著降低，當熱輸入達40 kJ/cm時，焊縫-70 ℃沖擊吸收能量平均值仍然達到100 J以上。

4 結(jié)論

（1）新研制的W707DRQ焊條具有優(yōu)良的全位置焊接工藝性能，適于09MnNiDR鋼制乙烯球罐的焊接。

（2）W707DRQ焊條具有良好的綜合性能，優(yōu)異的低溫沖擊韌性，-70 ℃沖擊吸收能量大于100 J，各項指標均滿足技術(shù)要求。

（3）W707DRQ焊條適用范圍寬，焊接熱輸入小于40 kJ/cm，熱處理規(guī)范為580 ℃×（4～9） h時，熔敷金屬性能仍能滿足技術(shù)要求。

參考文獻

[1] 趙慶濱.09MnNiDR鋼在球罐中的應用[J].機械研究與應用，2015，28（4）130-134.

[2] 黃金國，陳永東，陳崇剛，等.09MnNiDR制2 000 m3乙烯球罐的分析設計[J].化工設備與管道，2014，51（1）：20-24.

[3] 張孟雪.09MnNiDR材質(zhì)球罐焊接施工工藝分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2015，14（13）：44-46.

[4]?黨戰(zhàn)偉，石伯承，劉福錄，等.-70 ℃09MnNiDR鋼制2000 m3乙烯球罐的焊接工藝[J].焊接，2015（3）：60-64.

[5]?張凱，湯傳健，王天先，等.低溫容器用3.5Ni鋼的焊接[J].電焊機，2010，40（3）：86-90.

[6]?張學剛，廖永平，孫婷婷，等.低溫鋼焊條W707DR的研制[J].焊接，2005（5）：41-42.

[7]?王寶.焊接電弧物理與焊條工藝性設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[8]?何少卿，吳國權(quán).焊條焊劑制造手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.