LNG儲罐用9Ni低溫鋼橫位置焊條電弧焊和埋弧焊接頭微觀組織與力學(xué)性能對比*

賈晨程 周弋琳 張華軍,2 葛辰宇 包 孔

1上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125 2上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200240

0 引言

天然氣的主要成分為甲烷，是一種清潔、高效和低碳的能源。在-162℃下由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，成為液化天然氣（LNG），體積僅有氣體狀態(tài)的1/625。液化天然氣在運輸過程中對儲存容器材料的低溫性能有較高要求，9Ni低溫鋼是目前被用作建造LNG接收站儲罐的常用材料。焊條電弧焊和埋弧焊是9Ni鋼儲罐現(xiàn)場焊接最常用的焊接方法。本文針對LNG儲罐用9Ni低溫鋼，分別采用焊條電弧焊和埋弧焊進(jìn)行橫位置對接焊試驗，通過力學(xué)性能檢測和微觀組織分析對比2種焊接接頭的差異。

1 試驗材料與方法

1.1 母材

試驗?zāi)覆倪x用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的9%Ni鋼板，板厚20 mm。交貨狀態(tài)為QT(淬火+回火),顯微組織為回火馬氏體與少量殘余奧氏體，如圖1所示?；瘜W(xué)成分和力學(xué)性能詳見表1、表2。

圖1 母材微觀組織（500倍）

表 1 試驗?zāi)覆模?Ni）化學(xué)成分 wt%

表 2 試驗?zāi)覆模?Ni）力學(xué)性能

1.2 焊接材料

焊條電弧焊焊接材料選用鎳基焊條ENiCrMo-6，焊條直徑4.0 mm。焊接材料屈服強(qiáng)度Rp0.2為441 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為710 MPa，伸長率As為47%，夏比V形缺口沖擊試驗試驗溫度為-196℃，夏比V形缺口沖擊試驗沖擊吸收功73 J，焊接材料化學(xué)成分如表3所示。

表 3 焊條化學(xué)成分 wt%

埋弧焊焊接材料選用鎳基焊絲ERNiMo-9，焊絲直徑2.4 mm。埋弧焊絲屈服強(qiáng)度Rp0.2為440 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為719 MPa，伸長率As為51%，夏比V形缺口沖擊試驗試驗溫度為-196℃，夏比V形缺口沖擊試驗沖擊吸收功73 J，埋弧焊絲化學(xué)成分如表4所示。

表 4 埋弧焊絲化學(xué)成分 wt%

1.3 焊接工藝

焊縫坡口形式及尺寸如圖2所示，坡口制備采用機(jī)加工。埋弧焊使用直流電源，焊條電弧焊使用交流電源以減小磁偏吹對焊接操作的影響。采用橫位置多層多道焊，嚴(yán)格控制層間溫度小于100℃。為保證焊縫全熔透和防止?jié)B碳，焊縫清根采用等離子氣刨和打磨。由于等離子電弧較長，清根時無法觀察焊縫是否存在缺陷，故采用較大的刨槽寬度和深度來保證完全清除缺陷。焊后對焊縫按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3558—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》進(jìn)行100%RT探傷。焊接工藝參數(shù)見表5。

表 5 焊接工藝參數(shù)

圖2 焊縫坡口形式及尺寸

2 試驗結(jié)果分析

2.1 焊接接頭力學(xué)性能

對射線探傷合格的試板，按照標(biāo)準(zhǔn)《CCS材料與焊接規(guī)范—2018》進(jìn)行取樣加工和力學(xué)性能驗收。焊接接頭力學(xué)性能如表6所示，2種焊接方法得到的接頭力學(xué)性能都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。焊條電弧焊與埋弧焊接頭力學(xué)性能差異主要體現(xiàn)在低溫韌性。比較焊縫中心、熔合線（FL)和熱影響區(qū)（FL+2 mm）處沖擊吸收功，埋弧焊接頭相較焊條電弧焊接頭低溫沖擊韌性更好。對比焊條電弧焊和埋弧焊接頭的不同區(qū)域發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)沖擊吸收功都遠(yuǎn)高于焊縫中心和熔合區(qū)。

2.2 焊接接頭硬度

測試2種9Ni鋼焊接接頭距離試板上下表面2 mm處的宏觀維氏硬度，測試位置包括焊縫、熱影響區(qū)及母材。接頭各部位硬度測試值均小于350 HV，滿足CCS標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)焊接接頭硬度測試結(jié)果，分別繪制焊條電弧焊和埋弧焊接頭硬度分布曲線如圖3、圖4所示。

表 6 焊接接頭力學(xué)性能

圖3 距離試板上表面2 mm處焊接接頭硬度

圖4 距離試板下表面2 mm處焊接接頭硬度

2種接頭上下表面各位置硬度分布一致，均呈現(xiàn)焊縫＜母材＜熱影響區(qū)的硬度變化趨勢。焊接接頭硬度最高值出現(xiàn)在靠近母材一側(cè)的熱影響區(qū)。比較埋弧焊接頭與焊條電弧焊接頭各區(qū)域硬度，埋弧焊接頭焊縫區(qū)硬度高于焊條電弧焊，熱影響區(qū)硬度低于焊條電弧焊。

