王曉磊 肖軍

摘要：9%Ni鋼LNG大型儲(chǔ)罐立縫的自動(dòng)化焊接，是亟需解決的行業(yè)難題。本文使用GMAW-P自動(dòng)焊技術(shù)對(duì)LNG儲(chǔ)罐立縫進(jìn)行施焊。為保證焊接接頭的焊接質(zhì)量和可靠性，通過(guò)微觀組織觀察、拉伸彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度檢測(cè)等研究手段對(duì)焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：9%Ni鋼自動(dòng)立焊接頭焊縫成形良好，組織過(guò)渡均勻。接頭整體拉伸試驗(yàn)在熱影響區(qū)產(chǎn)生塑性斷裂，焊縫金屬拉伸性能優(yōu)異，接頭彎曲試驗(yàn)無(wú)裂紋產(chǎn)生，-196 ℃沖擊試驗(yàn)低溫韌性良好，各項(xiàng)力學(xué)性能符合工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求，為L(zhǎng)NG大型儲(chǔ)罐9%Ni鋼自動(dòng)立焊高效焊接技術(shù)的應(yīng)用與推廣提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：9%Ni鋼;GMAW-P自動(dòng)立焊;微觀組織;力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG457.11? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0106-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.19

0? ? 前言

我國(guó)加快推進(jìn)落實(shí)清潔能源戰(zhàn)略，環(huán)保政策嚴(yán)格實(shí)施，已經(jīng)成為世界最大天然氣進(jìn)口國(guó)。對(duì)天然氣的需求與依賴(lài)不斷加大，LNG碼頭建設(shè)已經(jīng)列入國(guó)家規(guī)劃，大量建設(shè)LNG（液態(tài)天然氣）儲(chǔ)罐能夠有效調(diào)節(jié)我國(guó)當(dāng)前季節(jié)性的天然氣供需矛盾。當(dāng)前，LNG儲(chǔ)罐壁板的立縫[1]使用最多的焊接方法是焊條電弧焊，壁板的橫焊縫和底板蓋面焊主要使用埋弧自動(dòng)焊[2]。立焊位置的特殊性、9%Ni鋼母材易磁化、使用鎳基焊材涉及異種鋼焊接等諸多因素限制了自動(dòng)立焊的應(yīng)用與推廣。LNG內(nèi)罐9%Ni鋼壁板焊接時(shí)，先完成立縫焊接形成環(huán)帶，再完成環(huán)縫的橫焊位置焊接，焊條電弧焊效率明顯低于埋弧自動(dòng)焊，立縫與環(huán)縫不能同時(shí)施焊，導(dǎo)致立縫焊接成為制約整個(gè)內(nèi)罐壁板施工效率的重要因素[3]。

文中采用熔化極氣保焊（GMAW-P）高效自動(dòng)焊接方法進(jìn)行9%Ni鋼LNG儲(chǔ)罐立縫自動(dòng)焊試驗(yàn)，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，對(duì)焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究與討論。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及工藝

試驗(yàn)所用鋼板是國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的9%Ni鋼（06Ni9DR），厚度27 mm，經(jīng)調(diào)制處理供貨。自動(dòng)焊設(shè)備使用真空軌道全自動(dòng)立焊機(jī)，焊接方法為GMAW-P，采用雙V型坡口如圖1所示 ，采用φ （Ar）90%+φ（He）10%混合氣體進(jìn)行保護(hù)，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。焊材使用ERNiCrMo-3實(shí)心焊絲，正面焊接后對(duì)背部進(jìn)行清根處理，隨后進(jìn)行背部焊接，焊后按NB/T47014-2011進(jìn)行焊后檢驗(yàn)，未見(jiàn)明顯缺陷。

焊接完成后按要求截取尺寸為27 mm×20 mm×300 mm的橫向拉伸試樣，尺寸為38 mm×10 mm×300 mm的縱向彎曲試樣，取棒狀全焊縫金屬縱向拉伸試樣，夏比V型沖擊試驗(yàn)取尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，硬度檢測(cè)用維氏硬度計(jì)，JSM-7200F掃描電鏡（SEM）觀察微觀組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀組織分析

焊接接頭宏觀金相如圖2所示，9%Ni鋼GMAW-P自動(dòng)立焊接頭偶見(jiàn)微小氣孔，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。焊縫及熱影響區(qū)熔合良好，無(wú)焊接裂紋和未熔合出現(xiàn)，異種鋼焊接過(guò)程中熔合比較小，原坡口形狀清晰可見(jiàn)。焊趾部位過(guò)渡圓滑，鎳基合金層道熔合均勻，由于鎳基合金熔化后粘度高，導(dǎo)致焊接余高略高。

圖3a為9%Ni鋼母材微觀組織，多邊形原奧氏體晶內(nèi)分布著板條狀馬氏體，晶界分布著白亮色顆粒狀殘余奧氏體[4-5]。圖3b為焊縫微觀組織，焊縫金屬為固溶強(qiáng)化鎳基合金，熔池凝固至室溫的顯微組織為單相全奧氏體。凝固時(shí)出現(xiàn)成分顯微偏析，導(dǎo)致凝固亞晶的成分存在小范圍變化。從熔合線向熔池中心冷卻速度降低，可以清晰的觀察到呈樹(shù)枝狀、柱狀、等軸狀的凝固亞晶界[6]。由于后一道焊縫對(duì)上一道焊縫的回火作用，焊縫層道間部分柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶和胞狀晶。

