09MnNiDR低温钢热成形焊接的工艺研究

■ 李艳霞，刘亮

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09MnNiDR低温钢板主要应用于石油、化工低温设备中。我单位承接了某大型乙二醇项目，其中包含的设备有：CO2吸收塔、CO2闪蒸塔、H2S吸收塔、再吸收塔等设备的制造。为了研究其焊接工艺，我们选择δ=65mm的母材进行试验，热处理状态为模拟热成形+正火（加速冷却）+回火+退火，为今后09MnNiDR低温钢热成形封头的焊接提供了有力的技术支撑。

表1 09MnNiDR低温钢的化学成分（质量分数） （%）

表2 09MnNiDR低温钢的力学性能

1. 09MnNiDR低温钢的焊接性

09MnNiDR低温钢为铁素体+少量珠光体型低温用钢。由于含碳量低，属于低合金结构钢，Mn、Ni为其主要合金。Mn主要是通过固溶强化来提高钢材的强度，而Ni能改善铁素体的低温韧性，并具有明显降低冷脆转变温度的作用。

根据国际焊接学会（ⅡW）推荐的碳当量公式计算CE=0.347%＜0.45%，淬硬倾向小，不易形成冷裂纹，焊缝具有较好的塑性和韧性，通常无需预热。当板厚超过一定的厚度、接头刚性拘束较大或碳当量偏高时，应考虑预热。但预热温度不要过高，否则会使热影响区晶粒长大，并在晶界析出氧化物。因此，焊接时应控制焊接热输入和层间温度，焊后还应进行消除应力的热处理。

09MnNiDR钢板的供货状态为正火+回火，材料化学成分、力学性能如表1、表2所示。

2. 09MnNiDR低温钢焊接工艺要点

（1）选择合适的焊接材料，低温钢可采用焊条电弧焊、气体保护焊和埋弧焊等进行焊接。焊接时保证焊缝和过热区低温韧性，是拟订低温钢焊接工艺的关键。

（2）合理设计接头的形式，降低接头的拘束度。

（3）清理坡口表面及坡口母材两侧30mm范围内的油污、氧化皮、铁锈等杂质，并对坡口进行100%磁粉检测，Ⅰ级合格。

（4）严格按照烘干说明烘干焊条和焊剂，使用时焊条放置于保温桶内，随用随取。

（5）焊前预热，严格控制道间温度。

（6）采用低热输入焊接方法和工艺，以缩小焊接接头过热区的宽度，限制晶粒长大。

（7）焊后立即后热处理，降低焊接接头拘束度，同时加快氢的逸出。

（8）合理选择热处理工艺，尽量缩短在敏感温度区间的保温时间。

表3 焊条W107DR（φ4.0mm）化学成分（质量分数）（%）

表4 焊丝H06Mn35DR（φ3.2mm）化学成分（质量分数）（%）

表5 焊接参数

表6 热处理工艺参数

图1

图2 热处理工艺曲线

3. 09MnNiDR低温钢热成形封头的焊接工艺特性

（1）焊接方法及母材的坡口形式 焊接方法：SMAW+SAW。焊接位置：平焊。母材的坡口形式如图1所示。

（2）焊接材料的选择 针对09MnNiDR低温钢的焊接性能及设备的工作特点，保证设备在低温条件下长期安全地运行。我们选用哈尔滨威尔焊接有限责任公司生产的 W107DR（φ4.0mm）焊条，使之与母材在Ni含量上高于母材，从而提高焊缝区的低温冲击韧性。同时为了提高焊缝金属的抗裂性，通常将焊接材料中的碳含量控制在低于母材，硫、磷含量控制在较低水平。埋弧焊焊丝和焊剂经过大量的试验，最终选择使用哈尔滨威尔焊接有限责任公司生产的H06Mn35DR（φ3.2mm）焊丝和SJ208DR焊剂。焊条和焊丝化学成分分别如表3、表4所示。

（3）焊接工艺要求 焊前清理坡口及坡口两侧30mm范围内的油污、氧化皮、铁锈等杂质，并打磨出金属光泽。焊前预热最小温度为80℃，最大道间温度为160℃，焊接参数如表5所示。

焊后立即进行消氢处理，温度为230～300℃、2h。然后按照NB/T47013对焊缝进行100%RT检测，Ⅰ级合格。

（4）焊后热处理 具体焊后热处理工艺参数如表6所示。热处理工艺曲线如图2所示。

（5）力学性能 力学性能检测所依据的标准有：NB/T47014 、GB/T228、 GB/T229、GB/T2653。使用的设备型号及名称分别为：WE-1000万能试验机、JB-300B冲击试验机、SBW-600弯曲试验机。经过一系列热处理之后的力学性能如表7所示，符合GB3531—2014《低温压力容器用钢板》标准要求，同时符合NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》标准要求。

表7 09MnNiDR低温钢热处理之后焊缝的力学性能

4. 结语

通过分析09MnNiDR低温钢的焊接性及焊接工艺评定，确定了合理的焊接参数和工艺措施，获得了良好的焊接力学性能。

此焊接工艺在多个低温塔器中成功应用，各方面性能均满足标准要求，为今后09MnNiDR低温钢热成形封头的焊接提供了重要依据。