平仰位置的9%Ni鋼雙面氬弧焊打底工藝及接頭性能分析

黃金祥

（武漢一冶鋼結構有限責任公司，湖北武漢430080）

平仰位置的9%Ni鋼雙面氬弧焊打底工藝及接頭性能分析

黃金祥

（武漢一冶鋼結構有限責任公司，湖北武漢430080）

針對9%Ni鋼仰焊位置的焊接工藝和外觀成形差的問題，采用雙面氬弧焊工藝打底后,分別采用氬弧焊和焊條電弧焊進行平焊位置的填充焊接。試驗結果表明，兩種不同填充焊接方法的接頭橫向拉伸均達到母材抗拉強度的下限值，實現了等強匹配，且在-196℃時低溫沖擊韌性良好。證明雙面氬弧焊打底工藝能將仰焊位置轉換為平焊進行焊接，有利于保證9%Ni鋼平仰位置的焊接質量和焊縫外觀成形。

9%Ni鋼；仰焊；雙面氬弧焊

0 前言

9%Ni鋼具有良好的低溫高強性能，是用來制造LNG儲罐的首選材料。9%Ni鋼自1942年被發明以來發展迅速[1]。目前歐標EN10028-4列入牌號有X7Ni9、X8Ni9；JIS標準中列有SL9N520、SL9N590，國標GB24510-2009《低溫壓力容器用9%Ni鋼板》列入了三個牌號：9Ni490、9Ni590A和9Ni590B。盡管9%Ni鋼的相關標準和牌號各不相同，但性能基本相同，其較高的強度和在-196℃時具有良好的低溫沖擊韌性是其他鋼種無法比擬的。9%Ni鋼的熱處理方式主要有正火+正火+回火（NNT）、淬火+回火（QT）、淬火+亞溫淬火+回火（IHT）三種[2]，應用較廣的是QT態的9%Ni鋼。隨著國產9%Ni鋼的不斷推廣應用，其配套焊材和焊接方法也多樣化[3]，目前主要有焊條電弧焊、埋弧焊、氬弧焊，近年也有藥芯焊絲的相關報道。

9%Ni鋼焊接難度大，其焊接工藝[4]要求較為苛刻，要保證仰焊位置的焊接性能[5]則是9%Ni鋼焊接的一大難點。在國內的LNG工程項目中，所有位置采用的焊接方法仍以焊條電弧焊為主。由于焊條電弧焊時焊縫背面需清根，增加了焊接工作量和成本。尤其是仰焊位置，采用焊條電弧焊作業，勞動強度大且不易保證焊接質量。而氬弧焊打底工藝在免除背面清根方面有著獨特的優勢，9%Ni鋼氬弧焊時背面需采取有效保護措施，國外有資料記載9% Ni鋼氬弧焊時，背面采用銅塊襯墊強制成形。在此介紹了9%Ni鋼采用雙面氬弧焊工藝打底并使背面成形，分別采用不同的方法進行填充焊接，經過對比分析焊接接頭的性能試驗，論述了平仰位置時9% Ni鋼焊接的工藝和可行性。

1 試驗方法

9%Ni鋼焊材中含鎳量較高，熔化后鋼水較粘稠，不易控制成形，尤其在仰焊位置，外觀質量不易保證。故工程應用遇到的仰焊位置，通常盡可能采用平焊位置焊接。本試驗兩組試板第一層氬弧焊打底焊時，均為平仰位置，采用雙人雙面氬弧焊[6]的方法，其他焊層在平焊位置分別進行全氬弧焊和焊條電弧焊填充。雙面氬弧焊時，即平焊位置為主焊進行氬弧焊填充焊，在仰焊位置操作為輔助焊進行背面充氬氣保護，同時進行適當送絲填充，使背面成形美觀，起到了與銅襯墊類似的作用。

1.1 試驗材料

試驗用9%Ni鋼為國產的X7Ni9，滿足EN10028-4標準，厚13 mm（批號：14204293030204），試板沿鋼板縱向取樣。化學成分和力學性能分別見表1和表2。

表1 9%Ni鋼的化學成分 %

表2 9%Ni鋼的力學性能

試驗所用氬弧焊絲牌號為ERNiCrMo-4（批號：112179736-41058），φ2.4。其化學成分如表3所示；填充焊條采用了ENiCrFe-9，φ4.0（批號：A1002411）其化學成分和力學性能分別如表4、表5所示。

