9%Ni鋼用國(guó)產(chǎn)鎳基焊絲的焊接試驗(yàn)研究

卜華全，趙 偉，臧曉飛，劉海定，任明皓，連軼博

(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司,合肥 230031;2.中設(shè)集團(tuán)裝備制造有限責(zé)任公司，北京 100055;3.中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055;4.重慶材料研究院有限公司,重慶 400700)

0 引言

我國(guó)焊材年消耗量達(dá)到數(shù)百萬(wàn)噸，多年來(lái)一直處于世界第一的位置，且我國(guó)焊接材料的出口量約為進(jìn)口量的10倍，但焊材的平均進(jìn)口價(jià)格卻長(zhǎng)期是出口價(jià)格的4～5倍[1]。說(shuō)明高端焊材依賴進(jìn)口的局面依然沒(méi)有打開(kāi)。近年來(lái)，壓力容器正朝著大容量、高參數(shù)、高要求方向發(fā)展，對(duì)焊材工藝質(zhì)量的要求越來(lái)越高，高端焊材的需求呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。盡管與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)產(chǎn)高端焊材還存在較大差距，但是相關(guān)國(guó)產(chǎn)化工作一直沒(méi)有停止過(guò)，尤其在鎳基合金領(lǐng)域方面的研究不斷增加[2-7]，國(guó)產(chǎn)焊材制造的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量也得到了不斷提高。

鎳基材料因其具有高溫變形抗力大、溫度窗口窄、熱塑性差等特點(diǎn)，冶煉和軋制的難度非常高，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)企業(yè)能試制開(kāi)發(fā)數(shù)十公斤盤重的焊材用盤條，其質(zhì)量穩(wěn)定性與進(jìn)口產(chǎn)品存在差距，特別是在微、痕量元素綜合控制水平、制造工藝質(zhì)量穩(wěn)定性、外觀質(zhì)量，甚至焊接工藝水平、服役數(shù)據(jù)積累等方面均有待提高，在應(yīng)用領(lǐng)域及層次上受到較大限制，部分核電、火電和化工裝備等制造領(lǐng)域用高端鎳基合金焊接材料仍需進(jìn)口[8-9]。本文針對(duì)研制的ERNiCrMo-3焊絲，以大型LNG儲(chǔ)罐用9%Ni鋼的焊接為對(duì)象，開(kāi)展熱裂紋試驗(yàn)和焊接工藝試驗(yàn)，考察國(guó)產(chǎn)鎳基焊絲的工程應(yīng)用性能。

1 試驗(yàn)用材料

本次研制的焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1。作為對(duì)比，進(jìn)口焊絲采用國(guó)外某公司的625焊絲，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。表1中還列出了鎳基焊材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ASME SFA 5.14中的要求值。

表1 研制焊絲與進(jìn)口焊絲的化學(xué)成分

焊接試板材料為9%Ni鋼板，厚度12 mm，其規(guī)定和實(shí)測(cè)化學(xué)成分如表2所示。

表2 試驗(yàn)用鋼板的化學(xué)成分

2 試驗(yàn)方法

2.1 熱裂紋試驗(yàn)

熱裂紋敏感性是衡量鎳基焊材的一項(xiàng)重要指標(biāo)，常用的評(píng)價(jià)材料熱裂紋敏感性的試驗(yàn)方法有壓板對(duì)接試驗(yàn)(FISCO試驗(yàn))、應(yīng)變-開(kāi)裂試驗(yàn)(STF試驗(yàn))、可調(diào)拘束試驗(yàn)、重熔試驗(yàn)、縱向切片試驗(yàn)和大厚度裂紋試驗(yàn)等[10-11]。為分析研制焊材的熱裂紋敏感性，本文采用研制的FISCO熱裂紋試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了研制焊材與常用國(guó)外焊材的熱裂紋敏感性對(duì)比試驗(yàn)。

FISCO裂紋試驗(yàn)方法是由瑞士SCHNADT提出的[12]，該方法適用于焊接金屬的熱裂紋敏感性測(cè)試，其優(yōu)點(diǎn)是試板加工容易，材料消耗量不多，且適合于全焊接位置作試驗(yàn)等。采用的試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)中采用2塊200 mm×120 mm的9%Ni鋼板作為試板，坡口形狀為Y形，如圖2所示。

圖1 FISCO試驗(yàn)裝置

圖2 FISCO試件加工圖(2塊對(duì)接)

試驗(yàn)參照GB/T 4675.4—84《焊接性試驗(yàn) 壓板對(duì)接(FISCO)焊接裂紋試驗(yàn)方法》和日本標(biāo)準(zhǔn)JIS Z3155進(jìn)行，試驗(yàn)程序如下。

(1)將試件安裝在圖3所示的FISCO試驗(yàn)裝置中,在試件坡口的兩端按試驗(yàn)要求裝入相應(yīng)尺寸的塞片，以保證坡口間隙(坡口的間隙為2 mm)。

(2)將水平方向的螺栓緊固,從兩側(cè)頂住試件(圖3中的P2)；用力矩板手，以1 200 kgf·cm的扭矩緊固好垂直方向的14個(gè)螺栓(圖3中的P1)。

