9Ni鋼焊接材料選用及焊接工藝性研究

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摘要：LNG產業發展迅速，目前制造LNG儲罐普遍采用9ni鋼材料。文章介紹了9Ni鋼儲罐的焊接材料研究狀況，以及9Ni鋼的化學組成成分和力學性能，重點介紹了9Ni鋼焊接材料的選用方法和焊接過程中出現的質量缺陷，如熱裂紋、冷裂紋、電弧磁偏吹、焊接件變形，并給出了相應的焊接質量控制措施，為9Ni鋼儲罐的制造企業提供一定的參考依據。

關鍵詞：9Ni鋼；焊接材料；焊接工藝性

19Ni鋼焊接材料的應用

我國的LNG產業發展迅速，到2017年，中國已是世界第二大LNG進口國，據標準普爾公司分析，到2023年我國的LNG需求量將會大幅增加，達到6800萬噸/年，比2017年的需求量翻一番。9Ni鋼能廣泛應用于制造LNG儲罐，得益于其優良的特性，9Ni鋼具有強度高、焊接性能好和低溫韌性好等特性。相較于鎳基合金鋼和奧氏體不銹鋼，其價格便宜，成本較低。雖然9Ni鋼焊接材料在國內有一定的應用，但仍舊主要依賴國外進口。筆者對9Ni鋼及焊接材料的選用和焊接性進行分析，對9Ni鋼儲罐的制造企業或單位在使用上提供一定的參考依據[1-2]。9Ni合金鋼的材料化學元素組成和含量決定其力學性能，尤其C元素和鎳Ni元素起到了關鍵性的作用。9Ni鋼碳元素含量過高會使鋼材的碳當量提高，導致9Ni鋼焊接性變差，碳元素含量應控制在低碳范圍區間內。若在鋼中增加鎳元素的含量，可使Ac3點降低，脆性轉變溫度將向低溫方向變化，可提高其低溫韌性。若在鋼中添加9Ni，溫度變化時，沖擊韌性值將減小[3-4]。同時，9Ni鋼力學性能還與鋼的純凈度和微觀組織結構有關。鋼中的有害的S、P會與Fe、Ni形成的低熔點共晶化合物，從而增加9Ni鋼的熱裂傾向，導致低溫沖擊韌性惡化。S、P元素的含量必須控制在較低的范圍內。9Ni鋼的化學成分和力學性能如表1、表2所示。9Ni鋼主要熱處理方法：兩相區淬火+回火（QLT）、淬火+回火（QT）和雙正火+回火（NNT）。經過QLT低溫韌性最好，QT次之，NNT最差。造成低溫韌性差異的原因在于：1）在相同回火溫度下，9Ni鋼經過QLT處理比經過QT處理獲得的逆轉奧氏體數量要多些。例如回火溫度在560℃，QLT處理的逆轉奧氏體體積為5.60%，而QT處理的逆轉奧氏體體積為2.30%，表現為QLT處理的9Ni鋼沖擊功比QT處理的沖擊功大的多。2）逆轉奧氏體在9Ni鋼中的分布不同。QT熱處理的逆轉奧氏體析出部位主要集中分布在原奧氏體晶界與馬氏體束界上；QLT熱處理的逆轉奧氏體分布較均勻，不僅在原奧氏體晶界與馬氏體束界上分布，而且還在馬氏體板條間析出，這種彌散均勻分布有利于低溫韌性的提高[5-6]。

29Ni鋼焊接材料

在9Ni儲罐制造過程中，主要采取的焊接工藝有焊條電弧焊（SMAW）和埋弧自動焊（SAW）。SAW是焊接效率比較高的一種焊接方法，尤其是在環焊縫焊接時，使用了環縫焊接機械系統，它的優點較為突出，幾乎適用于焊接所有水平位置焊縫和橫焊縫。SMAW雖然沒有SAW焊接效率高，但其焊接靈活，適合于結構件全位置焊接，也很受使用者歡迎。焊條電弧焊（SMAW）焊接9Ni鋼，采用的焊接材料主要有以下四種。1）w（Ni）=11的鐵素體型：材料在室內能較好實施熱處理工序，易處理焊后焊縫的質量缺陷問題，對于大型的開放式儲罐施工現場卻不易或不能實施熱處理工序，現在通常不采用這類焊接材料[7-8]。2）w（Ni）=13和w（Cr）=16的奧氏體不銹鋼型：材料性能特點是強度高，線膨脹系數沒有9Ni鋼理想，易出現脆性組織，低溫韌性較差。脆性組織為高硬度馬氏體帶，在擴散氫作用下，材料就會出現裂紋缺陷。3）w（Ni）≈40的Fe-Ni基型（Fe-Ni-Cr系合金）：這類焊材膨脹系數接近于9Ni鋼，低溫韌性也較好，但強度較低，在一定程度上制約著其的廣泛應用。4）w（Ni）=60的鎳基型（Ni-Cr-Mo系合金）：這類焊材線膨脹系數也接近于9Ni鋼，無需焊接前預熱和焊后進行熱處理，低溫韌性高，抗冷裂性能好，適合大型結構的野外施工，雖然價格高，但應用最為廣泛。

