16MnDR焊接性分析
低温钢16MnDR大型矩形截面结构焊接工艺及焊接变形
孙 东华
张桃
帅龙飞
（ 四川省工业设备安装公 司 四川绵阳 ６ ０ ３ ） １０ １
摘
要 ： 由于大型矩形框 架结构纵横 向跨度 大、截 面大等特点 ，焊接后 的焊接 变形复杂且难校正。低 温钢 由于其钢 种 的特殊性 ，在 焊接 工 艺和控 制焊接 变形上加 大 了难度 。只有科 学 、合理地运 用焊接工 艺及相 关技术措
施 ，才能有效地控制其焊接质 量及 焊接 变形 。
关键词 ：低温钢
焊接工艺 焊接 变形
中图分类 号：Ｔ ４ ９ Ｇ ０
文献标识码 ：Ｂ
文章编号：１０ — ６ ７（ ０ ２ １０ ４ — ３ ０ ２ ３ ０ ２ １ ）０— ０ ２０
前言
本工程采用低温钢１Ｍ Ｄ 作 为主材 ，主要结构形式 ６ｎ Ｒ 为大型矩形截面结构与圆筒结构形 式，几何尺寸 的保证
１ 材料分析 ．
本工程使用主材 为低合金低温用钢 １Ｍ Ｄ 。低合金 ６ ｎＲ
低温用钢一般是通过合金元 素的固溶强化 、晶粒细化， 通过正火或正火加回火处理 以细化组织 晶粒 ，从而获得 良好 的低温韧性 。下面为低温钢 １Ｍ Ｄ 的化学成分、力 ６ｎＲ 学性能、工艺性能 （ 见表 １ 、表２ ）：
量低 ，硫 、磷又 限制在较低 范围内，其淬硬倾 向和冷裂
图１焊条 电弧焊
图２二氧化碳气体保护焊
４ ２
２１年 第 ｌ ０２ 期
便
仅
小
ｌ ｌ ▲ Ｌｎ １Ｉ ｕ
本工程选用焊接材料及规格见下表３ ：
表３焊接材 料及规格
焊接方法
ｃ ０气体保护焊 焊条 电弧焊
母材过渡。 装配用定位铁和锲子除去后光滑。 返修焊补工艺的制定与施
16mndr低温钢标准
16mndr低温钢标准摘要：1.低温钢概述2.16MnDr低温钢的性能特点3.16MnDr低温钢的应用领域4.16MnDr低温钢的制造与加工5.16MnDr低温钢的焊接技术6.16MnDr低温钢的检验与质量控制7.我国16MnDr低温钢标准的发展现状与展望正文：一、低温钢概述低温钢是指在-196℃以下的低温环境下，具有良好力学性能和耐低温腐蚀的钢材。
低温钢主要应用于液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）、乙烯、丙烯等低温设备的制造。
二、16MnDr低温钢的性能特点16MnDr低温钢是我国自主研发的一种低温钢，具有以下性能特点：1.良好的低温韧性：16MnDr在-196℃以下的低温环境下，具有良好的低温韧性，抗拉强度≥485MPa，断裂韧性KIC≥60MPa·m1/2。
2.较高的强度：在常温下，16MnDr钢的抗拉强度为485-650MPa，屈服强度为295-360MPa。
3.良好的耐腐蚀性能：16MnDr低温钢在低温环境下，具有较低的腐蚀速率，适用于各种低温腐蚀环境。
4.良好的焊接性能：16MnDr低温钢具有较高的焊接性能，可采用各种焊接方法进行焊接。
三、16MnDr低温钢的应用领域16MnDr低温钢广泛应用于液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）、乙烯、丙烯等低温设备的制造，如储罐、管道、阀门等。
