LNG儲罐用低溫高錳鋼埋弧焊材料組織和性能研究

馮 偉,于庭祥,,陳 波,徐 鍇,楊鑫禹

(1.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司,哈爾濱 150060;2.中國機(jī)械總院集團(tuán) 哈爾濱焊接研究所有限公司,哈爾濱 150028)

0 引言

隨著全球能源的消耗量和需求量均持續(xù)增長,其中液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)以其清潔、安全、高比熱的優(yōu)點在能源使用量中的占比逐年提高[1-2]。在LNG儲罐材料方面,近年來國內(nèi)外開發(fā)了一種C-Fe-Mn-Cr系低溫高錳鋼,其各項力學(xué)性能均滿足建造LNG儲罐要求,而價格比現(xiàn)有的奧氏體不銹鋼、殷瓦鋼、鋁合金和9Ni鋼等LNG儲罐材料普遍便宜50%～75%[3]。

試驗發(fā)現(xiàn)低溫高錳鋼焊接過程中存在合金元素易燒損、產(chǎn)生錳蒸汽等問題,在焊接時需科學(xué)地選擇焊接工藝和焊接材料[4],且需防止錳蒸汽對人體的傷害。LNG儲罐為了提高生產(chǎn)效率,通常采用埋弧橫焊。在低溫高錳鋼埋弧焊焊材方面,學(xué)者提出了兩種思路:一種是采用鎳基焊絲焊接低溫高錳鋼;另一種是開發(fā)低溫高錳鋼配套的焊材。其中,FAN等[5]采用鎳基合金焊絲焊接低溫高錳鋼,焊接接頭抗拉強(qiáng)度較高但低溫沖擊韌性較低。而現(xiàn)有的低溫高錳鋼配套焊材尚存在橫焊工藝性能和力學(xué)性能較差、成本較高等問題。本文考慮焊絲成分、焊劑成分對于低溫高錳鋼焊縫金屬性能的影響,結(jié)合焊接過程中存在的問題,且為了降低成本等目的,開發(fā)一種低溫高錳鋼焊絲及配套焊劑。

1 焊材設(shè)計

合金成分對低溫高錳鋼焊縫金屬組織和性能的影響起決定性作用,焊絲成分需保證焊縫金屬與母材具有較好的相容性。針對低溫高錳鋼埋弧焊易產(chǎn)生Mn元素?zé)龘p和焊縫金屬低溫韌性不足等問題,提高焊絲成分中Mn含量對燒損元素進(jìn)行補(bǔ)充,加入Ni,Cr,Mo進(jìn)行固溶強(qiáng)化,提高焊縫金屬塑韌性,調(diào)控焊劑組分比例進(jìn)行脫氧、脫磷,降低熱裂紋傾向。

1.1 焊絲成分設(shè)計

焊絲成分設(shè)計主要考慮以下因素:加入C可以明顯提高焊縫金屬的強(qiáng)度,促進(jìn)奧氏體形成并穩(wěn)定奧氏體,但過量的C容易在晶界聚集形成脆性碳化物,降低合金的低溫韌性[6-7]。Si具有很好的脫氧、提高合金液流動性效果,但Si過高會降低材料低溫韌性[8]。Mn對于基體起固溶強(qiáng)化作用,低溫高錳鋼的Mn含量超過18%時低溫下對奧氏體具有很好的穩(wěn)定作用,提高材料的低溫韌性?？紤]在焊接過程中Mn元素存在燒損,Mn含量略高于母材[9]。P,S是提高焊縫金屬裂紋敏感性的雜質(zhì),因此將P,S含量盡可能限制在較低范圍。Cr可以促進(jìn)低溫高錳鋼發(fā)生孿晶轉(zhuǎn)變,提高合金低溫性能。但當(dāng)Cr含量超過一定量時會形成粗大的鉻化合物,增大焊縫淬硬性、降低材料韌性[10]。Ni具有很好的穩(wěn)定奧氏體作用,同時Ni化合物在晶界偏聚固溶強(qiáng)化提高焊縫金屬強(qiáng)度,但過高的Ni會增大焊縫淬透性[11-12]。Mo通過固溶強(qiáng)化明顯提高焊縫金屬強(qiáng)度,然而當(dāng)Mo含量較高時,會促進(jìn)焊縫TRIP(相變誘導(dǎo)塑性)效應(yīng)形成馬氏體,降低材料低溫韌性。綜合考慮合金元素的以上作用,設(shè)計低溫高錳鋼焊絲成分如表1所示。

表1 低溫高錳鋼焊絲成分范圍Tab.1 Composition range of low temperature high manganese steel welding wire %

