0.   序言

近年来由于液化石油气(简称LPG)清洁环保、高能高效、成本经济等特点而备受各个行业的关注^[1-2]，对于贮存和运送LPG的低温储罐用量也逐年增加，LPG已成为道路运输部门能源组合的关键要素，关系着社会经济和环境效益.

09MnNiDR钢是国内目前−40 ~ −70 ℃工作环境中低温储罐制作的主要用钢，并以良好的低温韧性广泛应用于LPG储罐的建造中^[3]. 由于受到制造工艺技术条件限制，仍会发生低温储罐焊接接头破坏事故，致使安全运行周期缩短. 为确保储罐安全可靠地运行，焊接接头需具有足够的低温韧性，因此准确评价焊接接头的低温韧性对保证结构的安全性至关重要^[4]. 而焊接接头中，热影响区是性能最薄弱区域，对低温储罐的使用寿命起到重要的作用. 为了提高焊接热影响区低温韧性，获得强韧性较好的低碳马氏体和下贝氏体，通常采用焊前预热、控制热输入等措施^[5].

由于HAZ的宽度一般只有几毫米，并且包括性能和组织不同的区域，因此对HAZ这些特定区域进行力学性能试验或焊接性试验是比较困难的^[6]. 为使HAZ各区域放大，能够像大尺寸试样进行组织观察和性能试验，通常采用焊接热模拟技术.

采用焊接热模拟技术对09MnNiDR钢进行焊接热影响区模拟，利用焊接热模拟技术对热影响区“放大化”^[7]，进而分析经历热循环后，焊接热影响区组织和性能可能发生的变化及出现的问题^[8]，为制定合理的焊接工艺提供理论依据，指导实际生产.

1.   试验方法

试验材料为09MnNiDR钢，供货状态为正火，显微组织为铁素体+珠光体，如图1所示，化学成分及力学性能分别见表1和表2.

图  1  09MnNiDR钢原始组织形貌

Figure  1.  Original microstructure of 09MnNiDR steel

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表  1  09MnNiDR的化学成分(质量分数，%)

Table  1.  Chemical composition of 09MnNiDR

类别	C	Si	Mn	S	P	Ni	Nb	Al
标准值	≤ 0.12	0.15 ~ 0.5	1.2 ~ 1.6	≤ 0.012	≤ 0.025	0.3 ~ 0.8	≤ 0.04	≥ 0.02
实测值	0.09	0.39	1.42	0.009	0.012	0.46	0.012	0.048

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表  2  09MnNiDR的力学性能

Table  2.  Mechanical properties of 09MnNiDR

类别	热处理状态	屈服强度 Rp0.2/MPa	抗拉强度 Rm/MPa	断后伸长率 A(%)	冲击吸收能量 AKV/J(−70 ℃)
标准值	正火	≥ 280	430 ~ 560	≥ 23	≥ 34
实测值		395	510	34.5	112

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热模拟试验设备为Gleeble- 3800，热模拟试件尺寸为80 mm × 11 mm × 11 mm. 焊接热循环参数如表3所示，首先采用1 350 ℃焊接热循环峰值温度制备热影响区粗晶区(CGHAZ)，随后采用750 ℃作为二次焊接热循环峰值温度对粗晶区进行二次热模拟，制备中间临界再热粗晶区(IRCGHAZ)，热输入分别为15，22和30 kJ/cm，层间温度分别为100，125和150 ℃. 将热模拟后的试样加工成尺寸为55 mm × 10 mm × 10 mm的冲击标准试样，试样缺口轴线为板厚方向，进行低温冲击韧性(−70 ℃)试验，并分析其显微组织.

表  3  09MnNiDR钢热模拟试验参数

Table  3.  Thermal simulation parameters of 09MnNiDR steel

编号	层间温度Tc/℃	热输入E/(kJ·cm−1)	峰值温度Tm/℃
			CGHAZ	IRCGHAZ
1	100	15	1 350	1 350+750
2	100	30
3	150	15
4	150	30
5	125	22

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以焊接热模拟为依据，进行实际焊接. 板材为300 mm × 200 mm × 25 mm规格的试板，焊前清理. 焊条选用低氢钠型W707Ni焊条，其化学成分见表4. 试验焊接参数见表5. 采用X形坡口(带钝边)，坡口形式及焊接顺序如图2所示. 首先用断弧焊进行打底，其次利用小焊接热输入并且应用多层多道焊接方法，层间温度要控制在150 ℃左右. 考虑安全可靠性以及易操作两方面，设定其热处理规范为600 ℃ ± 20 ℃较为合理，如图3所示. 分别对焊接接头进行显微组织分析、−70 ℃低温冲击试验和拉伸试验以及焊接接头硬度试验.