2.3 焊縫成形

9Ni鋼焊條電弧焊和埋弧焊都采用鎳基合金焊絲材料焊接（Ni含量達(dá)到65%以上），焊縫區(qū)耐腐蝕能力很強(qiáng)，故用王水腐蝕。熱影響區(qū)和母材區(qū)（Ni含量為9%左右）則用4%硝酸酒精腐蝕。焊條電弧焊接頭與埋弧焊接頭正面和截面宏觀形貌如圖5和圖6所示，焊縫成形良好，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的缺陷。

圖5 焊條電弧焊示意圖

2.4 焊接接頭微觀組織與性能分析

由于焊接接頭沖擊和硬度試樣取樣位置在焊縫中部，故選取焊接接頭填充層焊縫進(jìn)行顯微組織觀察，如圖5a、圖6a紅色方框標(biāo)記所示。

圖6 埋弧焊接頭示意圖

焊條電弧焊接頭不同位置的焊縫微觀組織如圖7所示。由于焊條化學(xué)成分中Ni含量達(dá)到67.65%，故焊縫組織為奧氏體。焊縫結(jié)晶過程中發(fā)生一定程度的枝晶偏析，析出相（圖中黑色顆粒）分布在枝晶間和柱狀晶晶界位置。焊縫結(jié)晶形態(tài)主要為柱狀樹枝晶（見圖7b、圖7e）和胞狀樹枝晶（見圖7c）。焊縫組織中奧氏體晶粒（亮白色部分）形態(tài)為柱狀，焊縫不同位置的奧氏體晶粒尺寸不同，焊道中央的奧氏體晶粒比較細(xì)小均勻，如圖7e所示。焊道與焊道交界處的奧氏體晶粒大小不一，部分柱狀晶比較細(xì)長，如圖7d所示。后道焊縫相比前道焊縫偏析嚴(yán)重，主要是因為前道焊縫與母材接觸，是從室溫開始焊接；而后道焊縫受前道焊縫預(yù)熱和后續(xù)焊縫再次加熱的影響導(dǎo)致焊縫凝固過程具有差異。

圖7 焊條電弧焊接頭焊縫不同位置微觀組織

埋弧焊接頭不同位置的焊縫微觀組織如圖8所示。埋弧焊絲中Ni含量達(dá)到76.2%，因此埋弧焊接頭焊縫組織是奧氏體。焊縫結(jié)晶過程同樣發(fā)生一定程度的枝晶偏析，析出相主要呈顆粒狀（圖中黑色顆粒）分布在枝晶間和柱狀晶晶界位置。奧氏體晶粒（亮白色部分）晶粒生長有很強(qiáng)的方向性，呈柱狀分布。焊縫結(jié)晶形態(tài)主要為胞狀樹枝晶（見圖8e）和柱狀樹枝晶（見圖8c、圖8d）。焊縫中部晶粒細(xì)小均勻，少量奧氏體晶粒生長成為等軸晶，如圖8b所示。

圖8 埋弧焊接頭焊縫不同位置微觀組織

焊接接頭-196℃低溫沖擊試驗結(jié)果表明，9Ni鋼埋弧焊焊縫沖擊吸收功高于焊條電弧焊。分析主要原因有：

1）埋弧焊焊接頭焊縫相比焊條電弧焊焊縫組織中奧氏體晶粒更均勻細(xì)小且晶界多。由于晶界增多，偏析分散，偏析程度會減弱，有助于提高焊縫韌性。

焊條電弧焊接頭焊縫組織主要為柱狀樹枝晶，埋弧焊接頭焊縫組織主要為胞狀樹枝晶。胞狀樹枝晶比柱狀樹枝晶偏析程度小，也可降低偏析對焊縫韌性的影響。

2）從組成焊縫的填充材料化學(xué)成分看，焊條中的硫和磷含量都高于埋弧焊絲。在含鎳較高的鋼中，硫與鎳能結(jié)合成硫化鎳，而硫化鎳與鎳生成熔點為637℃的低熔點共晶硫化鎳與鎳，磷與鎳能結(jié)合成Ni3P，Ni3P與鎳能形成熔點為870℃的低熔點共晶Ni3P+Ni0。以上產(chǎn)物使焊縫結(jié)晶裂紋傾向增加，從而降低焊縫沖擊韌性。

焊接接頭維氏硬度試驗結(jié)果表明，9Ni鋼埋弧焊焊縫硬度高于焊條電弧焊，主要與焊縫析出相不同有關(guān)。焊接材料中除基體元素Ni以外，焊條中主要合金元素為Cr，可推測焊條電弧焊接頭焊縫中主要為富Cr的析出相；埋弧焊絲中主要合金元素為Mo，可推測埋弧焊接頭焊縫中主要為富Mo的析出相。

由于9Ni鋼屬于易淬火鋼，因此焊接接頭熱影響區(qū)分為過熱區(qū)、完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)。

