液化石油气(LPG)储罐用钢焊接性研究-.pdf

现代焊接Modern Welding 年第 期 总第期现代焊接 作者简介牛全峰（1977-），男，硕士研究生学历，讲师, 专业带头人，主要研究方向焊接材料开发及焊接性研究。 ［摘要］ ［关键词］ 本文主要针对LPG低温储罐所用的07MnNiMoVDR钢材、焊接材料以及相应的焊接工艺等进行了试验研 究，试验内容包括焊接材料熔敷金属焊接试验、多道焊工艺对接试验、系列线能量埋弧焊工艺评定试验，为 07MnNiMoVDR钢的焊接提供了有价值的参考。 焊接性试验；LPG储罐；埋弧焊；多道焊；线能量 液 化 石 油 气 （LPG） 储 罐 用 钢 焊 接 性 研 究 恩施职业技术学院牛全峰刘辉杰 随着液化石油气（LPG）行业的 发展，LPG低温储罐的建设，越来越 引起人们的关注。目前，国内LPG低 温储罐大部分使用的是进口钢材，以 国产材料替代进口材料，将会大大降 低LPG低温储罐的成本。本研究主要 针对LPG低温储罐所用的07MnNiMo- VDR钢材、焊接材料以及相应的焊接 工艺等进行了试验研究，试验内容包 括焊接材料熔敷金属焊接试验、多道 焊工艺对接试验、系列线能量埋弧焊 工艺评定试验。试验标准按照散装 运输液化气体船舶构造与设备规范 （2005版）和中国船级社材料与焊 接规范（2006版）的有关要求进行。 试验用07MnNiMoVDR钢板，板厚 为26mm。焊剂为宝鸡市宇生焊材公司 生产的YS-SJ105Q烧结焊剂，焊丝为武 钢生产的埋弧焊丝WS03，直径4.0mm。 焊丝与钢板化学成分见表1，钢板力学 107MnNiMoVDR钢埋弧焊 焊接材料试验 1.1焊接材料选择 性能如表2所示。 熔敷金属焊接试验试板尺寸为 1.2焊接工艺选择 450mm400mm 26mm，多道焊工 艺对接焊试验试板尺寸为650mm 400mm26mm，焊接工艺条件及焊 接规范如表3所示。熔敷金属焊层图 如图1所示，多道焊工艺焊层图如图 2所示。 试样按中国船级社材料与焊接 规范（2006版）要求制备。焊接接 头拉伸试验依据标准为GB/T228-2002, 焊接接头冲击试验依据标准为GB/T229 -1994，弯曲试验依据标准为GB/T232 -1999。熔敷金属力学性能试验结果如 表4所示，多道焊工艺对接试验结果如 表5所示。 依照GB T 3对熔敷金属 1.3试验结果 品名 WS03 07MnNiMoVDR C 0.085 0.07 Si 0.061 0.25 Mn 1.84 1.42 P 0.012 0.017 S 0.006 0.009 Ni 0.35 0.35 Cr 0.20 Mo 0.26 0.19 V 0.03 表1焊丝与钢板化学成分wt 屈服强度 R （MPa） 590 eL 抗拉强度 R （MPa） 650 m 伸长率 A（） 22.0 弯曲试验 d＝3aθ＝180 完好 夏比V型缺口冲击试验 （- 40℃）A （J） 62139133111 K V 注划线数据为平均值，以下同。 表2钢板力学性能 试验方法 焊接电流 （A） 500 500 电弧电压 （V） 29 30 焊接速度 （cm/min） 40 40 线能量 （kJ/cm） 22 23 环境温度 （℃） 32 34 相对湿度 （％） 86 80 层间温度 （℃） ≤150 ≤150 熔敷金属试验 多道焊对接试验 表3焊接工艺及规范 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 图1熔敷金属焊层示意图 1 23 4 5 6 7 8 9 10 图多道焊工艺对接焊焊层示意图 Study on the weldability of steel used in LPG tank J-20108922 0 / 1 298- 1991 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 现代焊接Modern Welding 现代焊接年第 期 总第期 进行了金相组织分析，组织为先共析 铁素体针状铁素体，如图3所示。 对07MnNiMoVDR钢分别进行了 207MnNiMoVDR钢不同线 能量埋弧焊试验 30kJ/cm、35kJ/cm、40kJ/cm不同线能量 埋弧焊接试验，焊后均进行了560℃保 温，1.5h消除应力热处理。 钢板化学成分及力学性能分别如 表6和表7所示。 试板尺寸为600mm400mm38mm, 焊接试板第一道采用手工焊打底，焊 条牌号为武汉铁锚焊接材料股份有限 公司生产的直径为4mm的CJ607，手工 焊焊接电流为150A，电弧电压23V， 焊接速度为15cm/min。而后采用埋弧 焊进行焊接，反面采用刨床机械清根, 2.1钢板化学成分及力学性能 2.2埋弧焊工艺 然后完成整个试板的焊接。焊接工艺 及规范如表8所示，焊层示意图如图4 8所示。 