1.2 焊劑組分設(shè)計

由于焊縫金屬要求低氧、低磷、低硫等特點,設(shè)計CaF2-SiO2-Al2O3-CaO-MgO堿性渣系。其中,加入CaF2可以降低合金液粘度,降低由于焊絲元素種類較多、焊縫界面張力較大、熔敷金屬不易攤開的問題[13]。SiO2是酸性氧化物,可以改善渣系的酸堿度,同時SiO2可以提高合金的流動性,促進(jìn)熔渣排出。Al2O3有利于排渣,改善焊縫質(zhì)量。CaO是堿性氧化物,具有調(diào)節(jié)渣系酸堿度、改善熔滴粘度和界面張力、排出焊縫金屬中的P降低熱裂傾向的作用,同時CaO還可以降低熔渣中SiO2的活度,從而抑制了Si元素從熔渣向熔池中的過渡,提高焊縫抗裂能力[14]。MgO是一種堿性氧化物,有較強(qiáng)的堿性,是調(diào)節(jié)焊劑酸堿性的重要材料。MgO還是很好的造渣材料,可促進(jìn)形成光滑焊道,但加入MgO較多時會降低焊渣的流動性[15]。綜合考慮焊劑成分的以上作用,設(shè)計低溫高錳鋼焊劑成分如表2所示。

表2 低溫高錳鋼焊劑成分范圍Tab.2 Composition range of low temperature high manganese steel welding flux %

2 試驗方法

選用16Mn鋼為母材,其尺寸為400 mm×300 mm×20 mm,45°坡口,坡口底部距離為20 mm,底部放置400 mm×60 mm×10 mm的墊板,使用低溫高錳鋼氬弧焊焊絲,在坡口堆焊3 mm隔離層。采用設(shè)計的低溫高錳鋼埋弧焊絲和焊劑進(jìn)行埋弧橫焊,焊絲直徑為2.4 mm,焊接工藝參數(shù)如表3所示。試板結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示,一共焊接16～20道次。

表3 焊接工藝參數(shù)Tab.3 Welding process parameters

圖1 試板結(jié)構(gòu)及尺寸示意Fig.1 Schematic diagram of structural dimensions of test plate

將多道焊制得的試板進(jìn)行取樣,焊接試板兩側(cè)起弧和收弧處由于電弧不穩(wěn)定常存在熔敷金屬成分不均勻的問題,因此焊道兩側(cè)各去除10 mm。依據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》制備一個拉伸試樣,在UTM5305SYXL電子拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗;依據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》制備用于常溫和-196 ℃沖擊試樣各3個,在JBN-300B沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗;依據(jù)GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》制備4個彎曲試件,在WAW-300萬能試驗機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗。試樣尺寸及取樣位置如圖2所示。

圖2 取樣位置示意Fig.2 Schematic diagram of sampling location

在熔敷金屬上層受熱循環(huán)影響較少的位置制備金相試樣,用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行化學(xué)浸蝕,用10%鉻酸溶液對金相試樣進(jìn)行電解腐蝕,通過OLYMPUSGX51型光學(xué)顯微鏡觀察熔敷金屬的金相組織,利用ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡觀察-196 ℃低溫沖擊試樣斷口熔敷金屬微觀組織形貌。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 埋弧焊工藝性

通過多層多道焊和單道堆焊試驗設(shè)計焊材的工藝性,焊縫成型如圖3所示。結(jié)果表明:焊接過程中電弧穩(wěn)定,焊縫金屬脫渣效果好,焊接過程中無飛濺,直線度好,熔敷效率高;焊縫金屬表面張力適當(dāng),熔敷金屬在母材上攤開較好。在橫焊情況下焊縫成型優(yōu)異,無金屬和熔渣下滴、咬邊和凹坑等問題,設(shè)計的焊絲能滿足低溫高錳鋼焊接工藝性要求。

圖3 焊縫成型情況Fig.3 Weld metal forming profile

取樣分析焊縫金屬成分并與焊絲設(shè)計成分進(jìn)行對比,討論焊絲成分設(shè)計與焊接工藝性是否合理,焊絲成分與焊縫金屬成分如表4所示。通過對比發(fā)現(xiàn),焊縫金屬中的C,Cr,Ni,Mo含量與焊絲設(shè)計成分接近、無燒損。S,P含量較低,說明焊劑中加入的CaO具有很好的排S,P作用,降低了焊縫金屬的裂紋傾向。焊縫金屬中的Mn含量低于焊絲成分設(shè)計的Mn含量,存在一定的燒損。焊縫金屬中的Si含量高于焊絲成分值,表明在焊接過程中焊劑過渡的Si含量較多。

