10Ni3MoVD低温钢锻件焊接工艺研究

刘玉祥

(森松(江苏)重工有限公司上海分公司，上海201323)

10Ni3MoVD低温钢锻件(以下简称10Ni3MoVD钢)是20世纪80年代初，原金州重型机器厂为匹配日本N-TUF490钢板而研制的配套锻件，在乙烯球罐装置上得到了大量的应用[1-2]，但在化工压力容器上很少使用。LDPE装置中的高压氮气罐以往设计选材采用20MnMoD钢锻件[3-4]，但20MnMoD钢仅能用于-40℃以上的工况，无法满足更低温度的工况条件，且相对于10Ni3MoVD钢，20MnMoD钢锻件强度低，在相同的设计压力下，需要更大壁厚的材料制造，增加了成本，因此国内高压氮气罐开始采用10Ni3MoVD材料进行设计制造，可满足更低的设计温度、更高的设计压力。

1 10Ni3MoVD钢介绍

1.1 化学成分及力学性能

10Ni3MoVD钢为热处理强化的低温合金钢锻件，供货状态为淬火加回火。10Ni3MoVD钢满足NB/T 47009—2017《低温承压设备用合金钢锻件》标准的要求，其化学成分及力学性能如表1、表2所示。

表1 10Ni3MoVD钢化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of 10Ni3MoVD steel(mass fraction,%)

表2 10Ni3MoVD钢力学性能Table 2 Mechanical properties of 10Ni3MoVD steel

1.2 化学成分分析

10Ni3MoVD钢的化学成分主要由C、Ni、Mn、Mo、Si等元素组成。C可提高钢的抗拉强度、屈服强度和硬度，但会使钢的塑性、韧性降低，为了保证良好的低温韧性，C的含量必须控制在0.12%以下。Ni具有细化晶粒的作用，提高钢的冲击韧性，Ni可使钢的等温转变曲线移向右下方，相变速度减小，降低临界淬火速度，提高淬透性。Mn在钢中主要起固溶强化作用，它可以弥补C含量减少而产生的强度下降。Mn与S结合形成MnS，可减小S在钢中的有害作用。钢中的Mn/C比越大，韧性越好，所以降低C的含量，提高Mn/C比，可以获得较低的脆性转变温度。Mo能增加过冷奥氏体的稳定性，促进中温贝氏体转变，可以提高钢的淬透性及抗回火性。Si在淬火+回火钢中，增加钢的淬透性，提高钢的强度并具有一定的耐回火性，但是过高的Si会降低钢的冲击韧性[5-7]。综上所述，10Ni3MoVD钢通过对C、Ni、Mn、Mo、Si元素成分比例合理的调配，经淬火+回火热处理后，获得以回火索氏体为主+贝氏体+少量铁素体基体组织的高强度低温钢。

2 焊接性能分析

2.1 冷裂纹

冷裂纹形成的原因主要是基于焊接冷却速度过快，产生淬硬组织，以及焊缝中的残余氢扩散聚集，在焊接残余应力的作用下产生开裂。根据碳当量CE对10Ni3MoVD钢冷裂纹敏感性进行评估，根据表1中的试验材料化学成分，按照公式(1)计算碳当量。计算后，10Ni3MoVD钢的CE约0.52%，当CE大于0.45%时，说明材料的焊接淬硬倾向大，因此10Ni3MoVD钢焊接具有一定的冷裂纹倾向。10Ni3MoVD焊接过程中应采取预热措施，通过预热达到消氢的目的，并减缓冷却速度，降低冷裂纹倾向。同时，对10Ni3MoVD钢焊后立即进行250～300℃×(2～3)h的缓冷处理，进一步消除焊缝的氢，减小冷裂纹产生的几率。

(1)

2.2 热裂纹

焊接热裂纹产生的主要原因为焊接熔池凝固结晶时，在液相与固相并存的温度区间，由于结晶偏析和在焊接收缩应力的作用下，焊缝金属沿一次结晶的晶界形成裂纹[8]。对10Ni3MoVD钢按照热裂纹敏感性指数HCI评判其热裂纹敏感性，由表1中的试验材料化学成分按照公式(2)计算，计算结果为HCI=5.022，当热裂纹敏感性指数HCI大于15时，热裂纹比较敏感，因此10Ni3MoVD钢对热裂纹不敏感。

