09MnNiDR焊接冲击韧性不合格原因分析

09MnNiDR被普遍用于-70℃以上低温环境的承压设备中，但目前很多焊接工程师反映09MnNiDR钢材的焊缝冲击韧性不稳定，冲击性能常常不能满足母材要求，这种问题的出现给很多焊接工程师带来困扰。你是否从遇到以下情况。
焊材验收合格，工艺评定不合格。
焊接工艺评定合格，产品试板不合格
薄板的焊接工艺评定合格，厚板的不合格。

本文对09MnNiDR焊接冲击韧性不合格原因进行总结，供焊接从业人员参考。



一、焊接稀释问题
在说焊接稀释之前我们先看一下09MnNiDR钢板焊接时所匹配的焊材型号。
这些焊材不是3.5Ni焊材就是2.5Ni焊材，而母材中Ni含量仅为0.30-0.80。受母材稀释影响，焊缝的Ni含量会大大降低。低温钢焊接中Ni含量高低直接影响着焊缝的冲击韧性。这就可以解释为什么焊材验收时冲击韧性合格而工艺评定不合格。
焊材和母材不能改变的情况下，为保证焊缝中Ni含量，降低焊接稀释，主要从根部焊道、焊接电参数、焊接操作这几个方面调整。此处举例说明：



1.根部焊道的稀释
根部焊道焊接时，根部坡口空间常常非常狭小，电弧需直接吹烧母材，母材熔化量较多，因此根部焊道受母材稀释最为严重，可达到40%以上，如图1红色部分所示。除根部焊道以外，仅涉及到侧部母材的稀释，稀释率会小的多。但第二、三层焊道的焊接空间也不是很大时，往往采用一层一道焊接，母材对其焊缝的稀释也会非常大。因此坡口设计的时候就应该考虑可以进行一层两道的坡口，来减少稀释。


图1：根部焊道稀释率大


为避免母材对根部焊道稀释过高的问题，可以采用稀释率低、焊接材料含Ni量高的焊接方法焊接，如氩弧焊。并适当的将根部间隙拉大，减少母材对焊缝的稀释，保证焊缝的化学成分；也可以采用背面清根的方式清除稀释率较大的焊道，然后将清根部分焊完，如图2。


2.焊接电参数对稀释的影响
焊接电流对稀释率的影响比较大，焊接电流越大熔深越深，稀释率越大。此外焊接速度、焊接电压、焊丝干伸长也会对稀释率有影响。



3.焊接操作
焊接过程中尽量使焊接电弧偏向上一道焊缝，应减少对母材的熔化，降低母材对焊缝的稀释，从而保证焊缝的化学成分。



二、线能量问题
应该说在很多文献中都提到了低温钢要采用较小的焊接线能量进行焊接。较小的线能量会使焊缝组织细小，对提高焊缝性能提高确有一定帮助。然而很小的线能量会影响焊道回火作用，一样会降低焊接接头的焊接冲击韧性，也就是说不是线能量越小越好。关于回火焊道对冲击韧性的影响见本文第三部分。



三、回火焊道问题
回火焊道对于多层多道焊缝提高焊接接头冲击韧性有很大的帮助，焊道回火作用可以减少焊缝中原始铸态组织的（见图3，粗大柱体晶区），从而提高焊接接头的冲击韧性。


分析图3，我们会发现增加焊缝中的重结晶细晶区面积，可以减少原始铸态组织的面积。当焊道截面固定时，增大重结晶细晶区厚度和边界长度，可以增加其面积，较少原始铸态组织的面积，因此应从以下方面考虑。

1.焊道形貌
避免“鼓”的焊道，要是确保形成扁平而“薄”的焊道。扁平而“薄”的焊道会使重结晶细晶区增加，原始铸态组织减少。焊接速度、焊接电流、焊接电压、预热都会影响焊道的轮廓。



2.预热
预热可以改变焊缝冷却过程中散热条件，使得后序道焊对前序焊道热作用范围更广，增加重结晶细晶区厚度，增大重结晶细晶区面积、减少原始铸态组织面积。此外预热提高了液态焊缝金属在高温停留时间，增加了铁水的流动时间，易于形成扁平而“薄”的焊道（见图4），增加焊道的回火作用。


图4.a：预热80℃，SAW，焊丝直径3.2mm，电流：425A，电压：30V焊接速度：44cm/min；
图4.b：预热室温℃，SAW，焊丝直径3.2mm，电流：425A，电压：30V焊接速度：44cm/min；



3.焊接速度
实验表明在其他参数不变的情况下，焊接速度越快焊道越“鼓”，即焊道厚度与焊道宽度比越大，焊接速度越快焊道冷却速度越快，焊道回火作用越差。此外焊接速度慢时又会使焊缝组织粗大影响焊缝性能，所以焊接速度并不是越快越好，也不是越慢越好。



4.焊接电流
焊接电流对冲击韧性的影响同样不是越大越好，也不是越小越好。焊接电流过大，焊缝组织粗大、熔深深、不容易形成“扁平的”焊道，焊道回火作用减弱。焊接电流过小，用于作用母材的热量少同样会减弱焊道回火作用，增加整个焊接接头中原始铸态组织区域。



5.板厚的影响
有很多人说的薄板（12mm以下）的焊接工艺评定合格了，但是我16mm以上的板用一样的参数没有合格为什么？
薄板焊接时，焊接热量不易被空气和钢板传递出去，回火焊道作用明显，原始铸态组织少，冲击韧性容易合格。（注意:如果焊接参数过大，薄板的焊接接头容易过热，组织粗大也会造成冲击韧性不合格）
厚板焊接时，如果采用与薄板一样的焊接参数，因厚板的散热条件好于薄板，回火作用会明显弱于薄板的焊接，所以在厚板焊接时，应通过调整焊接工艺增加厚板的焊接的焊道回火作用，比如预热，焊条操作时适当的焊接摆动、减慢焊接速度等。