焊接材料對9Ni鋼焊接接頭組織與性能的影響①

顧 偉， 王德偉

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,安徽 蕪湖 241000；2.安徽金鼎鍋爐股份有限公司焊接實(shí)驗室,安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

9Ni鋼是美國于1944年開發(fā)的一種低碳調(diào)質(zhì)鋼，由于這種鋼中加入了8.50～9.50%的Ni元素，所以明顯改善了鋼中鐵素體相的低溫韌性，同時鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度也有所降低[1]，而9Ni鋼在-196℃下仍具有足夠高的強(qiáng)度和沖擊韌性，所以廣泛適用于制造各種-196℃級低溫設(shè)備和容器，例如液化天然氣(LNG)貯罐。但是這種鋼的焊接技術(shù)難度大、焊接工藝要求高，盡管現(xiàn)階段國內(nèi)已有部分鋼廠開始生產(chǎn)9Ni鋼及焊材，但是大多數(shù)依賴進(jìn)口，同時對9Ni鋼的配套焊材的研究和開發(fā)由于尚未形成規(guī)?；不疽蕾囉谶M(jìn)口，這使得我國LNG工業(yè)的發(fā)展受到嚴(yán)重制約。論文利用不同焊條型號進(jìn)行焊接工藝試驗研究，對焊接接頭分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗，并對焊接接頭進(jìn)行微觀組織顯微分析，通過試驗數(shù)據(jù)比較分析得出適合9Ni鋼的最優(yōu)焊接材料和焊接工藝要領(lǐng)，從而為節(jié)約成本，以及推動國家發(fā)展新能源戰(zhàn)略——LNG儲罐制造的國產(chǎn)化進(jìn)程做出努力。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

1.1.1 9Ni鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能

實(shí)驗用9Ni鋼來自于國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)，出廠前已對鋼板進(jìn)行兩相區(qū)淬火(IHT)處理，板厚為12mm。確定三種不同成分的國產(chǎn)焊條，通過多次試驗優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，手工電弧焊方法焊接后再對焊接接頭的力學(xué)性能及金相組織進(jìn)行試驗并分析比較。

對比ASTM規(guī)范中對9Ni鋼的規(guī)定，試驗用鋼的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 國產(chǎn)9Ni鋼化學(xué)成分(wt%)

表2 國產(chǎn)9Ni鋼力學(xué)性能

9Ni鋼在常溫下為板條狀馬氏體組織，低碳成分，這種鋼的韌性與溫度有密切的相關(guān)性，有著明顯的脆性轉(zhuǎn)變溫度。影響其脆性轉(zhuǎn)變的因素主要有晶粒度、組織結(jié)構(gòu)、合金元素和雜質(zhì)等[2]。

1.1.2 9Ni鋼的焊接材料

9Ni鋼是在-196℃依然保持良好的韌性的一種低溫用途鋼，選擇匹配的焊接材料除了要確保焊接質(zhì)量以外，還要保證良好的焊接接頭低溫韌性。同時，焊接材料的熱膨脹系數(shù)要與母材接近[3]，而如果選用焊材與母材的熱膨脹系數(shù)相差太大，接頭就會產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能大大降低，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)焊接裂紋，最終降低接頭的低溫韌性。

綜合以上各種因素考慮，適合采用Ni基和Fe-Ni基焊材焊接9Ni鋼。對比的三種國產(chǎn)焊材型號分別為：ENiCrFe-2、ENiCrMo-3及ENiCrMo-6，焊接后的試板依次編號：JD-03、JD-04、JD-05。

三種國產(chǎn)焊條的熔敷金屬化學(xué)成分見表3。

表3 三種焊條熔敷金屬的化學(xué)成分(%)

1.1.3 9Ni鋼金相組織

對國產(chǎn)9Ni鋼分別進(jìn)行100倍和500倍金相觀察，金相照片見圖1，由圖1可看出，母材基體組織大部分為具有較高韌性的低碳板條狀的馬氏體相和適量的鐵素體相，同時還含有少量的奧氏體相，這些相均為韌性相，保證了母材具有良好的韌性。

1.2 試驗方法

1.2.1 焊接工藝

采用Φ3.2規(guī)格焊條，由于鋼板厚為12mm，采用多層多道焊接方法，開60°坡口，打底一層，填充兩層，蓋面一層。打底層進(jìn)行單道焊接，填充及蓋面層用多層多道焊接。焊接坡口設(shè)計見圖2。采用橫擺法進(jìn)行焊接。

經(jīng)過實(shí)際分析，通過屢次試焊接并根據(jù)焊接接頭X射線探傷報告，對比焊接接頭的力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)，最后對9Ni鋼的手工焊接工藝參數(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化的焊接工藝見表4。

表4 焊接工藝參數(shù)

a×100倍 b×500倍

1.2.2 力學(xué)性能試驗

(1)拉伸試驗

按照ASME標(biāo)準(zhǔn)中QW-150規(guī)定執(zhí)行。

(2)低溫沖擊試驗

按照QW-170規(guī)定進(jìn)行試樣的制備及試驗方法。分別對三種焊接試板，在-196℃下進(jìn)行低溫沖擊，開V型缺口。分別在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)開缺口。

(3)彎曲試驗

圖2 焊接坡口設(shè)計

依照QW-160規(guī)定進(jìn)行。在室溫下進(jìn)行彎曲。

1.2.3 金相試驗

應(yīng)用光學(xué)金相顯微鏡察看接頭組織，拍出金相照片，然后分析組織，得出9Ni鋼焊接接頭在不同成分焊材下的組織與性能的聯(lián)系。

1.3 試驗結(jié)果與分析

三種焊條焊接下的焊接接頭拉伸試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 拉伸試驗數(shù)據(jù)