1）過熱區(qū) 圖9所示為焊條電弧焊與埋弧焊接頭過熱區(qū)微觀組織對比，從微觀組織照片可看到原奧氏體晶界（PAGB)、不同位向的馬氏體板條束（Packet）和粒狀貝氏體（GB）。焊條電弧焊接頭過熱區(qū)組織為粗大板條馬氏體，原奧氏體晶界分布著細(xì)晶粒鏈?zhǔn)咕Ы绠惓４只?。文獻(xiàn)[10]中認(rèn)為該現(xiàn)象屬于遺傳現(xiàn)象，即當(dāng)組織轉(zhuǎn)變時轉(zhuǎn)變產(chǎn)物繼承原始組織某些特征的一種現(xiàn)象，晶界上存在多排細(xì)小成串的晶粒鏈時為部分遺傳，發(fā)生遺傳現(xiàn)象會造成晶界弱化，改變斷裂形式，惡化低溫韌性。埋弧焊過熱區(qū)組織為板條馬氏體和少量粒狀貝氏體，板條馬氏體尺寸相對較小。粒狀貝氏體出現(xiàn)使馬氏體轉(zhuǎn)變空間減小，因而細(xì)化了馬氏體組織。統(tǒng)計焊接工藝參數(shù)得到焊條電弧焊接頭平均熱輸入為1.2 kJ/mm，埋弧焊接頭平均熱輸入為1.15 kJ/mm，更高的熱輸入會增加焊縫在高溫停留時間進(jìn)而導(dǎo)致晶粒長大。因此過熱區(qū)力學(xué)性能表現(xiàn)為埋弧焊接頭沖擊吸收功高于焊條電弧焊，宏觀維氏硬度低于焊條電弧焊。

圖9 焊條電弧焊a與埋弧焊b過熱區(qū)微觀組織（500倍）

2）完全淬火區(qū) 完全淬火區(qū)組織為細(xì)小的板條馬氏體和少量殘余奧氏體。此區(qū)域受熱溫度處在AC3～1 000 ℃之間，冷卻速度較快，所以得到細(xì)小的板條馬氏體。埋弧焊接頭和焊條電弧焊接頭焊縫熔合線+2 mm位置均處在完全淬火區(qū)。從微觀組織可看出與過熱區(qū)相比，完全淬火區(qū)板條馬氏體晶粒尺寸明顯變小，因此完全淬火區(qū)相比過熱區(qū)具有更好的韌性。對比埋弧焊接頭和焊條電弧焊完全淬火區(qū)晶粒尺寸，埋弧焊接頭完全淬火區(qū)晶粒比較細(xì)小，因此埋弧焊接頭完全淬火區(qū)低溫沖擊韌性優(yōu)于焊條電弧焊，焊條電弧焊與埋弧焊完全淬火區(qū)微觀組織見圖10。

圖10 焊條電弧焊與埋弧焊完全淬火區(qū)微觀組織（500倍）

3）不完全淬火區(qū) 不完全淬火區(qū)組織為馬氏體和殘余奧氏體，組織中出現(xiàn)許多白色晶粒。該區(qū)域母材被加熱到AC1～AC3溫度之間，此溫度只能使部分馬氏體組織奧氏體化，晶粒大小不一、組織不均勻，焊條電弧焊與埋弧焊不完全淬火區(qū)微觀組織見圖11。

圖11 焊條電弧焊與埋弧焊不完全淬火區(qū)微觀組織（500倍）

熔合區(qū)主要由焊縫中的柱狀奧氏體及析出相、熔合線、和過熱區(qū)中的板條馬氏體組織構(gòu)成，圖12所示為焊條電弧焊與埋弧焊接頭熔合區(qū)組織對比。該區(qū)域力學(xué)性能由焊縫組織與過熱區(qū)組織共同決定。

圖12 焊條電弧焊與埋弧焊熔合區(qū)微觀組織（200倍）

3 結(jié)論

采用焊條電弧焊和埋弧焊進(jìn)行9Ni鋼橫位置焊接，皆可得到合格的焊接接頭。埋弧焊接頭焊縫、熔合線和熱影響區(qū)位置-196℃低溫沖擊吸收功高于焊條電弧焊，具有較好的低溫韌性。埋弧焊接頭焊縫硬度高于焊條電弧焊，而熱影響區(qū)硬度低于焊條電弧焊。9Ni鋼焊條電弧焊和埋弧焊接頭焊縫組織都是奧氏體+析出相，焊條電弧焊接頭焊縫結(jié)晶形態(tài)主要為柱狀樹枝晶，埋弧焊接頭焊縫結(jié)晶形態(tài)主要為胞狀樹枝晶。焊條電弧焊接頭過熱區(qū)組織為粗大板條馬氏體，且有晶界粗化現(xiàn)象，惡化低溫沖擊韌性。埋弧焊接頭過熱區(qū)組織為板條馬氏體和少量粒狀貝氏體，低溫沖擊韌性相對較好。