圖3c～3f分別為熱影響區(qū)的粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、未完全淬火區(qū)、回火區(qū)組織。粗晶區(qū)近熔合線處加熱溫度較高，出現(xiàn)過(guò)熱組織，主要為粗大的板條馬氏體。原奧氏體晶粒較大，板條馬氏體束較粗，具有明顯的馬氏體晶體向關(guān)系。晶界分布有少量層片狀殘余奧氏體。細(xì)晶區(qū)晶粒明顯細(xì)化，原奧氏體晶界內(nèi)馬氏體由束狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅?，殘余奧氏體顆粒狀分布于晶界，含量相對(duì)提高。未完全淬火區(qū)加熱溫度不高，只有部分馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，奧氏體晶粒不能快速長(zhǎng)大，部分馬氏體晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大[7]。冷卻過(guò)程中細(xì)小的原奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，粗大的馬氏體繼續(xù)保留，晶粒尺寸明顯不均勻。回火區(qū)晶界受熱循環(huán)作用，逆轉(zhuǎn)奧氏體出現(xiàn)，較大逆轉(zhuǎn)奧氏體再次轉(zhuǎn)變?yōu)槎务R氏體，原奧氏體晶粒尺寸與母材相近。

2.2 接頭力學(xué)性能

焊接接頭橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度數(shù)值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，斷口均位于熱影響區(qū)，斷口形貌呈現(xiàn)出典型的塑性斷裂特征，焊接熱影響區(qū)為焊接接頭薄弱處。全焊縫金屬縱向拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，9%Ni鋼自動(dòng)立焊焊縫金屬為鎳基合金，焊后屈服強(qiáng)度較低，抗拉強(qiáng)度較高，延伸率較好。焊縫金屬?gòu)?qiáng)度能夠滿(mǎn)足使用性能。9%Ni鋼自動(dòng)立焊彎曲試驗(yàn)縱向面彎、縱向背彎彎曲180°后均未見(jiàn)缺陷，焊接接頭具有良好的抗彎曲變形能力，焊縫組織均勻致密塑性良好，滿(mǎn)足技術(shù)要求[8]。焊接接頭維氏硬度分布如圖4所示，Ni625焊縫金屬硬度略小于9%Ni鋼母材硬度，緊挨熔合線的粗晶區(qū)硬度明顯升高，細(xì)晶區(qū)硬度達(dá)到最大，回火區(qū)硬度顯著降低，接近母材硬度。

焊縫區(qū)及熔合線各位置-196 ℃低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。焊縫金屬?zèng)_擊吸收功最高，沖擊側(cè)向膨脹量高達(dá)約2 mm，低溫沖擊韌性最好。熔合線處沖擊韌性略有降低，側(cè)向膨脹量也隨之降低。隨著沖擊試樣中心位置不斷向母材偏移，沖擊韌性逐漸降低，側(cè)向膨脹量也呈下降趨勢(shì)。母材低溫沖擊韌性低于焊縫，但比熔合線偏移2.5 mm試樣低溫沖擊吸收功高，說(shuō)明實(shí)際焊接接頭粗晶區(qū)為低溫沖擊韌性薄弱區(qū)。

3 結(jié)論

（1）9%Ni鋼母材組織由回火馬氏體和少量殘余奧氏體組成，無(wú)碳化物析出，少量馬氏體呈現(xiàn)束狀特征。GMAW-P自動(dòng)立焊接頭焊縫組織為固溶強(qiáng)化的奧氏體單相組織，可見(jiàn)顯著的呈樹(shù)枝狀、柱狀的凝固亞晶界，亞晶粒細(xì)小。

（2）焊接接頭熱影響區(qū)組織過(guò)渡均勻。粗晶區(qū)原奧氏體晶粒較大，馬氏體板條束較粗，晶界分布有層片狀殘余奧氏體。細(xì)晶區(qū)晶粒細(xì)化明顯，晶內(nèi)多邊形馬氏體，顆粒狀殘余奧氏體含量相對(duì)提高。未完全淬火區(qū)冷卻過(guò)程中細(xì)小的原奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，粗大的馬氏體繼續(xù)保留，晶粒尺寸不均勻。回火區(qū)出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)奧氏體，尺寸較大的逆轉(zhuǎn)奧氏體冷卻后出現(xiàn)二次馬氏體，原奧氏體晶粒尺寸與母材相近。

（3）采用GMAW-P自動(dòng)立焊焊接9%Ni鋼板，獲得的焊接接頭縱向拉伸試驗(yàn)斷裂在熱影響區(qū)薄弱區(qū)，但抗拉強(qiáng)度大，縱向彎曲性能優(yōu)良，各區(qū)域-196 ℃低溫沖擊韌性較好，未出現(xiàn)脆性斷裂，焊接接頭工藝性能和力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

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