图  2  焊接坡口形式(mm)

Figure  2.  Groove form of weld

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图  3  09MnNiDR钢焊后热处理工艺曲线

Figure  3.  Post weld heat-treatment curve of 09MnNiDR steel

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表  4  W707Ni焊条熔敷金属化学成分(质量分数，%)

Table  4.  Chemical composition of W707Ni

类别	C	Si	Mn	S	P	Ni
成分范围	≤ 0.12	≤ 0.60	≤ 1.25	≤ 0.035	≤ 0.035	2.00 ~ 2.75
实测值	0.048	0.26	0.86	0.012	0.008	2.56

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表  5  09MnNiDR钢焊接参数

Table  5.  Welding parameters of 09MnNiDR steel

道次	焊条直径d/mm	电流I/A	电压U/V	焊接速度 v/(cm·min−1)	焊接热输入 Q/(kJ·cm−1)
1 ~ 2	3.2	127	24	7.5	19.5
3 ~ 6		103	22	7	15.5
7 ~ 12		102	23	7	16.1

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2.   试验结果及分析

2.1   热模拟组织与性能分析

2.1.1   CGHAZ的组织变化

经历单道次热循环模拟后，晶粒出现严重粗化现象，随着热输入E和层间温度T_c的改变，CGHAZ的组织形貌也发生相应的改变，见图4.

图  4  不同参数下CGHAZ区的组织

Figure  4.  Microstructure of CGHAZ at different parameters. (a) T_c = 100 ℃, E = 15 kJ/cm; (b) T_c = 100 ℃, E = 30 kJ/cm; (c) T_c = 150 ℃, E = 15 kJ/cm; (d) T_c = 150 ℃, E = 30 kJ/cm; (e) T_c = 125 ℃, E = 22 kJ/cm

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在相同层间温度下，当热输入E = 30 kJ/cm时，CGHAZ的组织形态会出现板条马氏体+上贝氏体的组合. 在连续冷却条件下，上贝氏体的增加导致低温韧性下降；当热输入为E = 22 kJ/cm时，显微组织为板条状马氏体+针状铁素体. 由于连锁结构的针状铁素体能够阻止裂纹的扩展，因此低温韧性提高；当热输入E = 15 kJ/cm时，其组织形态为板条状马氏体+下贝氏体. 下贝氏体的存在分割了原奥氏体晶粒，致使板条状马氏体有了更多的形核位置，限制了其自身的生长，提高了低温冲击韧性^[9]. 因此，推荐热输入E范围15 ~ 22 kJ/cm，且尽量选择小的热输入.

热输入相同，层间温度不同，热模拟后CGHAZ的组织形态也不同. 当层间温度T_c = 100 ℃时，显微组织以M-A组元+上贝氏体为主，焊接热影响区有脆化倾向；当层间温度T_c = 125 ℃时，显微组织主要是板条状马氏体+针状铁素体；层间温度T_c = 150 ℃时，主要的组织是下贝氏体+板条马氏体，有利于提高低温韧性. 因此，在焊接09MnNiDR钢时要推荐的层间温度范围为125 ~ 150 ℃.

2.1.2   IRCGHAZ的组织变化

由于CGHAZ的组织由板条马氏体或贝氏体等非平衡相组成，而这些组织大多由奥氏体{111}₁面产生切变而生成，并保持着母相的K-S的位相关系. 当经历二次热循环峰值温度时，为了降低相变阻力，奥氏体形核与结晶学有序组织在密排面和密排方向上保持平行. 这种有取向性形核的结果，造成了组织遗传现象^[10]. 因此，IRCGHAZ继续保持了CGHAZ的组织.

2.1.3   性能变化

在一定热循环参数下，CGHAZ和IRCGHAZ的低温冲击吸收能量值有一定的差距，且IRCGHAZ的冲击吸收能量值高于CGHAZ的冲击吸收能量值，如表6所示. 当层间温度一定时，热输入越小冲击吸收能量值高，低温韧性显著提高. 而热输入相同时，层间温度越高，韧性越好. 主要是因为层间温度较高时，自回火作用增强，热影响区的硬度下降，而韧性得到了提高. 热输入增加，组织的晶粒尺寸增大，导致低温韧性降低. 而IRCGHAZ是经过二次热模拟后得到的，此过程相当于实际中的多层焊接. 当二次热循环峰值温度介于A_C1 ~ A_C3时，CGHAZ组织发生部分奥氏体化，使IRCGHAZ晶粒得到细化，冲击韧性提高. 因此，在实际焊接中推荐采用小的热输入、高的层间温度以及多层焊接.

表  6  热影响区(−70 ℃)冲击吸收能量

Table  6.  Impact energy of HAZ(−70 ℃)

热输入E/(kJ·cm−1)	层间温度Tc/℃	冲击吸收能量AKV/J
		CGHAZ	ICCGHAZ
15	100	32.5	35.1
30	100	27.9	32.7
15	150	50.4	65.1
30	150	34.7	39.2
22	125	38.9	43.4

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硬度试验结果表明(表7)，层间温度不变，焊接热输入越小，热影响区的硬度值越低；热输入相同时，层间温度越高，热影响区的硬度值越高. 由于焊接热循环引起的组织强化，热影响区的硬度高于母材硬度. CGHAZ和IRCGHAZ的硬度基本相近，这是因为CGHAZ的组织主要以板条马氏体和贝氏体为主. 而IRCGHAZ只是小部分发生相变，晶粒大小和化学成分不均匀，由于组织遗传现象其组织基本不变. 由此得知，09MnNiDR钢焊接热影响区不会产生软化现象. 在保证低温韧性的前提下，宜采用较高的层间温度和较小的热输入进行焊接.