圖3 試板安裝示意

(3)按圖4所示，順次焊接4條長(zhǎng)約40 mm的試驗(yàn)焊縫(單道焊)，焊縫間距約10 mm。焊接工藝如下：采用GTAW焊接方法，焊絲直徑為3.2 mm，不預(yù)熱，焊接電流140 A，電弧電壓13 V，焊接速度90 mm/min，焊接熱輸入12.1 kJ/cm。焊接試驗(yàn)焊道時(shí)要求不填滿弧坑。

圖4 試驗(yàn)焊縫的焊接

(4)焊接結(jié)束10 min后將試件從夾具中取出。

(5)試件冷卻后，將試件沿焊縫方向彎斷，觀察斷面并測(cè)量裂紋長(zhǎng)度，按下式計(jì)算裂紋率：

Fa(%)=裂紋總長(zhǎng)/焊縫總長(zhǎng)×100%

2.2 研制焊絲的焊接工藝試驗(yàn)

為檢驗(yàn)該焊絲的工程應(yīng)用性能，選擇大型LNG儲(chǔ)罐建造工程中9%Ni鋼焊接作為應(yīng)用對(duì)象，評(píng)價(jià)該焊絲的焊接工藝性能。采用9%Ni鋼制作的試板尺寸為12 mm×250 mm×400 mm，坡口型式為單V形，見(jiàn)圖5。

圖5 焊接工藝試板坡口型式

所用焊絲為本次研制的ERNiCrMo-3焊絲，直徑?3.2 mm。試板采用GTAW焊接，不預(yù)熱，層間溫度<100 ℃,焊接電流為130～150 A,電弧電壓12 V，焊接速度8～10 cm/min，氣體流量8～10 L/min。焊接完成后的試板見(jiàn)圖6，共6層，后3層焊縫每層2道，共9道焊縫。按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的要求對(duì)試板進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能試驗(yàn)。

圖6 焊接完成后的試板照片

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 熱裂紋試驗(yàn)

鎳基焊材在焊接過(guò)程中存在流動(dòng)性差、易產(chǎn)生熱裂紋的問(wèn)題。由于熱裂紋尺寸較小，很難被常規(guī)的檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)，所以潛在危害很大，所以在鎳基焊材應(yīng)用中對(duì)熱裂紋敏感性的考察十分重要。圖7為本次FISCO試驗(yàn)焊接完成后的試板照片，分別為研制焊材FISCO試板和對(duì)比的進(jìn)口焊材FISCO試板。

(a)研制焊絲

圖8為研制焊絲與進(jìn)口焊絲試板彎斷后各試驗(yàn)焊道的照片?？梢钥闯?，除弧坑外，研制焊絲和進(jìn)口焊絲的試驗(yàn)焊道上均未出現(xiàn)熱裂紋，說(shuō)明研制的國(guó)產(chǎn)焊絲與進(jìn)口焊絲均具有較高的抗熱裂紋能力。

(a)研制焊絲

為保證焊道的連續(xù)性，在FISCO試驗(yàn)中要求弧坑不填滿，這樣在弧坑上很容易產(chǎn)生弧坑裂紋，從圖9的收弧焊道照片可以看出，研制焊絲和進(jìn)口焊絲的弧坑均存在弧坑裂紋，說(shuō)明鎳基焊絲如果不進(jìn)行嚴(yán)格的收弧操作，弧坑裂紋難以避免。有研究表明[13]，F(xiàn)ISCO試驗(yàn)中，多數(shù)弧坑裂紋只有焊道下部的一小部分面積是在1 000 ℃以上形成的龜裂，說(shuō)明由于低熔點(diǎn)雜質(zhì)導(dǎo)致的熱裂紋只是很小的一部分，裂紋的大部分?jǐn)嗝媸窃?00～700 ℃范圍內(nèi)由于缺口效應(yīng)造成的裂紋擴(kuò)展形成的。熱裂紋一般定義為在固相線附近形成的裂紋[14]，所以FISCO試驗(yàn)在計(jì)算裂紋率時(shí)是否考慮弧坑裂紋存在爭(zhēng)議[12]。弧坑裂紋在FISCO試驗(yàn)中受到弧坑形狀和收弧操作的影響很大，實(shí)際產(chǎn)品焊接中只要進(jìn)行合理的收弧操作，填滿弧坑，弧坑裂紋一般是可以避免的[15]。

