【正文】 鋼及其化學(xué)成分和力學(xué)性能 18 試驗用鋼09MnNiDR的焊接性試驗 18 09MnNiDR焊接接頭力學(xué)性能試驗 22 09MnNiDR焊接接頭的斷裂性能試驗 22 09MnNiDR焊接接頭金相及硬度試驗 26第4章 09MnNiDR焊接接頭試驗結(jié)果及分析 27 09MnNiDR的焊接性試驗 27 09MnNiDR焊接接頭斷裂性能試驗 29 09MnNiDR焊接接頭破壞性試驗 32 09MnNiDR焊接的綜合工藝評定 36結(jié) 論 38參考文獻(xiàn) 39致 謝 40第1章 緒論 低溫儲罐在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用所謂“低溫用鋼”指的是在10℃溫度以下使用的鋼材。20世紀(jì)60年代液化氣的需求量大增，%鎳鋼相匹敵的鋁鎮(zhèn)靜鋼或熱處理的低鎳鋼進(jìn)行了大量的研發(fā)開發(fā)。液化丙烷(LPG)及液化天然氣(LNG)的沸點非常低，它們的貯藏及輸送裝備必須用低溫韌性優(yōu)良的材料來制造。從162℃的液化天然氣(LNG的主要成分是甲烷)到196℃的液化氮氣則廣泛使用鋁合金及wNi為9%的鎳鋼等。管道輸送不僅只適用于大批量的輸送，而且建造時間長以及成本比較高都成為管道發(fā)展的一個瓶頸。1998中被推薦為低溫用鋼[2]。這樣，在我國只有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計溫度大于等于70℃的低溫用材料，當(dāng)設(shè)計溫度低于70℃時就必須選用價格較貴的國外材料或不銹鋼材料了。無鎳低溫鋼的使用溫度在60℃以上，有鎳低溫鋼、不銹鋼及鋁合金的使用溫度可達(dá)到196℃以下。09MnNiDR 鋼板的技術(shù)條件已處于國際領(lǐng)先水平。本次研究在調(diào)研國內(nèi)外低溫儲罐所使用的鋼材、焊材的基礎(chǔ)上，國產(chǎn) 09MnNiDR性能進(jìn)行對比試驗、研究。鋁合金的使用范圍一般作為低溫液體的生產(chǎn)、儲存和運輸容器，以及宇宙飛船和火箭結(jié)構(gòu)中液體燃料和氧化劑的油箱材料。按合金元素和組織的不同可分為低合金鐵素體鋼、中合金低碳馬氏體鋼和高合金奧氏體鋼。表21鎳元素對于低溫鋼板的低溫韌性影響國別標(biāo)準(zhǔn)號鎳含量(%)沖擊試驗溫度(℃)沖擊功吸收最小值(J)日本JISG3217～7021～10121～15035 注：以上三種板材厚度均為6～50mm，同時熱處理狀態(tài)均為正火狀態(tài)。%Ni鋼、%Ni鋼、%%Ni鋼幾種，使用溫度在50～100℃以上，該種鋼主要用于建設(shè)液化石油氣儲罐，%Ni鋼。9Ni鋼在液化天然氣沸點162℃甚至更低的196℃液氮溫度下都不發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變且韌性好、強(qiáng)度高，已成為制造LNG儲罐最主要的材料。CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15當(dāng)實行這一選擇時，%，%。建設(shè)LPG低溫儲罐的常用國產(chǎn)材料是碳錳硅類鋼，由于受到生產(chǎn)等因素的影響，就目前使用情況來看一般用于建設(shè)常溫下的LPG儲罐和50℃以上的低溫儲罐，這類鋼主要指09MnNiDR、15MnV、15MnVR、CF62(07MnNiCrMoVDR)和16MnR(WH510)[5]。16MnR(WH510)的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求見表2表25。這也是本次低溫儲罐綜合研究選取09MnNiDR鋼板替代進(jìn)口鋼板的重要原因之一。就低溫焊條來講，比利時焊接工作者發(fā)現(xiàn)，焊接過程完成以后，由于母材金屬對于填充金屬的稀釋作用使得接頭的整體力學(xué)性能受到一定影響，直流焊接時存在磁偏吹現(xiàn)象，應(yīng)采取交流焊接，同時使得焊縫金屬無論在常溫或者196℃情況下均保持奧氏體組織，從而保證了焊縫金屬的熱膨脹系數(shù)與所用母材接近，常規(guī)力學(xué)性能和夏比沖擊韌性值均超過母材，并且焊縫金屬熔合線附近沒有削弱的現(xiàn)象。