四、16MnDr低温钢的制造与加工16MnDr低温钢的制造与加工要求较高，需要严格控制冶炼、轧制、热处理等工艺参数，以确保钢板的低温性能。
五、16MnDr低温钢的焊接技术16MnDr低温钢的焊接技术要求较高，应采用合适的焊接工艺和焊接材料，以保证焊接接头的低温性能和力学性能。
六、16MnDr低温钢的检验与质量控制为确保16MnDr低温钢的质量，应进行全面的检验，包括化学成分、力学性能、低温韧性、焊接性能等。
七、我国16MnDr低温钢标准的发展现状与展望我国16MnDr低温钢标准逐渐完善，目前已有相应的国家标准和行业标准。
低温压力容器用钢板16MnDR的力学及焊接性能试验研究
拉伸 、 冷弯 试验 ， 有厚 度规 格钢板 都分别 取全 板 所 厚试样 和 圆棒试 样 ， 有 全板 的板 状 试 样 。拉 伸试 样 加 工 成 标 距 为 ５ｍ
５ ｍ、 径为 １ 的 圆棒 试样 。所 有 试 样 均 ０ｍ 直 ０ｍｍ
连铸一 铸坯 下线 清 理 冷 检一 ３ ５ ０ ｍ 轧 机 轧 制 ０ ｍ
连铸 坯 轧制 而 成 的 ，轧 制 的钢 板 厚 度 分 别 为 １ ６ ｍ ３ Ｔ和 ５ ｍ。钢板 经过 了正 火热 处理 。 ｍ、２ｍｌ Ｉ ０ｍ
一 正火一 探 伤一 检查 一 入库 。
・
２ ２・
宽厚 板
第ｌ ６卷
２ 力学 性能试 验
为横 向取 样 。为 了解 钢板 厚度 方 向不 同部位 的拉
伸性 能 ， ３ ｍ、０ ｍ 厚 钢 板进 行 了 Ｔ ４和 对 ２ｍ ５ ｍ ／
２ １ 拉伸 试验 ．
对 １ ６ｍｍ、２ｍｍ和 ５ ｍ 厚钢 板 分别 进 行 ３ ０ｍ
Ｔ ２部位 取 样 。拉 伸 试 验 按 照 Ｇ ／ ２８—２０ ／ Ｂ Ｔ２ ０２
在焊 接后 ，焊接 热影 响 区 的低 温韧 性 随 焊接 工 艺
力学 性 能要求 分 别见表 １和表 ２ 。
表 １ １Ｍ ｎ Ｒ 钢 板 化 学 成 分 ／ ６ Ｄ ％
Ｃ Ｍｎ Ｓ ｉ Ｓ Ｐ Ａｌ ｓ
参数 的不 同而 有 一定 的 、 至 较 明显 的 降 低 ，因 甚
此 ， 温钢 板 的焊 接 性 能 对 使 用 单 位 来 说 也 是 至 低
关重要 的。
≤０２ 】２ ．０ Ｏ～】 ６ Ｏ １ ～Ｏ． ０ ≤０． ２ ．Ｏ ．５ ５ ０ ５ ≤０． ２５ ≥ ０ ０ ５ ０ ． １
16MnDR焊接再热裂纹原因分析及预防措施_0
16MnDR焊接再热裂纹原因分析及预防措施摘要本文通过对某天然气管道工程过滤器16MnDR壳体纵缝裂纹宏观形貌、母材及焊缝金属化学成分、焊接及热处理工艺参数等相关因素进行调查分析，提出16MnDR焊接再热裂纹的形成原因及预防措施。
关键词16MnDR；再热裂纹；焊接0 引言国内某天然气长输管道项目压气站的一台过滤器于2009年12月投入运行，2013年6月在地方技术质量监督部门进行的定期监检时发现，筒体一条纵缝存在多处表面裂纹。
我公司受业主委托对对裂纹原因进行调查并提出预防措施。
调查人员通过对裂纹宏观形貌检测、壳体母材及焊缝金属化学成分分析，对制造过程重要工序焊接、热处理、无损检测等原始记录的审核，最终确定该焊缝裂纹为焊后热处理再热裂纹。
1 调查过程调查人员经过对裂纹焊缝的UT和MT无损探伤检测，发现裂纹均发生在过滤器壳体一侧纵缝的焊趾处，呈表面开放状纵向裂纹，深度0mm~26mm不等，累计长度1m左右。