表4 焊絲成分與焊縫金屬成分Tab.4 Composition of welding wire and weld metal %

3.2 力學(xué)性能試驗

通過拉伸試驗、常溫夏比沖擊試驗、-196 ℃夏比低溫沖擊試驗、側(cè)彎試驗得到力學(xué)性能數(shù)據(jù)及中國船級社發(fā)布的《高錳奧氏體低溫鋼應(yīng)用指南》對強(qiáng)度和斷后伸長率的要求、工程應(yīng)用對材料-196 ℃沖擊吸收能量的要求,如表5所示。對比各項力學(xué)性能均滿足LNG船用低溫高錳鋼使用要求,且留有較大裕量,試驗所得的力學(xué)性能說明了焊絲成分整體上與母材成分具有很好的相容性。結(jié)果表明,加入Mo固溶強(qiáng)化降低熱裂傾向效果較好,焊縫金屬中的C,Cr,Ni保證了焊縫良好的強(qiáng)度,高M(jìn)n含量促進(jìn)形成穩(wěn)定的奧氏體,較低的P,S含量具有提高焊縫金屬強(qiáng)韌性、降低裂紋敏感性作用,但Si含量較高對于焊縫金屬的韌性有不利作用,應(yīng)加以控制。

表5 焊縫金屬力學(xué)性能Tab.5 Mechanical properties of weld metal

3.3 微觀組織分析

低溫高錳鋼焊縫金相組織如圖4所示?？梢钥闯?焊縫組織觀察未見馬氏體,通過SP10A鐵素體含量檢測分析儀對試樣進(jìn)行測量,表明無鐵素體,即焊縫金屬為全奧氏體組織。焊縫為全奧氏體說明了焊絲成分設(shè)計對奧氏體的穩(wěn)定作用較強(qiáng),形成的全奧氏體組織為焊縫提供了良好的沖擊韌性。

(a)鉻酸電解金相組織

(b)硝酸浸蝕金相組織圖4 焊縫金屬金相組織Fig.4 Microstructure of the weld metal

由圖4(a)可以看出,焊縫金屬組織由細(xì)小的樹枝晶組成,枝晶間距較小,組織致密,晶間有細(xì)小的夾雜物。焊縫組織的枝晶具有一定的方向性,焊縫心部組織通過焊縫表面散熱,枝晶沿垂直于焊縫表面生長。焊縫邊部向兩側(cè)散熱,枝晶沿平行于焊縫表面方向長大。由圖4(b)可以看出,焊縫組織以曲折的晶界為主,晶界周圍分布較少的黑色析出物。由于焊絲中加入的Ni,Mo元素與C元素結(jié)合呈碳化物,在結(jié)晶過程中向能量較高的晶界處偏聚。受熱循環(huán)影響,一部分金屬碳化物固溶在晶界表面,通過釘扎位錯作用提高材料的塑韌性。

用SEM電鏡觀察沖擊斷口形貌,用SEM電鏡的EDS元件分析斷口啟裂位置焊縫金屬成分和斷口表面夾雜物成分。斷口形貌及夾雜物形貌如圖5所示。

圖5 -196 ℃沖擊斷口SEM掃描形貌Fig.5 SEM morphology of -196 ℃ impact fracture

由圖5(a)(b)可以看出,焊縫金屬-196 ℃下沖擊斷口為細(xì)小均勻的韌窩形貌,其斷裂機(jī)制為韌性斷裂,只在幾個微小區(qū)域存在圖5(b)所示的河流花樣狀的解理面。對圖5(b)所示的河流花樣狀解理面進(jìn)行能譜分析,其能譜圖和成分分別如圖6、表6所示。

圖6 解理面處能譜圖Fig.6 Energy spectrogram of cleavage surface

表6 解理面處成分Tab.6 Composition of cleavage surface %

焊縫金屬平均Si含量為0.59%,由能譜分析可知,解理面處的Si含量相比于焊縫金屬平均Si含量高出一倍左右。由斷口分析發(fā)現(xiàn),雖然斷口表面的解理面較少,但解理面多出現(xiàn)在斷裂的啟裂位置。即高Si含量區(qū)域容易出現(xiàn)解理面、促進(jìn)斷裂發(fā)生,降低了材料的低溫韌性。由于焊材中Si含量較高主要受焊劑過渡影響,而焊劑中加入Si的作用主要為脫氧和造渣,焊縫金屬成分中氧含量較低,工藝性觀察表明焊接過程中的造渣能力較好,因此可以考慮降低焊絲中的Si和焊劑中的SiO2含量來降低焊縫金屬中的Si含量,提高焊縫金屬低溫韌性。