表28國外部分低溫鋼焊接材料熔敷金屬化學(xué)成分焊條牌號化學(xué)成分(%)CMnSiPSNi日本神鋼NB1日本神鋼NB2日本日鋼N11法國沙福N55——德國TENACITO70B——瑞典 OK表29國外部分低溫鋼焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能焊條牌號σs(Mpa)σb(Mpa)δ5(%)溫度(℃)沖擊吸收功(J)日本神鋼NB15306203050130日本神鋼NB25006103060120日本日鐵N11548610316094美國林肯LN8018C1545600236067法國沙福N555406202660110德國TENACITO70B440520246070瑞典 OK5206102660105最近幾年，國內(nèi)焊接研究人員已經(jīng)開始著手研究低溫儲罐技術(shù)，其中包括低溫儲罐使用的埋弧焊焊接材料及焊縫低溫韌性研究。當(dāng)環(huán)境溫度較60℃低時，應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行系列試驗，以評定其各項性能指標(biāo)是否符合該環(huán)境的使用要求。因此，低溫儲罐用鋼的焊接性與高強(qiáng)度鋼的焊接性是相通的。焊縫金屬是被焊接熱加熱熔化了的母材和填充材料經(jīng)過化學(xué)冶金反應(yīng)后，冷卻凝固的鑄造組織；而熱影響區(qū)則是靠近焊縫金屬，由于熱傳導(dǎo)作用、與焊縫處于不同距離、經(jīng)歷不同熱循環(huán)、或者說被加熱到不同溫度的母材金屬。這個區(qū)域的熱循環(huán)特點是加熱溫度高、冷卻速度快；組織特點是晶粒粗大、淬透性強(qiáng)；性能特點是硬度大、韌性低、韌脆性轉(zhuǎn)變溫度高、易產(chǎn)生各種裂紋(包括延遲裂紋、低塑性裂紋、液化裂紋、再熱裂紋、剝離裂紋及層狀撕裂等)?？偠灾?，最終影響焊縫金屬缺口韌性的還是焊接金屬的組織最為重要[9]。它涉及的過程十分復(fù)雜，根據(jù)與焊縫金屬距離的遠(yuǎn)近，最高加熱溫度是從母材金屬的熔點一直到室溫。從表212可以看到，焊接熱影響區(qū)被加熱到最高溫度的粗晶區(qū)是整個焊接熱影響區(qū)的韌性最差的區(qū)域，在熱處理過程中對材料有影響的主要是加熱溫度、保溫時間及冷卻速度。在焊縫金屬產(chǎn)生的有：弧坑裂紋、熱裂紋、縱向裂紋、橫向裂紋；焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生的冷裂紋有：焊道下裂紋、根部裂紋、焊趾裂紋等。其中焊接熱裂紋包括焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)在高溫下產(chǎn)生的裂紋。所謂氫致延遲裂紋，就是由于氫氣的存在而發(fā)生的具有延遲特征的裂紋，這種延遲可以在焊后幾分鐘至幾天后發(fā)生，可以在晶內(nèi)，也可以在晶界發(fā)生。 低溫儲罐焊接工藝方法一般來說，低溫鋼在焊接方法與普通低碳鋼的方法一樣，可以應(yīng)用各種熔焊、壓焊、釬焊等各種焊接方法，但是，最常見的還是焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、鎢極氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊[12]。鎢極氬弧焊能保證焊接接頭具有較高的質(zhì)量，生產(chǎn)率低，成本較高[13]。%Ni鋼單面焊返修工藝為例，說明坡口角度對于焊縫低溫沖擊韌性的影響，具體影響見表213。這主要是因為留下的滲碳體進(jìn)入焊縫,促使碳偏析而使Mn和C比例失調(diào),導(dǎo)致C與Fe結(jié)合形成碳化物,增加了鋼的脆性[14]。預(yù)熱、層間溫度對焊接接頭低溫性能的影響見表214，焊接熱輸入對低溫韌性的影響見表215。