审核该设备出厂文件，筒体钢板材质为16MnDR，厚度56mm，纵缝焊接方法为埋弧自动焊，X型坡口对接，焊丝牌号H10Mn2，规格φ4.0，焊剂SJ101。
施焊时环境温度20℃~26℃，相对湿度39%~48%，焊接电流450A~520A，电压34 V~38V，层间温度100℃~150℃，上述参数均在焊接工艺评定范围内，但施焊记录中缺少焊接速度和预热温度两个重要参数。
此工艺为16MnDR钢的成熟焊接工艺，已经过多年实践检验，审核该纵缝原始射线探伤底片和评片记录，一次探伤有3处焊道未熔合缺陷，二次探伤底片未发现超标缺陷，表明该裂纹的是在制造厂无损检测之后产生的缺陷。
审核出厂文件中的焊后热处理记录，设备进炉温度、升温速度、热处理温度、保温时间、炉内冷却温度、出炉空冷温度等参数均符合GB150-1998标准“10.4.5焊后热处理方法”的相关要求，但炉内升温和降温速度分别只有45.8℃/h和19.09℃/h，均低于标准规定的炉内升温、降温最低速度参数（最小可为50℃/h），特别是炉内冷却速度明显偏低。
16mndr成分
16mndr成分16MnDR，是指用于制造压力容器的一种低合金高强度钢板，具有良好的耐蚀性和高温强度。
下面将从不同角度介绍16MnDR钢板的特点和应用。
一、16MnDR钢板的化学成分和力学性能16MnDR钢板的化学成分主要包括碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)等元素。
其力学性能包括抗拉强度、屈服强度、延伸率等指标。
根据不同规格和要求，16MnDR钢板的化学成分和力学性能可以有所差异。
二、16MnDR钢板的耐蚀性16MnDR钢板具有良好的耐蚀性，可以在各种环境下长期稳定使用。
特别是在高温、高压的情况下，16MnDR钢板表现出较好的耐蚀性能，能够有效抵御氧化、腐蚀等因素的侵蚀。
三、16MnDR钢板的高温强度16MnDR钢板具有较高的高温强度，能够在高温条件下承受较大的压力和负荷。
这使得16MnDR钢板成为制造高温容器的理想材料，广泛应用于石油、化工、电力等行业中的高温设备制造领域。
四、16MnDR钢板的应用领域16MnDR钢板主要用于制造压力容器，如锅炉、储罐、反应器等。
这些压力容器广泛应用于石油化工、核电站、食品加工等工业领域。
由于16MnDR钢板具有良好的耐蚀性和高温强度，能够满足各种严苛的工作条件要求，因此被广泛应用于各种压力容器的制造。
五、16MnDR钢板的加工和焊接性能16MnDR钢板具有良好的加工性能，可以通过冷加工、热加工等方式进行成型和加工。
同时，16MnDR钢板也具有良好的焊接性能，可以通过常规焊接方法进行焊接，如电弧焊、气体保护焊等。
这使得16MnDR钢板在制造压力容器时能够满足不同形状和尺寸的要求。
六、16MnDR钢板的质量控制在16MnDR钢板的生产过程中，需要进行严格的质量控制，以确保产品的质量和性能符合要求。
这包括原材料的选择、生产工艺的控制、产品的检验等方面。
通过严格的质量控制，可以保证16MnDR钢板具有稳定的化学成分和良好的力学性能。
16MnDR钢板是一种具有良好耐蚀性和高温强度的钢板，广泛应用于压力容器制造领域。
16MnDR厚钢板焊接裂纹的分析与处理