(a)研制焊絲

焊接熱裂紋是焊縫金屬在凝固過(guò)程中，結(jié)晶偏析生成雜質(zhì)低熔點(diǎn)共晶物富集于晶界，形成“液態(tài)薄膜”，由于焊縫凝固收縮受到拉應(yīng)力，最終開(kāi)裂形成裂紋。焊縫金屬凝固裂紋產(chǎn)生的原因是由于柱狀晶晶界偏聚了富硫的低熔點(diǎn)液膜造成的，對(duì)于Fe-S-Ni三元合金來(lái)說(shuō),Ni能促使硫的偏聚,隨著合金中Ni含量的增高,偏聚在柱狀晶界的膜狀硫化物增多,固液相間界面能減小,晶界和亞晶界更易潤(rùn)濕,晶界處低熔點(diǎn)共晶相更易形成；另外,S,P同時(shí)存在于鎳基材料中時(shí),可與其結(jié)合形成Ni-S-P三元相,使固相線溫度和液相線溫度下降更多,平衡分配系數(shù)也比Ni-S,Ni-P二元相更小,偏析程度加劇,對(duì)結(jié)晶裂紋的不利影響更加嚴(yán)重[16]。本次研制的焊絲在雜質(zhì)元素控制上采取了超純凈冶煉技術(shù)，在進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉時(shí)，使用高純凈單質(zhì)金屬為原料，在合金化最佳時(shí)機(jī)分時(shí)添加大小料，并采用特殊精煉工藝，結(jié)合高真空、特殊保護(hù)氣氛，以達(dá)到高溫去雜、低溫脫氣，提高純凈度的目的，從而獲得成分穩(wěn)定、低S,P含量的合金鋼錠，確保了焊絲的純凈度，從而保證了研制的鎳基焊絲具有很高的抗熱裂紋能力。

3.2 焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)采用研制焊絲制作的焊接試板進(jìn)行了熔敷金屬的化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。按照NB/T 47014—2011的規(guī)定進(jìn)行了焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示?？梢?jiàn)焊接接頭抗拉強(qiáng)度、沖擊吸收能量和彎曲試驗(yàn)結(jié)果均滿足大型LNG儲(chǔ)罐技術(shù)條件的要求。焊接接頭硬度試驗(yàn)表明，焊縫近上表層硬度(HV10)為：225，212，210，近下表層硬度(HV10)為：266，245，265，滿足大型LNG儲(chǔ)罐技術(shù)條件要求(≤360HV10)。與文獻(xiàn)[15]中的進(jìn)口焊材的焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以看出，研制焊絲焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊韌性與進(jìn)口焊絲基本相同，可以取代進(jìn)口焊絲完成9%Ni鋼的焊接。

表3 焊縫熔敷金屬化學(xué)成分

表4 焊接工藝試板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 焊接接頭微觀組織分析

為保證焊接接頭的低溫沖擊韌性，9%Ni鋼一般不能采用同質(zhì)焊材或不銹鋼焊材進(jìn)行施焊，只有采用鎳基焊材才能確保焊縫為純奧氏體組織。本次焊接試板焊接接頭的宏觀照片如圖10所示。焊接接頭的金相組織見(jiàn)圖11，可以看出，焊縫為純奧氏體柱狀晶組織。

圖10 焊接工藝評(píng)定試板焊接接頭的宏觀照片

圖11 焊接接頭的金相組織

鎳基合金焊縫金屬中第二相析出物的存在對(duì)焊接接頭低溫韌性影響很大，焊縫金屬中存在較多的雜質(zhì)顆粒物是造成焊縫金屬塑韌性惡化的主要原因。本次研制焊絲焊接試板的焊縫組織與進(jìn)口焊絲(FISCO試板試驗(yàn)焊縫)對(duì)比如圖12所示，可以看出，兩種焊縫組織均為純奧氏體柱狀晶組織。對(duì)研制焊絲所焊接的焊縫進(jìn)行掃描電鏡觀察，其照片如圖13，14所示?？梢钥闯觯趭W氏體柱狀晶基體上分布著一些析出相，主要為Cr，Ni，Nb的化合物，焊縫中合金元素的析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化作用提高了焊縫強(qiáng)度，并提高奧氏體的穩(wěn)定性，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，保持了焊縫的低溫韌性。

(a)研制焊絲

圖13 研制焊絲焊縫組織掃描電鏡照片

9%Ni鋼焊接主要需保證焊接接頭的低溫沖擊性能，研制的鎳基焊絲中適量添加Al,Ti,Nb 等元素可提高焊縫金屬的沖擊吸收能[17]。在嚴(yán)格控制S，P元素含量的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加入少量Mo,Nb或Ta等元素，可用于耐蝕合金焊接以及異種鋼的焊接[18]。本次研制的焊絲采用成分優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制、高純凈冶煉、先進(jìn)熱冷加工成型、組織調(diào)控、性能評(píng)價(jià)等系列關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)的高純凈、高均勻性和高表面質(zhì)量的特殊合金焊材，能適應(yīng)多種設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)焊接要求。

4 結(jié)論

(1)熱裂紋是鎳基合金焊材存在的主要問(wèn)題，采用FISCO試驗(yàn)可以用于評(píng)價(jià)鎳基焊材的熱裂紋敏感性。

(2)FISCO熱裂紋敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明，研制焊絲的熱裂紋敏感性很低，與進(jìn)口焊絲相當(dāng)，能滿足工程應(yīng)用的要求。

(3)采用9%Ni鋼作為母材的焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的鎳基焊絲焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足大型LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)要求。

(4)采用研制焊絲焊接的焊縫組織為純奧氏體及少量的析出相組成，是滿足9%Ni鋼低溫沖擊韌性的重要條件。