劉玉祥

(森松(江蘇)重工有限公司上海分公司，上海201323)

10Ni3MoVD低溫鋼鍛件(以下簡稱10Ni3MoVD鋼)是20世紀80年代初，原金州重型機器廠為匹配日本N-TUF490鋼板而研制的配套鍛件，在乙烯球罐裝置上得到了大量的應用[1-2]，但在化工壓力容器上很少使用。LDPE裝置中的高壓氮氣罐以往設計選材采用20MnMoD鋼鍛件[3-4]，但20MnMoD鋼僅能用于-40℃以上的工況，無法滿足更低溫度的工況條件，且相對于10Ni3MoVD鋼，20MnMoD鋼鍛件強度低，在相同的設計壓力下，需要更大壁厚的材料制造，增加了成本，因此國內高壓氮氣罐開始采用10Ni3MoVD材料進行設計制造，可滿足更低的設計溫度、更高的設計壓力。

1 10Ni3MoVD鋼介紹

1.1 化學成分及力學性能

10Ni3MoVD鋼為熱處理強化的低溫合金鋼鍛件，供貨狀態(tài)為淬火加回火。10Ni3MoVD鋼滿足NB/T 47009—2017《低溫承壓設備用合金鋼鍛件》標準的要求，其化學成分及力學性能如表1、表2所示。

表1 10Ni3MoVD鋼化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical compositions of 10Ni3MoVD steel(mass fraction,%)

表2 10Ni3MoVD鋼力學性能Table 2 Mechanical properties of 10Ni3MoVD steel

1.2 化學成分分析

10Ni3MoVD鋼的化學成分主要由C、Ni、Mn、Mo、Si等元素組成。C可提高鋼的抗拉強度、屈服強度和硬度，但會使鋼的塑性、韌性降低，為了保證良好的低溫韌性，C的含量必須控制在0.12%以下。Ni具有細化晶粒的作用，提高鋼的沖擊韌性，Ni可使鋼的等溫轉變曲線移向右下方，相變速度減小，降低臨界淬火速度，提高淬透性。Mn在鋼中主要起固溶強化作用，它可以彌補C含量減少而產生的強度下降。Mn與S結合形成MnS，可減小S在鋼中的有害作用。鋼中的Mn/C比越大，韌性越好，所以降低C的含量，提高Mn/C比，可以獲得較低的脆性轉變溫度。Mo能增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，促進中溫貝氏體轉變，可以提高鋼的淬透性及抗回火性。Si在淬火+回火鋼中，增加鋼的淬透性，提高鋼的強度并具有一定的耐回火性，但是過高的Si會降低鋼的沖擊韌性[5-7]。綜上所述，10Ni3MoVD鋼通過對C、Ni、Mn、Mo、Si元素成分比例合理的調配，經淬火+回火熱處理后，獲得以回火索氏體為主+貝氏體+少量鐵素體基體組織的高強度低溫鋼。

2 焊接性能分析

2.1 冷裂紋

冷裂紋形成的原因主要是基于焊接冷卻速度過快，產生淬硬組織，以及焊縫中的殘余氫擴散聚集，在焊接殘余應力的作用下產生開裂。根據碳當量CE對10Ni3MoVD鋼冷裂紋敏感性進行評估，根據表1中的試驗材料化學成分，按照公式(1)計算碳當量。計算后，10Ni3MoVD鋼的CE約0.52%，當CE大于0.45%時，說明材料的焊接淬硬傾向大，因此10Ni3MoVD鋼焊接具有一定的冷裂紋傾向。10Ni3MoVD焊接過程中應采取預熱措施，通過預熱達到消氫的目的，并減緩冷卻速度，降低冷裂紋傾向。同時，對10Ni3MoVD鋼焊后立即進行250～300℃×(2～3)h的緩冷處理，進一步消除焊縫的氫，減小冷裂紋產生的幾率。

(1)

2.2 熱裂紋

焊接熱裂紋產生的主要原因為焊接熔池凝固結晶時，在液相與固相并存的溫度區(qū)間，由于結晶偏析和在焊接收縮應力的作用下，焊縫金屬沿一次結晶的晶界形成裂紋[8]。對10Ni3MoVD鋼按照熱裂紋敏感性指數HCI評判其熱裂紋敏感性，由表1中的試驗材料化學成分按照公式(2)計算，計算結果為HCI=5.022，當熱裂紋敏感性指數HCI大于15時，熱裂紋比較敏感，因此10Ni3MoVD鋼對熱裂紋不敏感。

HCI=1080P+733S+13Si+0.2Ni-43C-3Mn-0.7Cr

(2)