定 位 焊 Ｓ Ｗ Ｊ０ Ｒ 反 １０～１Ｏ ０ ２ １ ～ｌ ＭＡ ５７ Ｈ ７ ８ ２ ～２ ２ ３
Ｈ１ Ｍ ｎ ０ ２
正 １
Ｓ Ｗ Ａ
Ｓ １ Ｊ０１
反 ６ ０—６ ０ ２ — ４ ５ — ８ ３ — ３
５ ～５ ２ ４
用 Ｓ ＡＷ 打 底 焊 一 层 ，改 变坡 口形 状 。建 议 坡 口 Ｍ
纹 ，Ｒ 检 测 一 次 合 格 率 １ ０ ，从 而 保 证 了产 品 按 Ｔ ０％
质 按时 完 成 。
为 熔 池 最后 结 晶时 没 有 液态 金 属 及时 补 充 ，于 是 就
形 成 了 裂纹 。 由于 产 生 结 晶裂 纹最 根 本 的 原 因是 熔
３ 结 语 ． １Ｍｎ 材料 尽 管 焊 接性 良好 ，产 生裂 纹 的 可 ６ ＤＲ
表２ 焊接参数
层次 焊接方法 焊接材料 极性 焊接 电流 电弧电压 焊接速 度
｜ Ｋ ／ Ｖ ／ｍ ・ ｉ。 ｃ ｍ ｎ
口钝 边 过 厚 ，焊 接 时 为 增 加 熔 深 采 用 了过 大 的 电
流 ；二 是 由于 正 面坡 口过 深 ，焊 缝 的 成 形 系数 过 小 使 焊 缝 结 晶有 利 于 裂 纹 的 形 成 ， 为 增 加 成 形 系 数 ，将 Ｖ形坡 口改 为 Ｕ形 坡 口 ，由于 坡 口的加 工 是 气 割 加 工 的 （ 有 刨 边 机 ） ， 只有 在 Ｖ形 坡 口内 没
16MnDR厚钢板焊接工艺及接头性能探讨
抗拉强度 Rm / MPa
屈服强度 ReL / MPa
伸长率 A/%
180°弯曲试验 弯心直径
温度/ ℃
冲击试验 冲击吸收能量 / J
515
365
38
3a
-40
101
120
126
460~590
≥285
≥21
3a
-40
≥34
由表 2 和表 3 可知，焊接试件母材的 Si 含量适 量，适量的 Si 对钢材的塑性和冲击韧性无不良影响， 过量的 Si 会导致钢材塑性和冲击韧性降低。Mn 含量 较高，有利于提高钢材的低温冲击韧性。P、S 含量 非常低，有利于提高钢材的抗热裂纹、冷裂纹能力。 按照国际焊接学会推荐的碳当量计算公式计算得到 的碳当量 CE = 0.40，焊接性能良好，室温下焊接不会 产生冷裂纹。焊接试件母材的塑性和低温冲击韧性指 标非常好，远远高于标准值，也给焊接接头的冲击试 验提供了一定的储备。
4 焊接接头检验
图2 热处理工艺曲线 Fig. 2 Heat treatment cycle curve
4.1 射线检验 热处理后的焊接试件经过目视检测，表面无
可见缺陷，然后进行 100% 射线检测，检测标准 JB/T 4730.2，合格级别Ⅱ级，底片质量等级不低 于 AB 级。
4.2 力学性能检验 在焊接试件上按 NB/T 47014[13] 的规定取样，取
1 焊接性分析
16MnDR 属于低合金铁素体低温钢，是在优质 Si-Mn 钢 的 基 础 上， 加 入 少 量 Nb、V、Ti、Al、Cu
收稿日期 ：2015-07-20 作者简介 ：熊从贵（1982—），男，重庆市云阳县人，工程师。从
事压力管道设计安装、压力容器设计制造、制造和高 效换热器研究及技术质量管理工作。
16MnDR钢低温压力容器焊接接头缺陷原因分析
2020年第5期热加工62果。
罐体外壁有油漆保护，油漆完整，外壁及底座均未见腐蚀、变形等现象。