表216 焊后預(yù)熱PWHT對焊接接頭低溫性能的影響焊后熱處理焊態(tài)550℃空冷625℃空冷625℃爐冷100℃的沖擊吸收功(J)由于外加磁場和電流本身產(chǎn)生的磁場作用，在進(jìn)行9%Ni鋼焊接過程中一般會出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象，磁偏吹力的大小受到外加磁場和電流本身產(chǎn)生磁場的電磁力影響，同時還決定于母材的剩磁強(qiáng)度大小。在焊完一層焊道后，測量焊縫的各點剩磁強(qiáng)度，若超過規(guī)定指標(biāo)則應(yīng)采取去磁措施。焊接冷裂紋及焊接接頭脆性的共同影響因素是焊接熱循環(huán)，而焊接熱循環(huán)的重要參數(shù)是焊接接頭的冷卻時間，而影響冷卻時間的因素有板厚、焊接形式、坡口形式、焊接區(qū)氣體、環(huán)境溫度、焊接方法、預(yù)熱和層間溫度、焊接參數(shù)等。對防止焊接裂紋要確定一個焊接熱輸入的下限值，實際上是確定一個臨界冷卻時間；而為防止焊接接頭脆化，則要確定一個焊接熱輸入的上限值。該式的t8/5即為臨界冷卻時間。不過，多層焊時，如果焊接順序安排及層間間隔時間安排妥當(dāng)，也可以收到既能防止焊接裂紋又能防止焊接接頭脆化的雙重效果。預(yù)熱和后熱的加熱方式有氣體加熱、紅外線加熱器加熱、電阻加熱及感應(yīng)加熱等[18]。圖22 后熱溫度及保溫時間對焊接接頭吸收擴(kuò)散氫的擴(kuò)散逸出的影響在多層焊的時候，若在產(chǎn)生焊接冷裂紋之前就焊接下一層，則是對上一層進(jìn)行了再加熱，這就使產(chǎn)生冷裂紋的危險大大減少。所以，采用預(yù)熱和后熱，尤其是后熱是十分必要的。預(yù)熱和后熱溫度(包括層間溫度)都由操作者自己控制，一般將其控制在已定的上、下限溫度之間。低溫用儲罐是用于儲存溫度較低且壓力較大的液化氣體，因此對焊接缺陷的研究是必不可少的。4. 材質(zhì)不均勻：如化學(xué)成分及組織上的不均勻等，又分為宏觀和微觀兩方面。其中，應(yīng)力集中和變形集中對冷裂紋、液化裂紋、再熱裂紋、韌性、疲勞性能、應(yīng)力腐蝕裂紋、腐蝕疲勞、氫脆、蠕變及熱疲勞都有重要的影響。因此在制造過程中應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于焊接缺陷的尺寸、形狀、位置及分布狀態(tài)復(fù)雜多樣，氣孔等三維缺陷和焊接裂紋等二維缺陷用非破壞試驗方法及其他適當(dāng)?shù)姆椒ǖ臋z出能力有限，而且從負(fù)載條件、環(huán)境條件對使用性能的影響上也有限。組織為鐵素體+少量珠光體，最低使用溫度為70℃。評定鋼材焊接性的試驗方法很多,本課題采用以下幾種試驗對該鋼種的焊接性進(jìn)行研究。由于是低溫鋼，防止結(jié)構(gòu)的低溫脆性斷裂是最重要的要求，因此，其低溫缺口韌度也就是最重要的使用性能，而且也是焊接接頭應(yīng)該滿足的性能，已為公認(rèn)的是低溫缺口夏比沖擊吸收功要不低于20ft試件的形狀如圖31所示。圖31 試件的形狀表33 焊接工藝參數(shù)焊條型號焊條直徑(mm)焊接電流(A)焊接電壓(V)焊接速度(cm/min)MKW707DR150～16028～2910～15圖32 試驗焊縫的位置試驗焊縫為雙面焊接，應(yīng)事先焊好，注意防止角變形和未焊透。焊條電弧焊焊接工藝大致如下：1. 在0℃以上環(huán)境一般不需要預(yù)熱，需要預(yù)熱時，可以預(yù)熱100℃。5. 為了防止晶粒粗大，而危害低溫韌性，應(yīng)采取小焊接熱輸入焊接。7. 坡口加工及背面情根和道間清理時宜用砂輪打磨，不宜用碳弧氣刨，以免增碳而危害低溫韌性。本試驗對國產(chǎn)材料 09MnNiDR 進(jìn)行了堆焊試驗。試驗點位置見圖34，焊接條件見表34。試板尺寸按美國ASME Ⅸ標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定制備[21]。 09MnNiDR焊接接頭的斷裂性能試驗 09MnNiDR焊接接頭沖擊試驗在室溫、30℃、45℃、60℃下進(jìn)行系列沖擊試驗，試驗采用 V型缺口。