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

(2)

2.3 焊接低温性能

低温冲击韧性是低温钢焊接重要合格指标之一，低温钢焊缝、热影响区冲击吸收能量经常出现较大幅度波动的现象，冲击吸收能量数值两高一低的情况时常发生[9]。焊接热输入量对低温韧性影响较大，焊接时需要严格控制焊接热输入量，避免热输入量过大，造成焊缝及热影响区组织粗大，降低冲击韧性。对于10Ni3MoVD钢的焊接，预热除了是避免冷裂纹产生的工艺措施之外，更重要的作用是，减缓冷却速度，避免产生韧性较差的淬硬组织，降低冲击韧性。道间温度对冲击韧性也有很大的影响，过高的道间温度，将会造成焊缝高温停留时间过长，给焊接组织长大提供了时间，因此焊接过程中要控制好道间温度。材料焊接过程中，无论如何控制热输入量，热影响区的晶粒均会有一定程度的长大，降低冲击韧性。为了更好的保证焊接热影响区的冲击韧性，对10Ni3MoVD钢的晶粒度提出了要求，原材料晶粒度级别≥6级。

3 焊接试验

3.1 坡口加工

试验采用的10Ni3MoVD钢试板厚度78 mm，试板规格为125 mm×600 mm，试板数量4块，共2副试板，坡口形式如图1所示。为了保证坡口精度与质量，坡口采用机械加工的方法加工，坡口加工后进行100%MT-I级检测，确保坡口无任何缺陷。

图1 坡口形式Figure 1 Groove type

3.2 试板的焊接

试板焊接采用GTAW和SMAW组合焊接方法，GTAW焊接厚度30 mm，SMAW焊接厚度48 mm，焊接位置为平焊。试板焊前采用电加热方式进行整体预热，每副试板上布置2支热电偶，数显温度电箱对其进行控温，预热温度150℃。为了防止试板焊接变形，试板先采用GTAW焊接方法焊接，GTAW焊接10 mm后,翻身另一面进行SMAW焊接，焊接厚度16 mm，如此交替三次翻身焊接，直至焊接结束。试板焊接采用直线焊道焊接，并多层多道焊，每一道焊缝焊后，采用可接触式测温枪进行测温，焊接道间温度不大于200℃，试板焊接后立即进行(250～300)℃×2 h缓冷处理。GTAW采用ER62-D2氩弧焊丝，SMAW采用E6215-N5M1P焊条，焊条按厂家推荐的烘干温度进行烘干，焊条领用时采用保温筒进行保温，试板具体焊接规范参数见表3所示。

表3 焊接规范参数Table 3 Welding specification parameters

3.3 无损检测

试板焊接后及热处理24 h后按照NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》标准进行100%MT-I级、100%UT-I级、100%RT-II级检测，检测结果均合格。

3.4 试板的热处理

按照客户工程技术规范的要求，10Ni3MoVD钢焊后热处理温度为580℃±10℃，而NB/T 47015—2011《压力容器焊接规程》标准中要求的最低热处理温度为600℃，因此对10Ni3MoVD钢580℃±10℃热处理温度的保温时间，按照NB/T 47015标准中表6的要求采取延长保温时间的热处理方案。按照标准中表6的要求计算，78 mm厚的材料在580℃热处理温度下最短保温时间为165 min，将该保温时间作为最小焊后热处理。考虑到产品热处理后可能存在返修或产品服役后出现返修的情况，又进行了580℃±10℃×360 min的热处理，将该保温时间作为最大焊后热处理。2副试板分别进行最小、最大热处理，具体的热处理工艺曲线如图2、图3所示。

图2 最小焊后热处理Figure 2 Minimum post weld heat treatment

图3 最大焊后热处理Figure 3 Maximum post weld heat treatment

4 理化试验

焊接试板按照NB/T 47014《承压设备焊接工艺评定》—2011标准进行横向板状拉伸、侧向弯曲试验、-50℃冲击试验，并补充了硬度、宏观金相试验、显微组织试验。

4.1 拉伸试验

每种热处理状态的试板取2个拉伸试样，但由于试板厚度较厚，拉伸试验机能力受限，无法进行全厚度的拉伸试验，故拉伸试样在厚度方向等分2片试样，具体拉伸试验结果如表4所示。