所有接头内壁均未发现有腐蚀痕迹，焊缝亦未发现有咬边、密集气孔、夹渣及裂纹等缺陷。
a）焊缝内壁b）焊缝内壁图3 缺陷部位内壁情况（3）金相检测图4为正常部位处的焊缝组织情况。
母材组织基本上为铁素体及呈带状和块状分布的珠光体，焊缝组织为贝氏体+铁素体，大部分铁素体沿柱状晶界析出，晶内有细小针状铁素体和粒状贝氏体。
图5~图7为缺陷接头处的金相检测情况。
接头处存在两处裂纹缺陷，裂纹位于打底焊道底部位置，此处处于焊接热循环反复加热的部位，裂纹大体沿熔合线平行扩展，在未混合熔化区有非金属夹杂物重熔后产生的球滴状物质和显微孔穴，为典型的焊缝金属液化裂纹[6]。
a) 母材 b) 底部焊缝c) 中部焊缝 d) 根部焊缝图4 接头正常处金相检验a) 细长裂纹 b) 短裂纹图5 裂纹a) 弯形未熔合 b) 直形未熔合图6 未熔合a) 小气孔 b) 大气孔图7 气孔（4）硬度检测图8为接头的硬度试验位置和试验结果。
结果表明：焊接接头显微硬度较为均图1 焊接坡口图2 热处理工艺2020年第5期热加工63匀，未见明显异常情况。
a) 显微硬度试验位置b）焊接接头硬度图8 缺陷接头显微硬度检测结果（5）微观观察和能谱分析图9和图10为裂纹打开后的微观观察和能谱分析结果。
打开后的断口整体上可见不连续的裂纹形貌，断口呈现树枝晶形貌特征，断口上有液相沿晶界面凝固的痕迹，为典型的焊缝金属液化裂纹特征。
能谱分析结果表明：裂纹内部含有低熔点的S元素。
a) 图5a裂纹形貌b) 图5b裂纹形貌图9 裂纹打开后的微观观察结果a) 测试位置b) 能谱结果图10 裂纹处能谱分析结果3 分析与讨论理化分析得知，母材和焊丝的化学成分均满足标准要求。
母材组织为铁素体及呈带状和块状分布的珠光体，焊缝组织为贝氏体+铁素体，大部分铁素体沿柱状晶界析出，晶内有细小针状铁素体和粒状贝氏体。
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16MnDR的焊接性分析
摘要:16MnDR钢一般在-40°C以上使用的低合金钢,本文重点对此钢材的焊接性作简要分析,为现场焊接16MnDR钢材提供参考。
关键词：热裂纹冷裂纹焊接性能
1.前言
低温用钢和普通低合金高强度钢的主要差别，就在于低温用钢除了要满足通常的强度要求外，还必须保证相应的低温条件下具有足够高的低温韧性。
这种钢大部分是一些含Ni的低碳低合金钢，一般在正火或调质状态下使用。
在贵州天福年产５０万吨合成氨项目两台低温液氨储罐用的16MnDR是正火状态下使用的。
而16Mn系列钢材的低温下限是-40°C，满足现场-３８.９°C的低温要求。
2.16MnDR成分上对焊接的影响
钢材的焊接性和它的其他性能一样,主要取决于它的化学成份。
若钢中含Si量超过06%后对冲击韧度不利，使脆性转变温度提高。
含C量超过0.3%和含Mn量超过1.6%后，焊接时经常出现裂纹，同时在热轧钢板上还会出现脆性的贝氏体组织。
对比成份(见表1)来看，贵州天福年产５０万吨合成氨项目所用16MnDR还是可以保证不容易出现这类问题的。
表1 GB3531-1996关于16MnDR化学成份规定
16MnDR属于正火钢的一种，从成分上看其含碳量较低而含
Mn量较高。
如果材料的Mn/S比能达到要求，具有较好的抗热裂性能，正常条件下不会出现热裂纹。
