9Ni 鋼手工電弧焊焊接接頭組織與性能研究

彭清和， 顏文煅， 許劍楓

（閩南理工學(xué)院， 福建石獅 362700）

0 引言

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

9Ni 鋼在-196℃低溫下仍然具有較高的機(jī)械性能尤其是良好的韌性，從而被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)LNG 儲(chǔ)罐和運(yùn)輸船[1]。 但是，在焊接該材料的時(shí)候，容易出現(xiàn)一些問題，比如其熔合線附近的粗晶區(qū)可能會(huì)由于低溫的原因?qū)е鲁霈F(xiàn)脆化，這是9Ni 鋼接頭易生成裂紋，從而導(dǎo)致了該材料容易受到破壞[2]。為了避免出現(xiàn)這種情況，提高LNG 運(yùn)輸?shù)陌踩?，就需要?duì)其展開研究和分析，明確焊接方式對(duì)焊接接頭組織和性能的影響， 從而使其能夠更加安全的運(yùn)輸。 作為全球通用的低溫用鋼，Ni 系低溫鋼材因擁有較好的機(jī)械性能尤其是優(yōu)異的低溫性能， 其能夠使用的最低溫度為-196℃，因此其應(yīng)用的范圍十分廣泛[3-4]。

1.1 試驗(yàn)材料

使用的是由渾火－回火（QT）供貨的9Ni 鋼， 9Ni 鋼成分如表1，表2 所示的是9Ni 鋼板力學(xué)性能結(jié)果一覽。

表1 9Ni 鋼板成分一覽表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表2 9Ni 鋼板力學(xué)性能結(jié)果一覽表

1.2 焊接試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用SMAW，9Ni 鋼鋼板尺寸為400mm×200mm×20mm，設(shè)備為松下交流弧焊機(jī)YK-305AA3。 根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐和熱模擬經(jīng)驗(yàn)，特制定如表3 所示焊接工藝參數(shù)。坡口尺寸示意圖如圖1。 焊接道數(shù)詳見圖2。 電焊條為ENiCrMo-6，其化學(xué)成分如表（表4）所示和性能如表（表5）所示，滿足AWSA5.11-2005。

圖1 焊接坡口尺寸示意圖

圖2 焊接道數(shù)示意圖

表3 焊接工藝參數(shù)

表4 焊條熔敷金屬化學(xué)成分一覽表（Wt%）

表5 焊條熔敷金屬性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果一覽表

2 結(jié)果與分析

2.1 9Ni 鋼的低溫性能

2.1.1 9Ni 鋼母材的組織性能

試驗(yàn)用9Ni 鋼是微觀組織為板條狀低碳型回火馬氏體、是淬火-回火態(tài)供貨。 對(duì)該材料進(jìn)行研究和分析可以明確，其具有較高的Ni 含量，該元素含量較高，則可以增加奧氏體區(qū)面積， 從而使材料能夠在高溫條件下獲得更多的奧氏體相， 可以通過使用淬火的方式獲得板條狀的馬氏體組織， 可以通過回火的方式讓材料中的馬氏體相發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而使其能夠轉(zhuǎn)變?yōu)槟孓D(zhuǎn)奧氏體。根據(jù)相關(guān)研究資料可以明確，因?yàn)榘鍡l馬氏體含有碳元素的量較少，因此其可以發(fā)生自回火， 從而使其含有的碳元素可以均勻分布；由于在胞狀亞結(jié)構(gòu)中存在位錯(cuò)，且在有些位置的密度較低，從而促進(jìn)了位錯(cuò)的活動(dòng)，進(jìn)而能夠降低局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而使組織裂紋得到延緩，讓尖端應(yīng)力最大值降低，從而使材料的韌性得到提升；此外，在有馬氏體板條存在的情況下，裂紋不容易擴(kuò)張，因而材料具有較好的韌性和較高的性能[5]。 所以，由熱處理工藝調(diào)整馬氏體分布位置、 形狀從而増加細(xì)小板條狀的比例進(jìn)而提升材料的塑韌性。

