9Ni钢的焊接工艺研究

9Ni钢的焊接工艺研究

李根

中国核工业第五建设有限公司上海市201512

摘要：本论文对LNG低温储罐用9Ni钢的焊接工艺进行了研究。通过制定不同的焊接工艺参数，进行焊接试验，对焊接接头的低温韧性、塑性和强度进行测试，研究结果表明：经调质热处理和双相区热处理的9Ni刚的焊接接头的低温冲击韧性均能达到标准要求，且母材经双相区热处理的焊接接头的低温冲击韧性要优于母材经调质热处理的焊接接头；以ENiCrMo-6焊条为焊材的9Ni钢焊接接头具有较好的塑性；经调制热处理的母材强度低于焊缝，而经双相区热处理的母材强度与焊缝强度相近；以ENiCrMo-6焊条为焊材，采用交流焊接，焊接电流为70~120A，电压为19~24V，线能量为5kj/cm~18kj/cm的焊接工艺是可行的。

关键词：9Ni钢；焊接工艺；低温韧性

1.前言

随着能源、石油化工的迅速发展，9Ni钢成为LNG工业的一种专用钢。LNG为低温（-163℃）状态下储存和运输，对其储罐最重要的性能是优良的低温韧性，同时具有足够的强度，且应具有良好的制造工艺性能，对应变时效脆性和回火脆性的敏感性小。9Ni钢由于其优良的低温韧性和焊接性使其成为制造低温压力容器的优良材料，为各国LNG工业普遍采用。

本论文以9Ni钢的焊接工艺为研究对象，采用手工电弧焊（SMAW）方法，在焊接性分析的基础上、制定焊接工艺参数，开展相关的焊接试验，对焊接接头进行组织分析和包括低温冲击韧性在内的性能进行测定和分析。通过上述工作，力图获得具有工程应用价值的9Ni钢的焊接工艺。

2.焊接试验

焊接试验对不同热处理状态的母材采用不同的焊接工艺，共分为两组，用四对16mm厚试板（共八块板）进行焊接。采用平焊位置的焊接并对每对试板都采用多层多道焊，同时采用多点测温来控制层间温度。各试板试验参数如下：

1）第一对试板（301）和第二对试板（302）各焊接参数（坡口65±5°，钝边1mm，间隙2.5mm，控制层间温度≤100℃，自然冷却），母材为调质处理（800℃×1.5h水淬+580℃×3h水冷）的9%Ni钢板，坡口69°，钝边1mm，间隙2.5mm。见表1：

由冲击试验结果来看，焊缝区的低温冲击韧性明显要低于母材和热影响区，但其最低的冲击韧性63J仍然远超过标准所规定的最低冲击韧性值。

1）焊缝的低温韧性：采用ENiCrMo-6镍合金焊条焊接9Ni钢时，焊缝金属组织均为奥氏体组织，具有良好的低温韧性。从实际的冲击试验结果可以看出，两种热处理后的钢板焊接接头的低温冲击韧性都远超过规定的合格指标，且从试验结果还可以看出经双相区处理的焊缝的低温冲击韧性比调质焊缝的冲击韧性要高。

2）熔合区的低温韧性：采用ENiCrMo-6镍合金焊条焊接9Ni钢时，由于化学成分与9Ni钢不同，相互属于异种钢焊接。采用ENiCrMo-6镍合金焊条焊接时，由于焊条的含碳量与9Ni钢相同、含Ni量高达55%以上，可有效阻止碳迁移、避免熔合区产生脆性组织，从而保证了熔合区低温韧性。

3）采用镍合金焊条ENiCrMo-6焊接时，在焊接接头中，母材在焊缝中的熔合比远低于焊条在焊缝中的熔合比，打底层中马氏体的含量虽会有所增高，但由于在清根过程中打底层已基本被清除，再加上采用镍合金焊条的盖面，焊缝中的熔合比将大大降低，从而保证了熔合区低温冲击韧性均可满足使用温度的要求。由试验结果可以看出，两种热处理钢板的焊接融合区的低温冲击韧性均达到性能要求并比焊缝金属高，且两者之间相差不大。

4）热影响区的低温韧性：焊接过程中，9Ni钢热影响区的各成分虽无变化，但在1100℃以上峰值温度的热循环作用下，过热区会产生粗大的马氏体和贝氏体组织，使逆转奥氏体减少，将使低温韧性下降。因此，需尽量控制线能量并采用多道焊，以减少高温停留时间。本次焊接采用的是多层多道焊接，线能量小，一方面由于每层焊缝变小而改善了凝固结晶的条件，另一方面由于后一层对前一层焊缝具有附加热处理作用，从而改善了焊缝固态相变的组织，从焊接热影响区的低温冲击韧性结果可以看出，此次的线能量控制是合适的，得到的焊接接头热影响区的冲击韧性也是达到要求的。

5）焊接热影响区的低温冲击韧性低于母材，这是由于焊接热循环造成晶粒粗大而脆化，同时较高的峰值温度使该区域逆转奥氏体减少并产生粗大的贝氏体，从而使低温韧性下降。在焊缝区，由于焊接熔池结晶时过冷度较大，经金相观察，形成的焊缝组织大部分是胞状树枝晶，由于晶粒粗大及组织分布不均匀，加上焊缝区化学成分的分布不均匀，同时一些有害元素在焊缝中心区域集合，使得焊缝的低温冲击韧性有所下降，但因采用的焊条中合金元素的作用，使焊缝组织为奥氏体，从而使焊缝仍具有一定的低温冲击韧性。从图中可以看出，母材、焊接热影响区和焊缝区的低温冲击韧性呈下降趋势，说明焊接热循环使得母材的冲击韧性下降。

3.2拉伸试验结果

1）比较表中的3011和3012试样的拉伸试验结果可以看出，焊接接头的拉伸强度高达666.0Mpa，由断裂位置可以看出其焊接接头的抗拉强度和热影响区的抗拉强度均要比母材高。

2）比较表中剩下的四个拉伸试样的试验结果可以看出，试样的抗拉强度也能达到688Mpa以上，但断裂的位置却没有前两个试样那样集中，母材和焊缝位置都有，说明其强度相近。

4.结论

1）以ENiCrMo-6焊条为焊材，采用交流焊接，焊接电流为70~120A，电压为19~24V，线能量为5kJ/cm~18kJ/cm的焊接工艺进行焊接的焊接接头的低温韧性、塑性及强度是达到标准要求的。

2）母材经双相区热处理（850℃×1.5h水淬680℃×3h水淬+580℃×3h水冷）的9Ni钢焊接接头的低温冲击韧性要优于母材经调质热处理（800℃×1.5h水淬+580℃×3h水冷）的焊接接头。

3）经调质热处理的母材强度低于焊缝强度，而经双相区热处理的母材强度与焊缝强度相近。

参考文献：

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