但当材料成分不合格，或因严重
偏析使局部C、Si含量偏高时，Mn/S就可能低于要求而出现热裂纹。
如果出现这种情况，我们就要从工艺上设法减少熔合比，在焊接材
料上采用低碳高锰的焊材，以此降低焊缝中的含碳量和提高焊缝中
的含锰量，来避免热裂纹的产生。
４．冷裂纹
冷裂纹是焊接16MnDR的一个主要问题。
从材料本身考虑，淬
硬组织是引起冷裂纹的决定因素。
因此，在焊接中尽量减少形成对
氢致裂纹敏感的淬硬组织的出现是防止出现焊接冷裂纹的重要手段。
16MnDR的含碳量并不高，但含少量的合金元素。
因此，它的淬硬倾向比低碳钢的大一些。
而冷裂敏感性一般随强度的提高而增加。
因为16MnDR的含碳量较低，合金元素较少，强度也不是那么高，
故其淬硬倾向和冷裂敏感性都是很低的。
钢材的冷裂敏感性与其淬硬倾向之间有密切的关系。
而淬硬倾
向又主要取决于钢的化学成分，其中以碳的作用最为明显。
因此，
可以通过一些经验性的碳当量公式来粗略地估计和对比不同钢材的
冷裂敏感性。
通常碳当量越高，则冷裂敏感性越大。
16MnDR的碳
当量CE≤0.4%。
而在实际经验中，一般认为CE≤0.4%时，钢材在
焊接时基本无淬硬倾向，焊接性良好，与低碳钢几乎相同。
屈服强
度σs为294～392MPａ的热轧钢基本都属于这类。
焊接这类钢时，除钢板厚度很大和环境温度很低的情况外，一般不需预热和严格控
制线能量。
下表是GB１５０上关于16MnDR及其使用强度。
综合
16MnDR的常温性能来看，16MnDR在母材厚度较小（根据ＳＨ３
５３７标准环境温度不低于－１０°C，母材厚度不大于２５mm情
况下），不必考虑预热和控制线能量问题（当然在母材厚度较大或
者环境温度恶劣的情况下就要考虑预热和控制线能量问题）。
表2 16MnDR的常温强度指标
５．再热裂纹
再热裂纹与合金系统有很大的联系。
在16Mn系列的钢种中，
由于不含有强碳化物形成元素，故对再热裂纹不敏感，可以不作考虑。
６．层状撕裂
层状撕裂的产生不受钢材种类和强度级别的限制。
一般板厚在
16mm以下就不易产生层状撕裂。
从钢材本身来说，主要取决于冶
炼条件，钢材中的片状硫化物与层状硅酸盐或大量成片地密集于同
一平面内的氧化铝夹杂物都能导致Z向塑性降低和层状撕裂的产生，其中片状硫化物的影响最为严重。
因此，只要16MnDR的钢板材料
生产符合标准不出现偏析和断面收缩率达到20%以上，焊接将不会
出现这种缺陷。
即使由于成份偏析出现层状撕裂，只要稍微预热
（预热温度不高）层状撕裂就不会产生。
７．热影响区性能
16MnDR主要的合金化方式是固溶强化，固溶强化的材料只有合金元素全部固溶的条件下才能保证良好的综合性能。
而16MnDR的
供货状态是正火状态，在热轧装下使用，合金能够很好地固溶。
因
此16MnDR（16Mn）这类钢不存在着过热区脆化问题，对线能量
敏感性也小。
对16Mn这类钢来说有一定的热应变脆化倾向，但只
要厚度不是很大的情况就不会产生这类问题（若厚度较大而产生了热应变脆化可用焊后热处理来消除）。
８．小结
综上所述，16MnDR具有良好的焊接性能，只要母材的成分符合有关规范要求不出现异常的成份偏析或含量超标，选用正确的焊接材料，选用合适的焊接参数，搞好焊接的过程控制,焊接后的性能还是非常不错的。