从表4试验数据看，抗拉强度的结果均在标准范围之内，最大焊后热处理的抗拉强度略低于最小焊后热处理的抗拉强度，可见随着焊后热处理时间的延长，10Ni3MoVD钢焊接接头抗拉强度趋于下降的趋势。

表4 拉伸试验结果Table 4 Tensile test results

4.2 弯曲试验

按照标准，每种热处理状态的试板取4个侧向弯曲试样，弯曲试验结果如表5所示。弯曲试验的合格，证明焊接接头致密性良好，且具有一定的塑性变形能力。

表5 弯曲试验Table 5 Bending test

4.3 冲击试验

以SMAW焊接方法作为冲击取样的上表面，GTAW焊接方法作为冲击取样的下表面，对上下表面焊缝及其热影响区取样进行冲击试验，考虑到厚板材料厚度中心T/2位置往往性能较差，又在T/2位置增加了焊缝和热影响区的取样，具体冲击试验结果如表6所示。由表6可见，冲击吸收能量的数值均高于母材80 J的要求，冲击吸收能量也未出现特别明显的两高一低的波动现象，且还有一定的裕量。冲击吸收能量是由消耗试样弹性变形的弹性功、直至产生裂纹前的塑性变形产生的塑性功和裂纹产生并扩展至断裂的撕裂功三部分组成，对于高强钢而言，其弹性功所占的比例较大，塑性功和撕裂功相对较小[10]，单纯的以冲击吸收能量数值来衡量焊接接头的韧性是不够全面的，因此对冲击试样进行了侧向膨胀量检测和纤维断口百分比检测，表6数据中的侧向膨胀量均大于工程技术规范要求的0.53 mm，纤维断口百分比均在50%以上，进一步证明冲击性能的良好。从表6的数据综合来看，最小热处理态与最大热处理状态的冲击结果基本相当，热处理时间的延长并不能提高10Ni3MoVD钢焊缝及热影响区的冲击性能。

表6 冲击试验Table 6 Impact test

4.4 硬度试验

以SMAW焊接方法作为上表面，GTAW焊接方法作为下表面，按照GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》标准对焊接接头进行硬度试验，试验结果如表7所示。从表7的数据可以得知，热影响区的硬度高于母材以及焊缝，未出现其它淬火+回火钢焊接热影响区容易软化的现象，最大热处理后的硬度低于最小热处理后的硬度，说明焊后热处理时间的延长可以有效降低焊接接头的硬度。

表7 硬度试验HV10Table 7 Hardness test HV10

4.5 宏观试验

取焊接接头截面制备宏观试样，试样打磨抛光后，用5%硝酸酒精溶液侵蚀后，在电子显微镜下10倍放大观察，焊缝金属与母材熔合良好，无裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，见图5。

4.6 显微组织试验

按照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》标准进行显微组织试验，试样经放大500倍后观察，未见显微裂纹及其他缺陷，SMAW和GTAW焊接方法热影响区显微组织为贝氏体+铁素体，SMAW焊缝显微组织为先共析铁素体+针状铁素体+贝氏体，GTAW焊缝显微组织为铁素体+贝氏体，各位置的显微组织照片如图6所示。

(a)最小热处理态 (b)最大热处理态

(a)SMAW热影响区 (b)SMAW焊缝 (c)GTAW热影响区 (d)GTAW热影响区

5 结论

(1)通过对10Ni3MoVD钢材料的力学性能及化学成分析、焊接性能分析，焊接过程中采取预热、缓冷等工艺措施，避免了焊接冷裂纹以及影响韧性的淬硬组织产生。

(2)10Ni3MoVD钢采用GTAW+SMAW焊接方法，选择ER62-D2氩弧焊丝及E6215-N5M1P焊条焊接，焊接过程中严格控制焊接热输入量以及道间温度，经过580℃±10℃的最小、最大热处理后，均得到了满足标准及工程技术规范要求的力学性能，10Ni3MoVD钢焊接热影响区未出现软化现象。

(3)随着焊后热处理时间的延长，10Ni3MoVD钢焊接接头的抗拉强度和硬度会有一定程度的下降，焊后热处理时间的延长对冲击韧性没有改善的作用。