9Ni鋼焊接材料選用及焊接工藝性研究

1、9Ni鋼焊接材料選用及焊接工藝性研究19Ni鋼焊接材料的應(yīng)用我國的LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，到 ，中國已是世界第二大LNG進口國，據(jù)標(biāo)準(zhǔn)普爾公司分析，到 我國的LNG需求量將會大幅增加，達到6800萬 噸/年，比年的需求量翻一番。9Ni鋼能廣泛應(yīng)用于制造LNG儲罐，得益于其優(yōu)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(nèi)有一定的應(yīng)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(yè)或單位在使用上提供一定的參考依據(jù) 1-2。9Ni合金鋼的材料化學(xué)元素組成和含量

2、決定其力學(xué)性能，尤其C元素和鎳Ni元素起到了關(guān)鍵性的作用。9Ni鋼碳元素含量過高會使鋼材的碳當(dāng)量提高，導(dǎo) 致9Ni鋼焊接性變差，碳元素含量應(yīng)控制在低碳范圍區(qū)間內(nèi)。若在鋼中增加鎳元 素的含量，可使Ac3點降低，脆性轉(zhuǎn)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(xué)性能還與鋼的純凈度和微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。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(dǎo)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(nèi)。9Ni鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能如1、表2所示。9Ni鋼主要熱處理方法：兩相區(qū)淬火+

3、回火（QLT、淬火+回 火（QT）和雙正火+回火（NNT）。經(jīng)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(jīng)過QLT處理比經(jīng) 過QT處理獲得的逆轉(zhuǎn)奧氏體數(shù)量要多些。例如回火溫度在560C, QLT處理的逆轉(zhuǎn)奧氏體體積為5.60%,而QT處理的逆轉(zhuǎn)奧氏體體積為2.30%,表現(xiàn)為QLT處理 的9Ni鋼沖擊功比QT處理的沖擊功大的多。2）逆轉(zhuǎn)奧氏體在9Ni鋼中的分布不 同。QT熱處理的逆轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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

4、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(huán)焊縫焊接時，使用了環(huán)縫焊接機械系統(tǒng)，它的優(yōu)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(jié)構(gòu)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(nèi)能較 好實施熱處理工序，易處理焊后焊縫的質(zhì)量缺陷問題，對于大型的開放式儲罐 施工現(xiàn)場卻不易或不能

5、實施熱處理工序，現(xiàn)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(shù)沒有9Ni鋼理想，易出現(xiàn)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(xiàn)裂紋缺陷。3) w (Ni)40勺Fe-Ni基型(Fe-Ni-Cr系合金)：這類焊材膨脹系數(shù)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(yīng)用。4) w (Ni) =60的鎳基型(Ni-Cr-Mo系合金)：這類焊材線膨脹系數(shù)也接近于 9Ni鋼，無需焊接前預(yù)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(jié)構(gòu)的野外

6、施工，雖然價格高， 但應(yīng)用最為廣泛。39Ni鋼焊接性分析9Ni鋼焊接質(zhì)量是影響LNG儲罐生產(chǎn)制造的主要因素一。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(yán)加控制。3.1焊前不預(yù)熱且嚴(yán)格控制道間溫度。9Ni鋼焊接后冷卻速度一般受到預(yù)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(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能降低， 尤其是低溫韌性的下降。9Ni鋼焊接通常不預(yù)熱，道間溫度控制在 100C之下。 3.2熱裂紋。焊接過程中，焊縫金屬結(jié)晶，低熔點的雜質(zhì)會析出，而其析出的數(shù) 量和分布情況將直接引起熱裂紋的發(fā)生。9Ni鋼焊接通常選

7、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(dǎo)致結(jié)晶熱裂紋的產(chǎn)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(dāng)?shù)暮附庸?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(qū) 可能會出現(xiàn)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(shù)，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(yīng)

8、控制在50Gauss以下。焊接焊縫質(zhì)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(yù)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(cè)；3）選用交流焊接；4）試板坡口打磨采用碳弧氣刨容易產(chǎn)生 剩磁，坡口應(yīng)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(shù)與9Ni鋼相近，低溫韌性良好，應(yīng)用較廣泛。3.5焊接件變形。9Ni鋼導(dǎo)熱系 數(shù)小，熱量不容易散失，線膨脹系數(shù)大，在 20-196C線膨脹系數(shù)為 8.05 X 10-6/，具有較大的線膨脹變形力。應(yīng)盡量選用9Ni鋼線膨脹系數(shù)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(jié)束語通過對9Ni鋼化學(xué)成分、力學(xué)性能和熱處理工藝的介紹，有利于 9Ni鋼在國 內(nèi)的迅速發(fā)展，為9Ni鋼