在焊接兩道次之間處存在如圖5(c)所示的細(xì)小夾雜物,其能譜圖和成分分別如圖7、表7所示。通過能譜分析夾雜物成分為金屬碳化物和氧化物,結(jié)合焊劑成分分析夾雜物為少量未排出的焊渣,考慮通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)來減少焊縫金屬夾雜物。

圖7 夾雜物能譜圖Fig.7 Energy spectrum of inclusions

表7 夾雜物成分Tab.7 Composition of inclusion %

3.4 焊材成分改進(jìn)

為了探究焊縫金屬不同Si含量下焊縫金屬的熱裂紋敏感性,設(shè)計如下試驗方案:在保證焊材其他成分不變的情況下,采用Si含量為0.4%,0.6%的焊絲及SiO2含量為6%,8%,10%和12%的焊劑進(jìn)行組合,設(shè)置8組不同的焊材成分,通過側(cè)彎試驗檢驗不同Si含量對于熱裂紋傾向的影響。焊絲Si含量、焊劑SiO2含量、焊縫金屬Si含量、側(cè)彎試驗結(jié)果如表8所示,裂紋形貌如圖8所示。

表8 Si含量及側(cè)彎結(jié)果Tab.8 Si content and side-bending results

圖8 不同Si含量試件側(cè)彎形貌Fig.8 Side-bending morphology of specimens with different Si content

試驗表明,當(dāng)焊縫金屬中的Si含量小于0.65%時,焊縫金屬無裂紋;隨著Si含量的提高,焊縫金屬裂紋數(shù)量和裂紋長度均增加,當(dāng)焊縫金屬Si含量超過1.12%時,焊縫金屬發(fā)生失效斷裂。相鄰焊劑成分SiO2含量越高,對應(yīng)焊縫金屬的Si含量差值變化越大。因此焊縫金屬中的Si含量應(yīng)低于0.65%,并合理調(diào)控焊劑與焊絲的Si含量來保證焊縫金屬強(qiáng)度與脫氧效果。

3.5 焊接工藝改進(jìn)

雖然焊縫金屬的Mn含量降低仍能保證焊縫金屬的奧氏體組織穩(wěn)定性,但Mn含量降低會明顯降低焊縫金屬強(qiáng)度與韌性。因此,需要控制焊接過程中的Mn燒損。MA等[16-17]研究發(fā)現(xiàn),低溫高錳鋼焊接過程中Mn元素的燒損主要受焊接熱輸入的影響。焊接電流350 A、電弧電壓30 V對應(yīng)的焊接工藝性較好,因此,通過設(shè)置不同的焊接速度研究不同焊接熱輸入對焊接過程中Mn元素?zé)龘p的影響,同時研究不同焊速對焊劑排渣效果的影響。不同焊接速度對應(yīng)的焊縫金屬Mn含量如表9所示。

表9 不同焊速焊縫金屬Mn含量及力學(xué)性能Tab.9 Different welding speeds,Mn content of weld metal and mechanical properties

試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)焊接速度較慢時熱輸入較大,焊縫金屬在高溫停留時間較長,Mn的燒損較多,焊劑過渡到焊縫金屬中的Si含量提高。焊接速度較快時,熔池冶金反應(yīng)時間較短,焊劑中的Si來不及隨焊渣排出,焊縫金屬中的Si含量提高,其力學(xué)性能降低,同時仍存在Mn元素的燒損。通過試驗確定,當(dāng)焊接速度為450 mm/min時,焊接過程中高溫停留時間適中,冶金反應(yīng)充分,排渣效果較好,焊道無夾雜物,焊縫金屬中Mn燒損量和由焊劑過渡的Si含量均較少。

4 結(jié)論

(1)研制了一種用于低溫高錳鋼埋弧橫焊的焊材,經(jīng)試驗焊縫金屬表面光滑,脫渣性優(yōu)良,無氣孔、裂紋等缺陷,抗拉強(qiáng)度大于660 MPa,在-196 ℃夏比沖擊吸收能大于60 J,滿足建造LNG儲罐對于焊縫金屬性能的要求。

(2)焊縫金屬為全奧氏體組織,焊縫金屬組織由細(xì)小的樹枝晶組成,枝晶間距較小,組織致密,晶間有細(xì)小的夾雜物,沖擊斷口的形貌以細(xì)小的韌窩為主,保證焊縫具有較好性能。

(3)焊縫高Si區(qū)在受沖擊下產(chǎn)生解理面,成為斷裂的啟裂位置,焊縫金屬Si含量較高會提高裂紋敏感性,試驗證明焊縫金屬中的Si含量應(yīng)小于0.65%。