屈服强度 R （MPa） 595 eL 抗拉强度 R （MPa） 625 m 延伸率 A（） 22.5 收缩率 Z（％） 70.5 夏比V型缺口冲击试验 温度（℃） -40 冲击功A （J） 107108123113 KV 表4熔敷金属力学性能结果 横向拉伸试验弯曲试验D4a，θ＝180 抗拉强度Rm（MPa） 665 断裂位置 焊缝断 正弯 完好 反弯 完好 夏比V型缺口冲击功AKV（- 40℃） （J） 124120123122 表5多道焊工艺焊接试验力学性能结果 图3金相组织 编号 1 2 3 4 5 C 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 Si 0.22 0.22 0.19 0.22 0.22 Mn 1.40 1.40 1.43 1.40 1.40 P 0.010 0.010 0.016 0.010 0.010 S 0.007 0.007 0.006 0.007 0.007 Ni 0.35 0.35 0.34 0.35 0.35 Cr 0.23 0.23 0.22 0.23 0.23 Mo 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 V 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 表6钢板化学成分（wt） 试板 编号 1 2 3 4 5 屈服强度 R （MPa） 605 605 575 605 605 e L 抗拉强度 R （MPa） 670 670 650 670 670 m 伸长率 A（） 20.0 20.0 22.0 20.0 20.0 弯曲试验 d3a θ180 完好 完好 完好 完好 完好 夏比V型缺口冲击试验 （-40℃）AJ 124108126119 150128142140 731196084 150128142140 124108126119 K V 表7钢板力学性能 试板 编号 1 2 3 4 5 线能量 （kJ/cm） 30 30 35 35 焊接电流 （A） 550 550 610 610 6 电弧电压 （V） 30 30 31 31 3 焊接速度 （cm/min） 33 33 32 32 环境温度 （℃） 34 20 30 20 3 相对湿度 （） 80 73 91 73 层间温度 （℃） ≤150 ≤150 ≤150 ≤150 ≤ 5 表8焊接工艺及规范 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 图41 焊层示意图 ＃ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 图52 焊层示意图 ＃ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 图63 焊层示意图 ＃ 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 13 14 图74 焊层示意图 ＃ 6 7 8 9 10 1 2 3 45 图5 焊层示意图 ＃ 2010892J-21 40201290911 0 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 现代焊接Modern Welding 年第 期 总第期现代焊接 试板 编号 线能量 kJ/cm 焊缝金属纵向拉伸试验 屈服强度 R MPa 590 520 565 545 590 e L 抗拉强度 R MPa 670 600 645 620 635 m 延伸率 A 19.5 24.5 20.0 24.5 16.5 收缩率 Z％ 63.5 72.0 73.0 68.0 68.0 V型缺口冲击试验（-40℃）AKVJ 焊缝熔合线 HAZ1.0mm 703610370 150 143 161 151 228314784 125896894 9396 140 110 1 2 3 4 5 30 30 35 35 40 表10焊缝金属纵向拉伸与夏比V型缺口冲击试验 1256110697 646516598 61 139 119 106 371486583 92587274 70494053 215 170 154 180 41414342 41312532 22383632 2.3热处理工艺 对焊接试板进行焊后消除应力热 处理，热处理技术条件为将试板自 由升温至300℃，以65℃/h的速度升温 至560℃，保温1.5h后以40℃/h的速度 降温至300℃，随炉冷却至200℃后空 冷至室温，热处理温度时间曲线图 如图9所示。 分别进行焊接接头横向拉伸试验、 侧弯试验、焊缝金属纵向拉伸试验以 及焊接接头冲击试验，试验结果分别 如表910所示。 2.4不同线能量埋弧焊工艺对接试 验结果 对1 、3 、5 三块试板焊接接头 表面下2mm和板厚中心分别进行了HV 维氏硬度试验，依据标准为GB/T4340.1 -1999，试验结果如表11所示，焊接接 头硬度分布曲线图如图1015所示。 ＃ 10 ＃＃ 试板 编号 线能量 （kJ/cm） 横向拉伸试验 抗拉强度Rm（MPa） 615 620 625 625 625 640 625 625 635 640 断裂位置 焊缝断 焊缝断 焊外16mm 焊外16mm 焊缝断 焊缝断 焊外22mm 焊外13mm 焊缝断 焊缝断 冷弯试验D4a，θ＝180 侧弯 完好 完好 完好 完好 完好 完好 完好 完好 完好 完好 1 2 3 4 5 30 30 35 35 40 表9焊接接头横向拉伸与侧弯试验 全焊缝断面硬度值（HV10） 237 226 234 230 240 237 231 234 207 179 179 192 211 224 214 218 215 207 209 209 207 209 207 202 199 199 204 198 201 193 189 179 195 225 249 226 227 229 229 225 229 228 230 225 235 247 244 242 243 247 245 243 241 234 191 174 185 214 231 228 219 207 209 209 208 206 208 205 208 213 209 209 209 210 202 203 201 206 202 198 188 181 193 214 231 227 223 222 