由表4可知，三種焊接接頭試樣的抗拉強(qiáng)度平均值分別為765MPa、797.5MPa、767.5MPa，均為韌性斷裂，并且有兩種焊接接頭試樣斷在焊縫，一種試樣斷在母材。從試驗數(shù)據(jù)看，采用ENiCrMo-3焊條手工焊焊接的接頭抗拉強(qiáng)度最高。

在不同成分焊材下焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的低溫沖擊試驗數(shù)據(jù)見表6。三種焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)在-196℃試驗溫度下的沖擊吸收功關(guān)系如圖3。

表6 韌性試驗

圖3 不同焊接材料對9Ni鋼焊接接頭沖擊韌性的影響

由表6、圖3可知，對于三種不同焊條下焊接接頭熱影響區(qū)的沖擊值大小排序為，JD05>JD03>JD04；焊縫區(qū)金屬的沖擊值大小排序為：JD05>JD04>JD03。

分析其原因，三種不同焊條中，ENiCrMo-3與ENiCrMo-6分別為含Ni約60%以上的Ni基型焊條，而ENiCrFe-2為含Ni約40%以上的Fe-Ni基型焊條。三種焊條尤其以ENiCrMo-6焊條含Ni量最高，Ni是一種強(qiáng)烈形成、穩(wěn)定和擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，所以焊縫組織主要以奧氏體為基體[4]。奧氏體有利于大大減少焊縫中析出的脆性相，這對于改善焊縫的韌性很好，所以采用ENiCrMo-6焊條的9Ni鋼焊接接頭低溫沖擊韌性最大。

三種不同成分焊材下的焊接接頭彎曲試驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 彎曲試驗

由表7彎曲試驗結(jié)果得知，三種不同焊條焊接后的焊接接頭塑性均為合格。

采用三種不同類型的焊材焊接的焊縫及熱影響區(qū)金相組織見圖4。

由三種不同焊材下焊縫的金相組織圖4(a)、(b)、(c)可看出焊縫組織都是柱狀晶，是典型的鑄態(tài)組織，焊縫為富含Ni的全奧氏體組織。

圖4 不同焊材的焊縫及熱影響區(qū)金相組織

圖4(d)、(e)、(f)為三種焊條電弧焊熱影響區(qū)(HAZ)熔合線附近的金相組織照片。對比HAZ金相照片，可見圖中顏色偏淡部位為焊縫區(qū)，偏深部位為HAZ，中間清晰的一條線為熔合線。熔合線附近的HAZ組織比較粗大，可判定為粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)，組織為粗大的板條狀馬氏體，由于在焊接熱循環(huán)作用下，接近熔合線溫度最高，即使在多道焊中的后一焊道對前焊道可以起到再熱作用，相當(dāng)于焊縫經(jīng)歷了退火，但是晶粒長大依然明顯，同時在晶界處富集大量的硫化物等低熔點(diǎn)共晶雜質(zhì)[5]，相當(dāng)于整個焊接接頭中的脆化區(qū)，對于焊接接頭低溫韌性的惡化影響較大。若能有效控制該脆化區(qū)的范圍，就能夠?qū)?Ni鋼焊接接頭低溫韌性的提高有幫助。

2 結(jié) 論

綜上所述，通過三種不同型號焊條的手工焊焊接接頭的系列試驗對比，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)接頭的拉伸試驗數(shù)據(jù)，采用不同焊條的焊接接頭試樣，有兩種斷于焊縫，一種斷于母材，測得的抗拉強(qiáng)度值分別為765MPa、797.5MPa、767.5MPa，均為韌性斷裂，符合9Ni鋼標(biāo)準(zhǔn)，其中采用ENiCrMo-6的延伸率最好。

(2)根據(jù)接頭的彎曲試驗數(shù)據(jù)，三種焊接接頭彎曲表面都沒有出現(xiàn)裂紋，滿足QW-160 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，焊接接頭都具有較高的塑韌性。

(3)根據(jù)焊接接頭低溫夏比沖擊試驗數(shù)據(jù)，三種不同焊條下焊接接頭的低溫沖擊韌性都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。三種不同焊接材料焊接接頭熱影響區(qū)沖擊值大小排序為，JD05>JD03>JD04；焊縫金屬的沖擊韌性大小排序為：JD05>JD04>JD03。焊縫金屬低溫沖擊試驗，斷口形貌均屬于韌性韌窩狀斷裂。通過比較，采用ENiCrMo-6焊條的低溫韌性最好。

(4)根據(jù)焊接接頭金相組織分析，如果焊接9Ni鋼適宜于采用較小的焊接線能量，利用多層多道方法焊接，同時嚴(yán)格控制層間溫度不超過150℃，可有效避免粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)過分長大，從而降低接頭中脆化區(qū)對于低溫韌性的不良影響，后道焊接對于前道焊的再熱作用還可以一定程度上細(xì)化晶粒，有利于改善焊接接頭的韌性。

因此，對于9Ni鋼采取含Ni高的Ni基焊條ENiCrMo-6，利用多層多道結(jié)合小線能量的焊接方法，同時嚴(yán)格控制層間溫度，能夠使焊縫獲得韌性很好的全奧氏體組織，也有利于有效預(yù)防焊接接頭的晶粒長大，控制脆化區(qū)的范圍，降低CGHAZ帶來的韌性降低，最終改善9Ni鋼焊接接頭的低溫韌性。