2.1.2 9Ni 鋼板的低溫CTOD 和低溫拉伸試驗(yàn)分析

在對(duì)材料準(zhǔn)靜態(tài)裂紋尖端抵抗開裂能力進(jìn)行評(píng)價(jià)的時(shí)候，可以使用CTOD 數(shù)值大小。 如果該數(shù)值較小，則說明材料不具有較強(qiáng)的抵抗開裂的能力， 因此其尖端處相對(duì)容易出現(xiàn)裂紋；如果該數(shù)值較大，則說明材料具有較強(qiáng)的抵抗開裂的能力，因此其尖端處相對(duì)不容易出現(xiàn)裂紋。所以，在對(duì)材料韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)的時(shí)候，可以使用該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

選擇厚度為20mm 的9Ni 鋼，取兩組試樣，共6 個(gè)。其中3 個(gè)試樣是在與軋制方向垂直方向獲取的， 其為Z組，其中3 個(gè)試樣是在與軋制方向平行方向獲取的，其為H 組。 對(duì)試樣進(jìn)行處理，使其符合標(biāo)準(zhǔn)，然后分別進(jìn)行-196℃CTOD 實(shí)驗(yàn)，表6 所示的是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖3 所示的是CTOD 實(shí)驗(yàn)斷裂形貌。根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求可以明確，當(dāng)溫度為-196℃時(shí)，δm或δu平均值不小于0.3mm，則可以認(rèn)為試樣合格。 對(duì)試樣進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度為-196℃時(shí)，δm或δu平均值為0.599mm， 因此可以認(rèn)為該材料具有較好的低溫韌性。

圖3 CTOD 實(shí)驗(yàn)結(jié)果斷裂形貌

表6 CTOD 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)一覽表

選擇厚度為20mm 的9Ni 鋼，取兩組試樣，共6 個(gè)。對(duì)試樣進(jìn)行處理， 使其符合標(biāo)準(zhǔn)， 把試樣放在試驗(yàn)儀器（WEW-300）微機(jī)液壓萬用實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 其中3 個(gè)試樣是沿軋制方向拉伸試樣獲取的，其為A 組，其中3 個(gè)試樣是在與軋制方向垂直方向獲取的，其為B 組。當(dāng)溫度為-196℃時(shí)，對(duì)其拉伸性能進(jìn)行研究。 表7 所示的是9Ni鋼在-196℃的拉伸性能結(jié)果， 圖4 所示是低溫拉伸試樣斷后形貌。 從中能看出-196℃下9Ni 鋼強(qiáng)塑性非常不錯(cuò)。

圖4 低溫拉伸試樣斷后形貌

表7 9Ni 鋼在-196℃的拉伸性能

2.2 9Ni 鋼板焊后宏觀圖

由于焊接設(shè)備相當(dāng)簡單、操作非常方便、應(yīng)用領(lǐng)域范圍非常廣泛等特點(diǎn)， 焊條電弧焊是9Ni 鋼工業(yè)生產(chǎn)中儲(chǔ)罐焊接應(yīng)用最廣的方法[6-7]。首先選擇合適焊條，然后分析接頭微觀特征。進(jìn)行了沖擊實(shí)驗(yàn)并分析接頭的斷口特性，為優(yōu)化焊接接頭低溫韌性打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

參考大量文獻(xiàn)和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)得知9Ni 鋼加工過程焊材主要分為4 種[8]，即含Ni13%-Cr16%的奧氏體不銹鋼型、含Ni 約40%的Fe-Ni 基型、和含Ni 11%的F 型以及含Ni 約60%以上Inconel 型。 通過對(duì)比分析利用與母材相似的焊接材料時(shí)，需要進(jìn)行熱處理操作，否則會(huì)導(dǎo)致低溫韌性降低， 這是由于焊接過程中合金元素在熔池中溫度過高產(chǎn)生燒損以及焊接熱循環(huán)過程中生成的局部鑄造組織； 由于Fe-Ni 材料與母材的的線膨脹系數(shù)不大一致，所以選擇了線膨脹系數(shù)與母材差不多的含Ni 量較高的Ni 基材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終選用ENiCrMo-6 焊條作焊接材料。 9Ni 鋼手工電弧焊焊后形貌如圖5 所示。

圖5 9Ni 鋼手工電弧焊焊后形貌

2.3 手工電弧焊焊接接頭組織與性能探討

2.3.1 顯微組織

圖6（a）可以觀察到，SMAW 焊縫由兩部分構(gòu)成， 一部分是奧氏體，一部分是析出相。 對(duì)其晶體形狀進(jìn)行研究可以明確，其為樹枝狀，并且具有方向性，明亮的顏色是樹枝狀枝干。 殘余的金屬顆粒分布在樹枝之間，樹枝晶附近的深色是已經(jīng)結(jié)晶的奧氏體相。圖6（b）可以看出熱影響區(qū)粗晶區(qū)是由條狀馬氏體和粗大殘余奧氏體構(gòu)成。 在熱影響區(qū)焊接熱循環(huán)后，晶粒生長快，得到較大的殘余奧氏體組織。