表3 ER NiCrMo-4焊絲的化學分 %

表4 ENiCrFe-9焊條的化學成分 %

表5 ENiCrFe-9焊條的力學性能

9%Ni鋼鋼板的鎳含量約9%，通過熱處理獲得良好的低溫性能，其組織主要為馬氏體，調質狀態的9%Ni鋼材料屈強比較高，通常達到90%以上；試驗用焊條和焊絲均為鎳基材料，其鎳含量均達到55%以上，通過較高的鎳含量使焊縫組織轉變為奧氏體從而獲得較好的低溫性能。鎳基焊材熔敷金屬屈服強度較低，延伸率高，這是9%Ni鋼焊接接頭一個顯著特點。

1.2 焊接方法

采用氬弧焊焊接，兩組9%Ni鋼試板坡口均為V形（1#——GTAW，2#——GTAW+SMAW），如圖1所示。第一道打底焊時，均采用雙人雙面氬弧焊，如圖2所示。打底焊后，1#試板在平焊位置進行全氬弧焊填充，2#試板在平焊位置進行焊條電弧焊填充。

圖1 試板坡口

圖2 雙人雙面氬弧焊

2 焊接工藝

9%Ni鋼是一種低碳高強鋼，自身抗冷裂紋性能較好，焊前通常不預熱。但實際施工時，受自然環境和天氣影響，尤其存放在潮濕的環境，鋼板會吸附大量的水汽。因此，焊前有必要采用加熱方法除去鋼板吸附的水分，以減小焊接時進入焊縫中的氫含量。

9%Ni鋼第一道焊接時收尾處易產生細微的弧坑熱裂紋，因此9%Ni鋼雙面氬弧焊打底時，盡量減少每道焊縫接頭數量。填充焊時，焊條電弧焊起弧要避開前一根焊條的弧坑處，收弧時盡量填滿弧坑再熄弧。試驗焊接工藝參數如表6所示，氬弧焊采用直流電源，焊條電弧焊采用交流電源。

表6 焊接工藝參數

3 試驗結果

3.1 力學性能

試板焊接完48 h后，經PT和RT檢測，合格后方進行力學性能和金相試驗。1#試板試驗結果如表7所示，2#試板試驗結果如表8所示。

由試驗結果可知，兩組試板接頭的橫向拉伸強度均達到了母材的最低抗拉強度，1#試板氬弧焊絲熔敷金屬的強度低于母材最低抗拉強度，但仍達到了母材抗拉強度下限值95%以上，分析原因可能是焊絲強度裕量較少，且第一道焊縫金屬高合金元素被稀釋[7]，導致熔敷金屬強度值下降，氬弧焊時應適當減小組對間隙有利于降低稀釋程度。2#試板熔敷金屬強度高于1#試板，分析原因是焊條的強度稍高，從兩組試樣的橫向拉伸也可以看出，焊條填充的2#試板強度也明顯高于全氬弧焊1#試板。兩組試樣的焊縫、熔合線、熱影響區在-196℃時低溫沖擊平均值均大于70 J，低溫韌性較好，1#試板焊縫金屬低溫沖擊平均值達到130 J以上，說明氬弧焊較小的線能量，對提高低溫沖擊韌性較為有利[8]。

3.2 焊縫硬度

分別對兩組試樣接頭的焊縫、熱影響區和母材進行了硬度測試，1#試板接頭的硬度如圖3所示，2#試板接頭的硬度如圖4所示。

兩組試板接頭的硬度分布均呈倒“W”形，焊縫兩側熱影響區硬度明顯高于其他區域，焊縫中心的硬度最小，說明9%Ni焊接時，熱影響區對焊接熱輸入較敏感，形成一定的淬硬組織導致熱影響區硬度值偏高。

表7 1#試板接頭性能

表8 2#試板接頭性能

3.3 微觀金相

進一步分別對焊縫、熱影響區、母材分別進行了微觀金相，1#試板接頭微觀金相如圖5所示，2#試板接頭微觀金相如圖6所示。

圖3 1#試板接頭硬度

圖4 2#試板接頭硬度

圖5 1#試板接頭微觀金相

圖6 2#試板接頭微觀金相

兩組試樣焊縫金屬均為鎳基，金相顯微組織表明：焊縫區為奧氏體和枝晶狀δ鐵素體，熱影響區為馬氏體，母材主要為回火馬氏體+回轉奧氏體[9]。9% Ni合理的焊接參數，保證了焊縫組織主要為奧氏體，而熱影響區受焊接線能量影響，破壞了母材原始的熱處理狀態，回轉奧氏體數量減少，轉化為馬氏體，使熱影響區硬度增大，同時低溫韌性較母材大幅下降，但仍保持一個相對穩定的低溫性能。