試樣的尺寸和偏差應(yīng)符合圖35 的規(guī)定。圖36 試樣缺口方向示意圖圖37 開在焊縫的缺口位置圖38 開在熱影響區(qū)的缺口位置 注：試樣缺口軸線至試樣縱軸與熔合線交點的距離 09MnNiDR焊接接頭COD試驗COD試驗是指彈塑性體受Ⅰ型(張開型)載荷時，原始裂紋部位張開位移的簡稱。產(chǎn)生脆性失穩(wěn)斷裂或突進(jìn)行為之前已發(fā)生穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展所對應(yīng)的COD值稱為脆性失穩(wěn)COD值，符號δu。然后進(jìn)行三點彎曲加載，記錄PV曲線。其中圖39(a)中試件的厚度為B，寬度為W=2B，加載跨距：S=4W，平均裂紋長度：a=()W；圖39(b)中的試件厚度B，寬度為W=B，加載跨距為S=4W，平均裂紋長度為 a=()W。試驗在多功能落錘試驗機(jī)上進(jìn)行,沖擊能量 1100J。熔合區(qū)試樣見圖311；熱影響區(qū)試樣見圖312。在機(jī)械拋光后，常常還需要細(xì)致精拋。該鋼的碳當(dāng)量≤%，淬硬傾向小，不易形成冷裂紋，焊縫具有較好的塑性和韌性。所以該厚度板材焊接時應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)熱；厚板多層焊時，要控制層間溫度，以防止裂紋的產(chǎn)生。. 熱影響區(qū)最高硬度試驗熱影響區(qū)最高硬度試驗，試驗數(shù)據(jù)見表 4圖 42。09MnNiDR 鋼HAZ 最高硬度為228HV，表明該鋼種的淬硬傾向不大。一般認(rèn)為，這種能量轉(zhuǎn)變主要取決于裂紋產(chǎn)生和裂紋開始擴(kuò)展時缺口根部的塑性變形量，當(dāng)塑性變形較小時，需要較小的沖擊功，而變形較大時，則需要較大的沖擊功。當(dāng)溫度在15℃以上時，09MnNiDR的沖擊韌性幾乎沒有多大的變化；而當(dāng)溫度低于15℃時，09MnNiDR焊縫的沖擊韌性迅速下降，但當(dāng)溫度低于30℃時，焊縫的沖擊韌性又有所緩慢的上升。圖44 焊接接頭的COD值和沖擊功的關(guān)系試驗數(shù)據(jù)分析：線彈性斷裂力學(xué)成功地解決了某些高強(qiáng)材料的斷裂問題，而對于焊接結(jié)構(gòu)大量采用的中、低強(qiáng)度鋼來說，全面屈服斷裂力學(xué)應(yīng)用較為普遍。焊接接頭的沖擊功與溫度的關(guān)系δI，簡稱為COD值。 落錘試驗落錘試驗結(jié)果如表46所示。表47 焊接接頭力學(xué)實驗結(jié)果焊接方法焊接材料接頭橫向拉伸接頭彎曲試驗(d=4a)σb/MPa斷裂位置類型彎曲角斷裂長度焊條電弧焊MKW707DR焊條528母材側(cè)彎180176。根據(jù)圖313所示，位置①～⑤和⑥～⑩是相對應(yīng)的，所以在這里我們只列出位置①～⑤的金相組織以及熱影響區(qū)和母材的金相組織。由此可見，09MnNiDR 焊條電弧焊焊接接頭，焊縫組織為鐵素體+貝氏體，熱影響區(qū)組織為針狀鐵素體+珠光體，母材組織為鐵素體+珠光體。(2) 驗證施焊單位所擬訂的焊接工藝指導(dǎo)書是否正確。而本文主要是通過對低溫儲罐用鋼09MnNiDR鋼進(jìn)行手工電弧焊焊接，通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)以使其達(dá)到最好的焊接效果以便能用于儲存液態(tài)天然氣，并且通過焊接后的焊接接頭進(jìn)行各種力學(xué)試驗和金相組織的分析便得到了如表49所示的09MnNiDR鋼的焊接工藝評定報告。(2) 09MnNiDR 焊接接頭的低溫力學(xué)性能試驗結(jié)果為: 70℃拉伸試驗都斷在母材上。母材組織為鐵素體+珠光體；焊縫組織為鐵素體+貝氏體；熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織為粗大鐵素體+珠光體，細(xì)晶區(qū)為細(xì)小鐵素體+珠光體。從論文的開題到完成都傾注了導(dǎo)師的大量的精力和