39Ni鋼焊接性分析

9Ni鋼焊接質量是影響LNG儲罐生產制造的主要因素之一。9Ni鋼其實本身具有較好的焊接性，在實際焊接過程中，通常會遇到冷或熱裂紋、低溫韌性降低和電弧磁偏吹等缺陷，需要嚴加控制。3.1焊前不預熱且嚴格控制道間溫度。9Ni鋼焊接后冷卻速度一般受到預熱溫度和道間溫度的影響，冷卻速度變慢會容易促使焊縫晶粒的長大，導致焊接接頭的力學性能降低，尤其是低溫韌性的下降。9Ni鋼焊接通常不預熱，道間溫度控制在100℃之下。3.2熱裂紋。焊接過程中，焊縫金屬結晶，低熔點的雜質會析出，而其析出的數量和分布情況將直接引起熱裂紋的發生。9Ni鋼焊接通常選用高鎳材料，此類材料與S和P的親和力較強，容易在晶界上形成低熔點共晶化合物體Ni3S2-Ni和Ni3P-Ni，導致結晶熱裂紋的產生。熱裂紋類型有折疊中的顯微裂紋、高溫失塑開裂、液化裂紋和弧坑裂紋。9Ni鋼的抗冷裂能力良好，若采用不恰當的焊接工藝，將會有一定的冷裂紋敏感性。要是焊接材料有未去除水份，材料的熔合區可能會出現氫致的冷裂紋。選用焊接材料時，需要考慮低氫、低碳含量，以及選擇合適的焊接工藝參數，材料需進行必要的烘干處理，也要合理的控制道間溫度和焊接熱，這樣都可以降低冷裂紋敏感性。3.3電弧磁偏吹。9Ni鋼材料特性是磁化傾向較大的，需要控制9Ni鋼母材磁的含量與影響，材料剩磁應控制在50Gauss以下。焊接焊縫質量會受到磁偏吹的影響，這是一種電弧離子流造成的，造成焊縫常見缺陷有縫未焊透、未熔合、焊瘤、夾渣和氣孔等缺陷。預防電弧磁偏吹通常有四種途徑：1）母材進行消磁處理；2）抵消母材的磁場，可將永久磁鐵放在坡口兩側；3）選用交流焊接；4）試板坡口打磨采用碳弧氣刨容易產生剩磁，坡口應盡量采用砂輪打磨。3.4低溫韌性下降。采用的不同焊接材料焊縫金屬的低溫韌性不相同。采用鐵素體型焊接材料時，此材料的成分與9Ni鋼相同，焊縫中氧的含量高，焊縫的低溫韌性較差。而采用鎳基型焊接材料，其線膨脹系數與9Ni鋼相近，低溫韌性良好，應用較廣泛。3.5焊接件變形。9Ni鋼導熱系數小，熱量不容易散失，線膨脹系數大，在20～-196℃線膨脹系數為8.05×10-6/℃，具有較大的線膨脹變形力。應盡量選用9Ni鋼線膨脹系數相近的鎳基焊接材料，同時采用較小的焊接熱輸入和較低的道間溫度，減小焊接件的變形。

4結束語

通過對9Ni鋼化學成分、力學性能和熱處理工藝的介紹，有利于9Ni鋼在國內的迅速發展，為9Ni鋼生產和制造單位提供一定的參考依據。通過對9Ni鋼焊接材料及焊接缺陷熱裂紋、冷裂紋、電弧磁偏吹、焊接件變形的分析，給出了相應的預防措施，使焊接工作者盡可能在焊接過程中避免出現這種失誤，確保9Ni鋼儲罐的正常施焊。

作者:楊越 郭容 黃藤藤 單位:宜賓職業技術學院