4 結論

（1）采用雙面氬弧焊打底工藝，可實現仰焊位置轉換為平焊位置進行焊接，有利于保證9%Ni鋼平仰位置焊接質量和焊縫外觀成形。

（2）9%Ni鋼經雙面氬弧焊打底后，采用氬弧焊或焊條電弧焊的方法進行填充，焊接接頭橫向拉伸均達到母材抗拉強度下限值，且-196℃時低溫沖擊韌性良好，氬弧焊的小線能量對提高接頭低溫沖擊韌較為有利。

（3）9%Ni鋼采用ER NiCrMo-4焊絲打底焊時，焊縫與母材中鎳、鉻等合金元素成分差異使得9%Ni第一道焊層易產生稀釋從而引起焊縫熔敷金屬強度下降。當對接頭焊縫熔敷金屬強度匹配有較高要求時，應充分考慮所選焊絲強度裕量及稀釋現象。

[1]劉東風，楊秀利，侯利鋒,等.液化天然氣儲罐用超低溫9Ni鋼的研究與應用[J].鋼鐵研究學報，2009，21(9):1-5.

[2]嚴春妍，李午申，薛振奎，等.LNG儲罐用9%Ni鋼及其焊接性[J].焊接學報，2008，29（3）:49-52.

[3]鄭立娟.大型LNG儲罐用9Ni鋼焊接工藝與機理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，2010.

[4]吳智武，王移山，李少華，等.LNG儲罐用9Ni鋼的焊接材料與工藝[J].焊接技術，2009，38（8）:40～41.

[5]陳社鵬，李臻.9Ni鋼在LNG儲罐中的應用分析與探討[J].化工裝備技術，2009，30（6）:40-43.

[6]黃金祥，石教瀾，沈榮.LNG雙層球罐制造安裝關鍵技術[C].2014中國鋼結構行業大會論文集，2014：253-257.

[7]陳社鵬，劉學彬，李耿.LNG低溫儲罐用9Ni鋼的焊接性能研究[J].熱處理技術與裝備，2011，32（3）：38-41.

[8]孟根巴根，林文光，馬成勇，等.焊接方法對9Ni鋼焊接接頭組織及低溫韌性的影響[J].熱加工工藝，2009，38（15）: 8-10.

[9]張弗天，王景韞，郭蘊宜.Ni9鋼中的回轉奧氏體與低溫韌性[J].金屬學報，1984，20（6）：405-410.

Page 138從而確保了超大型丙烯球罐的建設質量。4000m3丙烯球罐投入使用至今，運行情況良好，球罐開罐檢查結果良好，充分地驗證了該球罐選材及結構的設計合理性及焊接工藝制訂的可靠性；實踐充分證明了常溫儲存丙烯4 000 m3大型球罐建造的可行性。

參考文獻：

[1]竇萬波，劉軍，陳立等.1 000 m3大型天然氣球罐的設計和制造技術[J].壓力容器，2007，24（4）：38-44.

[2]GB12337-1998，鋼制球形儲罐[S].

[3]GB 19189-2011，壓力容器用調質高強度鋼板[S].

[4]JB/T 4730.1-4730.6-2005，承壓設備無損檢測[S].

[5]NB/T 47009-2010，低溫承壓設備用低合金鋼鍛件[S].

[6]GB/T 3965-1995，熔敷金屬中擴散氫測定方法[S].

[7]NB/T 47014-2011，承壓設備焊接工藝評定[S].

[8]NB/T 47016-2011，承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗[S].

Double argon arc welding procedure and property analysis of corresponding joint of 9%Ni steel with flat and overhead welding

HUANG Jinxiang
（Wuhan YiYe Steel Structure Co.，Ltd.，Wuhan 430080，China）

For procedure of 9%Ni steel with overhead welding，the overhead welding will result in the appearance of bad shape.Take argon arc welding as the back welding through flat welding and carry out welding respectively with argon arc welding and shielded metal arc welding.The result shows that both methods equally maintain the minimum value of tensile strength of base metal for transverse stretching of joint which realizes the equal strength.And the impact test at low temperature has been testified as good.This is good for the quality of flat welding and overhead welding with 9%Ni steel and the forming of weld appearance.

9%Ni steel；overhead welding；argon arc welding on both sides

TG111

：A

1001-2303（2015）09-0137-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.30

2015-02-03；

2015-04-20

黃金祥（1978—），男，高級工程師，碩士，主要從事球罐，LPG、LNG、LEG等運輸船載儲罐用新材料的焊接工藝開發及應用工作。