2.3 焊接低溫性能

低溫沖擊韌性是低溫鋼焊接重要合格指標之一，低溫鋼焊縫、熱影響區(qū)沖擊吸收能量經常出現較大幅度波動的現象，沖擊吸收能量數值兩高一低的情況時常發(fā)生[9]。焊接熱輸入量對低溫韌性影響較大，焊接時需要嚴格控制焊接熱輸入量，避免熱輸入量過大，造成焊縫及熱影響區(qū)組織粗大，降低沖擊韌性。對于10Ni3MoVD鋼的焊接，預熱除了是避免冷裂紋產生的工藝措施之外，更重要的作用是，減緩冷卻速度，避免產生韌性較差的淬硬組織，降低沖擊韌性。道間溫度對沖擊韌性也有很大的影響，過高的道間溫度，將會造成焊縫高溫停留時間過長，給焊接組織長大提供了時間，因此焊接過程中要控制好道間溫度。材料焊接過程中，無論如何控制熱輸入量，熱影響區(qū)的晶粒均會有一定程度的長大，降低沖擊韌性。為了更好的保證焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性，對10Ni3MoVD鋼的晶粒度提出了要求，原材料晶粒度級別≥6級。

3 焊接試驗

3.1 坡口加工

試驗采用的10Ni3MoVD鋼試板厚度78 mm，試板規(guī)格為125 mm×600 mm，試板數量4塊，共2副試板，坡口形式如圖1所示。為了保證坡口精度與質量，坡口采用機械加工的方法加工，坡口加工后進行100%MT-I級檢測，確保坡口無任何缺陷。

圖1 坡口形式Figure 1 Groove type

3.2 試板的焊接

試板焊接采用GTAW和SMAW組合焊接方法，GTAW焊接厚度30 mm，SMAW焊接厚度48 mm，焊接位置為平焊。試板焊前采用電加熱方式進行整體預熱，每副試板上布置2支熱電偶，數顯溫度電箱對其進行控溫，預熱溫度150℃。為了防止試板焊接變形，試板先采用GTAW焊接方法焊接，GTAW焊接10 mm后,翻身另一面進行SMAW焊接，焊接厚度16 mm，如此交替三次翻身焊接，直至焊接結束。試板焊接采用直線焊道焊接，并多層多道焊，每一道焊縫焊后，采用可接觸式測溫槍進行測溫，焊接道間溫度不大于200℃，試板焊接后立即進行(250～300)℃×2 h緩冷處理。GTAW采用ER62-D2氬弧焊絲，SMAW采用E6215-N5M1P焊條，焊條按廠家推薦的烘干溫度進行烘干，焊條領用時采用保溫筒進行保溫，試板具體焊接規(guī)范參數見表3所示。

表3 焊接規(guī)范參數Table 3 Welding specification parameters

3.3 無損檢測

試板焊接后及熱處理24 h后按照NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》標準進行100%MT-I級、100%UT-I級、100%RT-II級檢測，檢測結果均合格。

3.4 試板的熱處理

按照客戶工程技術規(guī)范的要求，10Ni3MoVD鋼焊后熱處理溫度為580℃±10℃，而NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》標準中要求的最低熱處理溫度為600℃，因此對10Ni3MoVD鋼580℃±10℃熱處理溫度的保溫時間，按照NB/T 47015標準中表6的要求采取延長保溫時間的熱處理方案。按照標準中表6的要求計算，78 mm厚的材料在580℃熱處理溫度下最短保溫時間為165 min，將該保溫時間作為最小焊后熱處理?？紤]到產品熱處理后可能存在返修或產品服役后出現返修的情況，又進行了580℃±10℃×360 min的熱處理，將該保溫時間作為最大焊后熱處理。2副試板分別進行最小、最大熱處理，具體的熱處理工藝曲線如圖2、圖3所示。

圖2 最小焊后熱處理Figure 2 Minimum post weld heat treatment

圖3 最大焊后熱處理Figure 3 Maximum post weld heat treatment

4 理化試驗

焊接試板按照NB/T 47014《承壓設備焊接工藝評定》—2011標準進行橫向板狀拉伸、側向彎曲試驗、-50℃沖擊試驗，并補充了硬度、宏觀金相試驗、顯微組織試驗。

4.1 拉伸試驗

每種熱處理狀態(tài)的試板取2個拉伸試樣，但由于試板厚度較厚，拉伸試驗機能力受限，無法進行全厚度的拉伸試驗，故拉伸試樣在厚度方向等分2片試樣，具體拉伸試驗結果如表4所示。

