20MnMoNb 锻板与0Cr18Ni11Ti的焊接工艺研究

2020-05-01康建强邵光娟刘宝剑顾伟伟

设备管理与维修 2020年5期

康建强，邵光娟，刘宝剑，顾伟伟

（1.南京三方化工设备监理有限公司，江苏南京 210036；2.青岛兰石重型机械设备有限公司，山东青岛 266000；3.上海华谊装备工程有限公司，上海 201400）

0 引言

低合金锻件20MnMoNb 主要应用于石油、化工、电站锅炉等行业，在锅炉汽包制造中应用最为广泛。20MnMoNb 焊接性较差，焊接过程中非常容易产生缺陷[1-2]。奥氏体不锈钢在石油、化工、海洋开发、国防工业和一些尖端科学技术中都有广泛应用，其中，0Cr18Ni11Ti 为航空器、锅炉汽包等方面应用最广的奥氏体不锈钢[3]。

某高压汽包设备存在20MnMoNb 与0Cr18Ni11Ti 的异种钢焊接结构，为保证焊接质量，对这种两种钢焊条电弧焊的焊接工艺性进行研究，并按照NB/T 47014—2011《承压设备用焊接工艺评定》要求完成焊接工艺评定。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验的低合金材料为锻板20MnMoNb，试件规格为150 mm×800 mm×40 mm，其化学成分及力学性能见表1、表2。

表1 20MnMoNb 化学成分 %

表2 20MnMoNb 力学性能要求

试验的奥氏体不锈钢材料为钢板0Cr18Ni11Ti，试件规格为150 mm×800 mm×40 mm，其化学成分及力学性能见表3、表4。

1.2 制定焊接工艺方案

按NB/T 47015—2011《压力容器焊接规程》采用焊条E309-16（规格Φ4.0 mm）进行焊接（表5）。采用等离子气刨清根，清除未焊透等焊接缺陷，使用打磨机磨掉刨槽内外的熔渣及氧化层，试验采用的坡口形式为V 形（图1）。

表3 0Cr18Ni11Ti 化学成分

表4 0Cr18Ni11Ti 力学性能要求

表5 试件焊接工艺参数

1.3 无损检测

按照 NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》第2、5 部分，分别对焊接试件进行射线检测和渗透检测并合格。

图1 焊接坡口

1.4 焊后热处理

按NB/T 47015—2011 及设备技术要求对焊接试件进行焊后热处理，热处理温度及保温时间（610±10）℃×2.5 h，装炉温度≤400 ℃，升、降温速度≤60 ℃/h，试件随炉冷至400 ℃以下出炉空冷。

2 实验结果与分析

2.1 焊接试件拉伸试验

垂直于焊缝方向按GB/T 228—2010《金属材料拉伸试验方法》截取焊接接头常温拉伸矩形试样2 件和焊接接头350 ℃高温拉伸圆形试样1 件，试样结果见表6。对比表4、表6 数据：焊接接头常温抗拉强度满足0Cr18Ni11Ti 常温抗拉强度要求值；焊接接头350 ℃高温屈服强度满足0Cr18Ni11Ti 高温屈服强度要求值[4]，因此该焊接接头350 ℃高温拉伸满足标准要求。

表6 力学性能试验数据

2.2 焊接试件冲击试验

按GB/T 229—2007《金属材料夏比冲击摆锤试验方法》在20MnMoNb 侧母材及其热影响区（HAZ）区截取10 mm×10 mm×55 mm 的标准冲击试样进行0 ℃冲击实验，试验结果见表6。20MnMoNbIII 侧母材及其HAZ 的0 ℃冲击结果均满足≥47 J的标准要求，HAZ 冲击值明显低于母材侧。

2.3 焊接试件硬度试验

按GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验》对焊接接头进行硬度检测（图2～图3）。

由图2、图3 可知，20MnMoNb 侧HAZ 区硬度值明显高于其他区域，这是由于20MnMoNb 与0Cr18Ni11Ti 焊接采用奥氏体不锈钢焊条E309-16，焊接过程因碳迁移引起碳元素从20MnMoNb母材区向焊缝区聚集[5]，导致20MnMoNb 侧HAZ 硬度升高，韧性降低。这与表6 中冲击试验的结果相互印证。

2.4 焊接试件弯曲试验

图2 硬度检测位置

图3 硬度检测结果

垂直于焊缝方向按GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》截取侧弯试样4 件进行常温108°弯曲实验。4 件均合格。

2.5 焊接试件宏观金相试验

按GB/T 226—2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》对焊接试件沿横向切取的1 个试样，经王水溶液冷酸腐蚀后，在20 倍放大镜下观察，横向受检面未出现裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透等焊接缺欠（图4）。

2.6 焊接试件金相组织试验

按GB/T 13298—1991《金属显微组织检验方法》对焊接接头进行微观金相分析，显微组织如图5 所示。其中，20MnMoNb母材及其HAZ 区组织均为索氏体，焊缝区、0Cr18Ni11Ti 母材及其HAZ 区组织均为奥氏体和少量铁素体，3 个区域奥氏体形态差别较大，焊缝区奥氏体为树枝晶结构颗，0Cr18Ni11Ti 侧HAZ区奥氏体组织形态不一致，0Cr18Ni11Ti 侧母材区奥氏体组织均匀，形态正常。