圖6 手工電弧焊焊縫和粗晶區(qū)顯微組織

如圖7 所示的手工電弧焊焊縫組織中的析出相微觀形貌和析出相EDS 圖譜，表8 是析出相的EDS 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析，對(duì)其微觀組織進(jìn)行研究和分析可以明確，其塊狀和條狀的析出相由奧氏體組成， 并且析出相還不連續(xù)，這些析出相分布于枝狀晶之間。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出析出相成分中含有較多的鉬元素和絡(luò)元素， 這是因?yàn)楹推胀ㄤ撓啾?，該材料的溶碳能力較低，因此即使其含有的碳含量較低，其也會(huì)有析出相形成。

圖7 焊縫中的析出相微觀形貌特征和EDS 圖譜

表8 析出相元素分析結(jié)果一覽表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2.3.2 焊接接頭的力學(xué)性能

表9 所示的是20mm 厚鋼板接頭拉伸性能結(jié)果統(tǒng)計(jì)表，接頭的拉伸實(shí)驗(yàn)斷裂形貌如圖8 所示。由圖可以得出結(jié)構(gòu)鋼板的焊接接頭在常溫下斷裂位置發(fā)生在母材處，這說明母材處的抗拉強(qiáng)度低于熱影響區(qū)位置和焊縫位置。得到的強(qiáng)度是720MPa，在通常情況下，鋼板要求強(qiáng)度最低為680MPa，最高不超過820MPa，因此可以明確，通過使用手工電弧焊焊接方式， 可以讓9Ni 鋼具有較好的焊接接頭拉伸性能。

圖8 接頭的拉伸試樣斷裂形貌

表9 焊接接頭拉伸性能結(jié)果統(tǒng)計(jì)一覽表

20mm 厚鋼板的焊接接頭彎曲性能統(tǒng)計(jì)表如表10，圖9 所示的是20mm 厚鋼板接頭彎曲形貌特征。 對(duì)其進(jìn)行深入的研究和分析可以明確，無論是哪種彎曲，鋼板均符合要求， 因此可以認(rèn)為， 通過使用手工電弧焊焊接方式，可以讓9Ni 鋼具有較好的焊接接頭彎曲性能。

圖9 焊接接頭彎曲形貌

如表11 所示的是溫度為-196℃時(shí)20mm 厚鋼板沖擊吸收功，對(duì)其進(jìn)行深入的研究和分析可以明確，無論哪個(gè)位置，使用手工電弧焊焊接方式， 可以讓9Ni 鋼的低溫性能沖擊吸收功均不小于80J；從焊縫中心到熔合線方向，其低溫性能逐漸提升。

表11 -196℃時(shí)9Ni 鋼板接頭低溫沖擊吸收結(jié)果統(tǒng)計(jì)一覽表

9Ni 鋼板（20mm 厚）接頭硬度情況見表12，對(duì)焊接接頭不同位置的維氏硬度進(jìn)行測(cè)量， 因?yàn)樵谶M(jìn)行焊接的時(shí)候， 在焊接下一道接縫的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致上一道接縫再次受熱，因此，為了讓研究結(jié)果更加準(zhǔn)確，選擇使用受熱效果不明顯的部位進(jìn)行研究，即表面下2mm，對(duì)母材進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)試，位置從焊縫開始，截止到熱影響區(qū)，10kg 為載荷。其結(jié)果如圖10 所示。 對(duì)其進(jìn)行研究和分析可以明確，和熱影響區(qū)位置相比，無論是母材處還是焊縫處，其硬度值均較小，該數(shù)值出現(xiàn)一定的波動(dòng)，但是波動(dòng)范圍較小。 可以得出結(jié)論熱影響區(qū)位置平均硬度值最大，母材次之，焊縫中心位置值最小。 分析原因：①與材料的內(nèi)部組織有關(guān)。焊縫處主要有兩種組織，一種是析出相，一種是奧氏體，因此其具有較低的硬度，當(dāng)發(fā)生熱循環(huán)之后，熱影響區(qū)組織快速生長變得粗大。 組織晶粒由較粗馬氏體構(gòu)成并在快冷中產(chǎn)生硬度很大馬氏體， 因而在焊接熱影響區(qū)位置硬度值明顯提升，所以結(jié)果表現(xiàn)為熱影響區(qū)硬度值最大。因主要為低碳型馬氏體結(jié)構(gòu)，母材硬度值大小介于熱影響區(qū)以及焊縫中心之間； ②焊接接頭在發(fā)生焊接冶金反應(yīng)時(shí)，由于其組織中的微觀形態(tài)分布不均勻，并且其化學(xué)成分不均勻，因此導(dǎo)致了其截面位置硬度發(fā)生改變，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，使用手工電弧焊焊接方式，不會(huì)出現(xiàn)材料脆化。

