低溫9Ni 鋼的焊接工藝研究

呂仲光，安鈞洳，趙思琪，何世軍

中石油第二建設(shè)有限公司，甘肅蘭州730060

由于9Ni 鋼成本低、強(qiáng)度高且具有更好的綜合力學(xué)性能，尤其是具有優(yōu)異的低溫韌性，因而是唯一可以在-196 ℃使用的鐵素體低溫用鋼。目前9Ni 鋼已逐漸取代了Ni-Cr 不銹鋼而成為低溫儲罐的主材。由于在低溫儲罐的制作過程中9Ni鋼材料的焊接十分關(guān)鍵，因此針對9Ni 鋼材料，就其焊接方法、焊接材料、焊接熱輸入對焊接工藝的影響進(jìn)行了多次工藝試驗(yàn)研究，以期為相關(guān)的焊接施工提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料的選擇[1-2]

（1） 母材選擇。選用國內(nèi)06Ni9 和國外X07Ni9 鋼材，06Ni9 鋼材厚度分別為9、14、22 mm，X07Ni9 鋼材厚度為12 mm，材料化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

（2） 試驗(yàn)用焊接材料。電弧焊焊條選用ENiCrMo-3，焊條直徑為3.2、4.0 mm；埋弧焊、鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊焊絲選用ERNiCrMo-4，埋弧焊焊絲直徑為3.2 mm，鎢極氣體保護(hù)焊焊絲直徑為2.0 mm，熔化極氣體保護(hù)焊焊絲直徑為1.2 mm。上述焊接材料的化學(xué)成分見表3。

表1 母材化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

表2 母材力學(xué)性能（實(shí)測值）

表3 焊接材料化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

2 焊接方法及焊接位置的選擇

（1） 選用的焊接方法及特點(diǎn)[3]。一是選用焊條電弧焊（SMAW），其特點(diǎn)是工藝靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、熱影響區(qū)較小、設(shè)備簡單、操作方便、勞動(dòng)條件差、生產(chǎn)率低；二是選用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW），其特點(diǎn)是生產(chǎn)率高、易于實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動(dòng)化、操作靈活、抗風(fēng)能力差；三是選用埋弧焊（SAW），其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)條件好、設(shè)備復(fù)雜、難焊易氧化金屬、受焊件空間位置的限制；四是選用手工鎢極氬弧焊（GTAW），其特點(diǎn)是電弧穩(wěn)定、保護(hù)效果好、焊接質(zhì)量高、易于全位置焊接、可焊材質(zhì)范圍廣、抗風(fēng)能力差、效率低。

（2） 焊接位置的確定。根據(jù)NB 47014—2011焊接位置的覆蓋要求、現(xiàn)場施工的具體情況及各種焊接方法的特點(diǎn)，確定各種焊接方法的焊接位置。焊條電弧焊（SMAW） 采用平焊、立焊位置；熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、埋弧焊（SAW） 采用橫焊位置；手工鎢極氬弧焊（GTAW） 采用立焊位置。

3 焊接工藝

3.1 坡口形式

坡口如圖1 所示[4]，坡口角度要考慮盡量減少熔合比，坡口角度α=70°±2°（橫焊時(shí)，上坡口角度40°～45°、下坡口角度25°～30°），坡口間隙b=3.0 ～3.5 mm，坡口鈍邊p=0.5～1.5 mm。

圖1 坡口形式

3.2 焊接工藝參數(shù)

分別對國內(nèi)06Ni9 和國外X07Ni9 鋼材料進(jìn)行焊條電弧焊（SMAW）、熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、埋弧焊（SAW）、手工鎢極氬弧焊（GTAW） 工藝試驗(yàn)，焊接時(shí)層間溫度控制在100℃以下，具體的焊接參數(shù)見表4。

表4 各種焊接方法的焊接工藝參數(shù)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1） 外觀及RT 射線檢測。試驗(yàn)試件的焊縫經(jīng)外觀檢查均符合相關(guān)技術(shù)要求，試件進(jìn)行100%RT 射線探傷，并按照NB/T 47013.2—2015 進(jìn)行評定，評定結(jié)果全部為合格并達(dá)到Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 焊接接頭力學(xué)性能檢測。按NB/T47014—2011[5]工藝評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接接頭的機(jī)械性能檢測，檢測結(jié)果見表5。從表5 可以看出：試驗(yàn)試件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度值均合格，即符合標(biāo)準(zhǔn)要求，彎曲試驗(yàn)也全部合格；焊接接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)硬度與母材區(qū)接近，滿足工藝要求；由于三組試件的焊接熱輸入控制較為合理，因此沖擊值滿足試驗(yàn)要求。

表5 焊接接頭的力學(xué)性能

4 結(jié)束語

（1） 對國內(nèi)06Ni9 和國外X07Ni9 鋼材料采用不同焊接方法進(jìn)行焊接的工藝試驗(yàn)表明，焊條電弧焊（SMAW）、熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、埋弧焊（SAW）、手工鎢極氬弧焊（GTAW） 焊接方法均可用于焊接9Ni 鋼材料。

（2） 對各種焊接方法的工藝參數(shù)進(jìn)行分析表明，焊接熱輸入的大小對試件-196 ℃沖擊值的影響較大，焊接時(shí)應(yīng)采用多層多道焊，嚴(yán)格控制焊接熱輸入。

（3） 適當(dāng)控制熔合比以減少母材金屬對熔敷金屬的稀釋率，從而減少馬氏體的存在。