227 223 223 237 233 229 232 227 217 191 175 175 181 187 202 214 208 212 201 203 207 207 205 208 206 200 209 207 201 197 194 198 196 193 183 177 181 191 205 207 231 53 试板编号 1 WS03YS-SJ105Q 5 WS03YS-SJ105Q 硬度部位 表层下2mm 3 WS03YS-SJ105Q 表层下2mm 板厚中心 板厚中心 表层下2mm 板厚中心 表11HV10硬度试验结果 600 500 400 300 200 100 0 时间/h 升温至 300℃ 65℃/h 560℃ 1.5h 40℃/h降温至300℃ 随炉冷却 至200℃ 04812162024 图9560℃热处理温度时间曲线图 62表面下2mm 280 240 200 160 120 80 40 024681012 基材HAZ焊缝 距离 mm/ 图101 表面下2mm硬度曲线 ＃ 280 240 200 160 120 80 40 0246810 距离 mm/ 62 板厚中心 基材HAZ 焊缝 图111 板厚中心硬度曲线 ＃ 65 表面下2mm 280 240 200 160 120 80 40 024681012 基材HAZ焊缝 距离mm/ - 21416 图123 表面下2mm硬度曲线 ＃ 280 240 200 160 120 80 40 0246810 距离mm/ 65 板厚中心 基材HAZ焊缝 图 33 板厚中心硬度曲线 ＃ J-201089222 221 212 211 21211 214 212171 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 现代焊接Modern Welding 现代焊接年第 期 总第期3 63 表面下2mm 280 240 200 160 120 80 40 024681012 基材HAZ焊缝 距离 mm/ 图145 表面下2mm硬度曲线 ＃ 图155 板厚中心硬度曲线 ＃ 280 240 200 160 120 80 40 024 6 810 距离mm/ 63 板厚中心 基材HAZ焊缝 3结束语 采用WS03焊丝与YS-SJ105Q焊剂 匹配，进行了07MnNiMoVDR钢埋弧焊 焊接材料与焊接工艺试验，得出结论 如下 3.1埋弧焊熔敷金属抗拉强度达到 625MPa，冲击功A （- 40℃）平均值 达到113J；多道焊工艺焊接接头抗拉 强度达到665MPa，正弯、反弯完好, 焊缝-40℃平均冲击功A 值达到122J。 所选用的焊接材料满足散装运输液 化气体船舶构造与设备规范（2005 KV KV 版）和中国船级社材料与焊接规范 （2006版）的技术条件要求。 3.2 系列线能量焊接试验表明，在30 kJ/cm线能量条件下，经焊后560℃消 除应力热处理，抗拉强度、侧弯性能 均合格，焊接接头焊缝、熔合线、热 影响区各个区域的冲击功A （-40℃） ≥53J，满足07MnNiMoVDR钢用于散装 运输液化气体船舶制造的焊接技术条 件要求。 [ 1]散装运输液化气体船舶构造与设备规范2005版. [ 2]中国船级社.材料与焊接规范2006版. 参考文献 KV 靠近焊缝侧熔合区的显微硬度最 低，这可能因为C的扩散速度比Cr快, C与Cr元素形成Cr的碳化物，使该区 域奥氏体中的Cr含量降低，导致其硬 度下降。焊缝内部高镍合金与18-8钢 母材混合，焊缝的碳含量高于18-8钢, 使奥氏体碳含量增加，但尚未析出碳 化物时，显微硬度最大。 3.1 高镍合金与18-8钢接头焊缝偏向 18-8钢侧，高镍合金与18-8钢两侧的 温度场分布不对称，薄板上温度场范 围大，温度高，熔池尺寸大；焊后冷 却过程中，18-8钢的冷却速度较快； 18-8钢薄板侧更容易产生变形。TIG焊 热循环过程中温度梯度较大，高温停 留时间短。 3不同温度下碳化物的稳定性从低 [14] 3结束语 到高大致为FeC、MoC、NbC、CrC、 TiC、Cr C，其中当温度在12501500K 时，CrC的稳定性高于TiC。熔合区的 热循环温度为室温1100℃，该温度范 围内Cr C的自由能最低，最易生成。 3.3 高镍合金侧熔合区石墨向周围奥 氏体扩散，使基体的显微硬度升高； 熔合区靠近焊缝侧形成Cr C，基体中 Cr含量降低，显微硬度降低；焊缝的 碳含量升高，但未析出碳化物时的显 微硬度最高。 373 236 7 236 236 参考文献 [1] Malik A. U., Basu S., Andijani I. N.et al. Corrosion of Ni-resist cast irons in sea water[ J]. British Corrosion Jou- nal, 1993, 128 3209216. [2] Thomas C.Spence, Donald R.Stickle. Corrosion Re- sistant Casting Alloy[ J]. Advanced Material and Process, 2002, 15154. [3] 李自军. 高镍奥氏体铸铁耐磨镶圈的可切削性分 析[J].中国铸造装备与技术, 2008,62932. [ ] 秦紫瑞,李隆盛,高文华 等 奥氏体镍铸铁的组织 与腐蚀性为研究[J].现代铸铁,1995,21722. [ 5] 中国机械工程学会铸造分会. 铸造手册[ M]. 北京 机械工业出版社,2002. 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