圖10 焊接接頭的硬度

表12 焊接接頭硬度分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果一覽表

2.3.3 焊接接頭的斷口形貌

經(jīng)過外加載荷的作用，從而導(dǎo)致材料發(fā)生形變，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生顯微空穴，從而使新的微孔產(chǎn)生。當(dāng)持續(xù)增加外加荷載的時(shí)候，其微孔會(huì)變大，當(dāng)其變大到一定程度的時(shí)候，就會(huì)斷裂，隨后對(duì)材料端口進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)表面上有塑性撕裂變形痕跡且有很多凹凸不平的韌窩。 顯微狀態(tài)下杯狀韌窩數(shù)量多、變形尺寸大則表示沖擊韌性好。焊縫中心處和離熔合線靠近母材方向3mm 處粗晶區(qū)斷口特征如圖11 所示。 由圖11（a）圖可以看出，當(dāng)溫度為-196℃，通過使用手工電弧焊焊接，在其中心可以發(fā)現(xiàn)有韌窩狀撕裂棱存在， 表示焊縫在斷裂時(shí)發(fā)生了塑性形變，圖中韌窩深度較淺，韌窩尺寸小，撕裂面積不大，斷裂方式仍為韌性斷裂。 由圖11（b）圖可知手工電弧焊粗晶區(qū)組織粗大， 組織由大大小小的韌窩組成， 大小韌窩相互交叉。

圖11 斷口形貌特征

2.3.4 焊縫的化學(xué)成分

由表13 可知， 手工電弧焊焊縫中C 元素含量為0.03%。 P、S 等元素會(huì)使焊縫組織的低溫性能下降很多，手工電弧焊焊縫中P、 S 有害元素含量分別為0.046%和0.004%。 W、 Mo 是合金固溶體元素，使Cr 的高溫?cái)U(kuò)散速度降低，強(qiáng)化組織結(jié)合力，進(jìn)而延長組織變軟時(shí)間，手工電弧焊焊縫中W、 Mo 元素含量分別為2.12%和4.75%，可以讓焊縫的強(qiáng)度增加。 焊縫組織含有少量的鈮Nb，則可以讓晶粒得到細(xì)化，從而使其低溫韌性增強(qiáng)[9-10]。

表13 手工電弧焊焊縫的化學(xué)成分

3 結(jié)論

（1） 用9Ni 鋼進(jìn)行超低溫CTOD 試驗(yàn)結(jié)果表明：LNG儲(chǔ)罐用9Ni 鋼在-196℃低溫韌性良好。 采用手工電弧焊對(duì)9Ni 鋼板進(jìn)行焊接， 可以使焊接接頭具有較好的成形性能，對(duì)其顯微組織進(jìn)行研究和分析可以明確，通過該方式進(jìn)行焊接，焊縫由兩部分組成，一部分是析出相，一部分是奧氏體，其焊縫為樹枝狀，并且具有一定的方向，明亮的顏色是樹枝狀枝干， 手工電弧焊焊接粗晶區(qū)組織是由條狀馬氏體和粗大殘余奧氏體組織組成。

（2）對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)分析可以明確，通過使用手工電弧焊焊接， 可以讓9Ni 鋼焊接接頭具有較好的低溫沖擊韌性，具有較好的彎曲性能和較大的抗拉強(qiáng)度，不會(huì)出現(xiàn)材料脆化。通過分析得到，接頭化學(xué)成分與母材具有較高的匹配性。

（3） 通過掃描電鏡對(duì)接頭各部分位置沖擊斷口形貌進(jìn)行研究， 手工電弧焊焊接時(shí)得到?jīng)_擊斷口特征是韌性斷裂。