從表4試驗數據看，抗拉強度的結果均在標準范圍之內，最大焊后熱處理的抗拉強度略低于最小焊后熱處理的抗拉強度，可見隨著焊后熱處理時間的延長，10Ni3MoVD鋼焊接接頭抗拉強度趨于下降的趨勢。

表4 拉伸試驗結果Table 4 Tensile test results

4.2 彎曲試驗

按照標準，每種熱處理狀態(tài)的試板取4個側向彎曲試樣，彎曲試驗結果如表5所示。彎曲試驗的合格，證明焊接接頭致密性良好，且具有一定的塑性變形能力。

表5 彎曲試驗Table 5 Bending test

4.3 沖擊試驗

以SMAW焊接方法作為沖擊取樣的上表面，GTAW焊接方法作為沖擊取樣的下表面，對上下表面焊縫及其熱影響區(qū)取樣進行沖擊試驗，考慮到厚板材料厚度中心T/2位置往往性能較差，又在T/2位置增加了焊縫和熱影響區(qū)的取樣，具體沖擊試驗結果如表6所示。由表6可見，沖擊吸收能量的數值均高于母材80 J的要求，沖擊吸收能量也未出現特別明顯的兩高一低的波動現象，且還有一定的裕量。沖擊吸收能量是由消耗試樣彈性變形的彈性功、直至產生裂紋前的塑性變形產生的塑性功和裂紋產生并擴展至斷裂的撕裂功三部分組成，對于高強鋼而言，其彈性功所占的比例較大，塑性功和撕裂功相對較小[10]，單純的以沖擊吸收能量數值來衡量焊接接頭的韌性是不夠全面的，因此對沖擊試樣進行了側向膨脹量檢測和纖維斷口百分比檢測，表6數據中的側向膨脹量均大于工程技術規(guī)范要求的0.53 mm，纖維斷口百分比均在50%以上，進一步證明沖擊性能的良好。從表6的數據綜合來看，最小熱處理態(tài)與最大熱處理狀態(tài)的沖擊結果基本相當，熱處理時間的延長并不能提高10Ni3MoVD鋼焊縫及熱影響區(qū)的沖擊性能。

表6 沖擊試驗Table 6 Impact test

4.4 硬度試驗

以SMAW焊接方法作為上表面，GTAW焊接方法作為下表面，按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》標準對焊接接頭進行硬度試驗，試驗結果如表7所示。從表7的數據可以得知，熱影響區(qū)的硬度高于母材以及焊縫，未出現其它淬火+回火鋼焊接熱影響區(qū)容易軟化的現象，最大熱處理后的硬度低于最小熱處理后的硬度，說明焊后熱處理時間的延長可以有效降低焊接接頭的硬度。

表7 硬度試驗HV10Table 7 Hardness test HV10

4.5 宏觀試驗

取焊接接頭截面制備宏觀試樣，試樣打磨拋光后，用5%硝酸酒精溶液侵蝕后，在電子顯微鏡下10倍放大觀察，焊縫金屬與母材熔合良好，無裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，見圖5。

4.6 顯微組織試驗

按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》標準進行顯微組織試驗，試樣經放大500倍后觀察，未見顯微裂紋及其他缺陷，SMAW和GTAW焊接方法熱影響區(qū)顯微組織為貝氏體+鐵素體，SMAW焊縫顯微組織為先共析鐵素體+針狀鐵素體+貝氏體，GTAW焊縫顯微組織為鐵素體+貝氏體，各位置的顯微組織照片如圖6所示。

(a)最小熱處理態(tài) (b)最大熱處理態(tài)

(a)SMAW熱影響區(qū) (b)SMAW焊縫 (c)GTAW熱影響區(qū) (d)GTAW熱影響區(qū)

5 結論

(1)通過對10Ni3MoVD鋼材料的力學性能及化學成分析、焊接性能分析，焊接過程中采取預熱、緩冷等工藝措施，避免了焊接冷裂紋以及影響韌性的淬硬組織產生。

(2)10Ni3MoVD鋼采用GTAW+SMAW焊接方法，選擇ER62-D2氬弧焊絲及E6215-N5M1P焊條焊接，焊接過程中嚴格控制焊接熱輸入量以及道間溫度，經過580℃±10℃的最小、最大熱處理后，均得到了滿足標準及工程技術規(guī)范要求的力學性能，10Ni3MoVD鋼焊接熱影響區(qū)未出現軟化現象。

(3)隨著焊后熱處理時間的延長，10Ni3MoVD鋼焊接接頭的抗拉強度和硬度會有一定程度的下降，焊后熱處理時間的延長對沖擊韌性沒有改善的作用。