表  7  热影响区硬度值

Table  7.  Hardness of HAZ

热输入E/(kJ·cm−1)	层间温度Tc/℃	硬度H(HV)
		CGHAZ	IRCGHAZ
15	100	192.9	187.4
30	100	223.9	214.7
15	150	207.4	197.0
30	150	230.5	223.2
22	125	217.6	198.9

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2.2   焊接热影响组织与性能分析

2.2.1   显微组织

焊接热影响区组织如图5所示，其中细晶区组织为铁素体+珠光体，因为该区域被加热到Ac₃以上，组织细小均匀，故其综合力学性能较好，是接头中性能最好的区域；混晶区室温组织为条状铁素体+针状铁素体+珠光体+块状铁素体，低温韧性低于细晶区但优于粗晶区；而粗晶区组织以铁素体+珠光体+粒状贝氏体为主. 此区晶粒粗大，联生结晶现象明显，晶粒生长形式呈长柱状. 粒状贝氏体硬度高，在载荷作用，相邻铁素体薄层中引发裂纹而使韧性下降. 所以粗晶区是单道焊热循环热影响区中性能薄弱区域. 采用的多层多道焊由于热输入不同可使焊缝晶粒变小，即减小了柱状晶长成的范围，达到晶粒细化的目的，增强了焊缝低温韧性.

图  5  热影响区组织形态

Figure  5.  Microstructure of HAZ

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2.2.2   焊接接头性能分析

焊缝区和热影响区在−70 ℃的低温冲击试验中冲击吸收能量平均值分别为176 和101 J(远高于国家标准规定的34 J)，断面纤维率分别为52%和51%，在−70 ℃明显表现为韧性.

图6为焊缝区冲击试样在−70 ℃下的SEM形貌，从图中可以观察到断口形貌由撕裂韧窝和等轴韧窝组成，具有一定的韧性. 热影响区冲击断口可观察到大量的撕裂韧窝及少量的等轴韧窝，表现出解理断裂的特征，冲击韧性略低于焊缝区，如图7所示.

图  6  焊缝冲击试样在−70 ℃下SEM断口形貌

Figure  6.  SEM photos of welded joint impact sample at −70 ℃

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图  7  热影响区冲击试样在−70 ℃下SEM断口形貌

Figure  7.  SEM photos of HAZ impact sample at −70 ℃

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焊接接头硬度试验结果如图8所示，硬度值与距焊缝中心的位置呈“M”形. 母材、焊缝、热影响区的硬度值依次增大. 主要是由于热影响区组织中存在的粒状贝氏体具有着较高的硬度. 而焊缝显微组织中有侧板条状马氏体，不仅具有较高的强度，还具有良好的韧性.

图  8  硬度与焊缝中心距离关系图

Figure  8.  Relation of hardness and distance to welded joint center

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焊接接头在−70 ℃低温拉伸试验结果见表8，09MnNiDR钢的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均高于表2中规定的标准值，且均断裂在母材处. 焊接接头的塑性和韧性优于母材，采用焊接工艺合理.

表  8  09MnNiDR钢(−70 ℃)拉伸试验结果

Table  8.  Result of tensile test for 09MnNiDR steel(−70 ℃)

抗拉强度平均值Rm/MPa	屈服强度平均值Rp0.2/MPa	断后伸长率平均值A(%)
607	477	28.5

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3.   结论

(1)经过不同焊接热循环参数焊接热模拟后CGHAZ组织类型主要为针状铁素体、贝氏体、板条状马氏体和珠光体. 由于组织遗传现象，IRCGHAZ继续保持了CGHAZ的组织. 采用焊接热输入15 ~ 22 J/cm，层间温度125 ~ 150 ℃，热影响区获得良好的低温韧性. IRCGHAZ区的低温韧性优于CGHAZ区的低温韧性，而硬度略低于CGHAZ区，但不会发生软化现象.

(2) 09MnNiDR钢采用焊接热输入15 ~ 22 J/cm、层间温度为150 ℃的工艺参数进行焊接，焊后焊缝的显微组织以铁素体为主，热影响区粗晶区为块状铁素体+珠光体+粒状贝氏体；−70 ℃低温冲击试验，热影响区的冲击韧性略低于焊缝的冲击韧性，但热影响的冲击吸收能量值远高于国家标准规定的34 J；−70 ℃低温拉伸试验结果表明焊接接头强度、塑性和韧性优于母材；硬度值与距焊缝中心的位置呈“M”形. 热影响区、焊缝、母材的硬度值依次增大.