9Ni鋼焊接接頭性能控制技術

張　熹，劉　宏，郭占山，陳延清，楊建煒，雍岐龍

（1.鋼鐵研究總院，北京100081；2.首鋼技術研究院，北京100043）

9Ni鋼焊接接頭性能控制技術

張熹1，2，劉宏2，郭占山2，陳延清2，楊建煒2，雍岐龍2

（1.鋼鐵研究總院，北京100081；2.首鋼技術研究院，北京100043）

對首鋼生產的30 mm規格9Ni鋼進行了最高硬度試驗、斜Y坡口冷裂紋敏感性試驗及焊接接頭熱輸入適應性試驗。試驗結果表明，不預熱進行焊接，9Ni鋼最高硬度為HV10=353；預熱75℃后焊接，最高硬度HV10=355，雖然鋼材淬硬傾向較明顯，但任可不預熱焊接。采用焊條電弧焊在焊接熱輸入8～20 kJ/cm內，焊縫、熱影響區-196℃沖擊韌性滿足標準要求。

9Ni鋼；焊接性能；熱影響區；淬硬傾向

0　前言

隨著國內對環境質量的日益關注，清潔能源需求將不斷提高。液化天然氣（LNG）是較為廉價的清潔能源之一，由于天然氣液化后的溫度為-161.5℃，因此其儲運難度極大。9Ni鋼是國際上用于制造LNG儲罐、LNG船較為廣泛使用的鋼鐵材料，由于9Ni鋼在焊接熱循環過程中熱影響區會發生粗化，產生淬硬組織，而且用于改善母材韌性的逆轉變奧氏體消失，因此，9Ni鋼焊接接頭的性能控制技術將決定其應用和安全性。

1　焊接冷裂紋敏感性評定試驗

為評定鋼板的焊接冷裂紋敏感性，確定試驗用鋼的焊接預熱溫度，分別采用了焊接熱影響區最高硬度法、斜Y鐵研裂紋法等冷裂紋評定試驗方法。

1.1焊接熱影響區最高硬度法試驗

試驗用試板的制作及硬度的測定按GB 4675.5-1984《焊接性試驗—焊接熱影響區最高硬度試驗方法》標準的有關規定進行。先將30 mm厚試驗用鋼板從一個軋制面機加工至20 mm厚，然后分別加工成20 mm×75 mm×200 mm（室溫下施焊用試板）和20 mm×125 mm×200 mm（預熱溫度下施焊用試板）兩種規格試板。

試驗用焊條采用φ3.2 mm奧林康生產的FREEZAL E Ni 9焊條，試板焊前預熱溫度分別為室溫（20℃）和預熱75℃，施焊電流為交流，焊接電流100～105 A，電弧電壓23～24V，焊接速度120 mm/min。試驗焊縫在原始軋制面上進行，焊接規范如表1所示。焊后試板經解剖，以切于焊接熔合線底部切點為0點，左右每隔0.5 mm作為硬度的測定點。維氏硬度測定按GB/T 4340.1-1984《金屬維氏硬度試驗方法》的規定進行，試驗的試樣如圖1所示。試板在不同焊前預熱溫度下施焊的維氏硬度測定點位置及其硬度值見表2，由表中數據整理的硬度測定點位置及其硬度值曲線如圖2所示。

表1　最高硬度試板焊接規范

表2　維氏硬度測定點位置及其硬度值HV10

圖1　焊接熱影響區硬度測定點位置

圖2　焊接熱影響區硬度測定點位置及其硬度值曲線

焊接熱影響區最高硬度試驗主要用于評價鋼板的抗冷裂紋性能，一般認為，鋼板的焊接熱影響區最高硬度大于HV350時，即有一定的冷裂紋傾向。結果表明，該鋼板在不預熱時，焊接熱影響區最高硬度HV10約為352；預熱至75℃時，焊接熱影響區最高硬度HV10約為355，有一定的冷裂紋傾向。

1.2斜Y型坡口焊接裂紋試驗

斜Y坡口焊接裂紋試驗按GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》進行，主要用于評價厚板多層焊根部焊道的冷裂紋敏感性。試驗分為焊前試板不預熱（室溫）、預熱50℃、預熱75℃和預熱100℃共四組，每組試驗制作了兩塊試板，試板的尺寸示意如圖3所示。施焊時，環境溫度為15℃～20℃，環境濕度為50％～65％。采用交流電源焊接，其焊接電流100～105A，電弧電壓23～24V，焊接速度120mm/min。其焊接工藝參數如表3所示。焊后經48 h自然冷卻后，對試驗焊縫表面進行滲透檢測，結果均未發現表面裂紋。然后將每組試驗其中一塊試板的試驗焊縫切成4片5個斷面進行斷面裂紋檢查，另一塊200℃加熱2 h后頂斷觀察根部裂紋率，試驗結果如表4所示。

由表4可知，30 mm厚鋼板在不預熱和在50℃、75℃、100℃預熱時，均未發現任何焊接冷裂紋，可以認為30 mm厚鋼板在焊前不預熱和在上述溫度預熱的情況下，實際焊接接頭出現冷裂紋的可能性較小。

2　焊接工藝適應性試驗

2.1焊接熱輸入適應性試驗

焊接熱輸入通常對高強度鋼的焊接熱影響區及其焊縫金屬的沖擊韌性影響較大。確定焊接熱輸入對焊接接頭沖擊韌性的影響規律，在8～20 kJ/cm內選擇了4種不同焊接熱輸入對試驗用30 mm厚鋼板進行施焊，以研究焊接熱輸入對其熱影響區及其焊縫金屬沖擊韌性的影響。焊接試板取向為鋼板橫向對接焊，坡口型式加工成不對稱X型（見圖4）。焊條采用φ2.5mm（打底焊）和φ3.2mm的FREEZAL E Ni 9焊條。施焊時，先焊任意一面坡口，反面進行砂輪修磨清焊根后再焊。層間溫度控制在100℃～150℃內，不同焊接熱輸入施焊試板的焊接工藝參數如表5所示。

圖3　斜Y型坡口焊接裂紋試板示意

表3　斜Y坡口焊接裂紋焊接參數

表4　斜Y坡口焊接裂紋試驗結果

圖4　熱輸入適應性焊接試板尺寸示意

按NB47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》的要求對30 mm厚的鋼板焊接接頭進行拉伸與冷彎試驗，試樣橫向取樣。采用全厚度帶肩板形拉伸試樣（試樣尺寸為30 mm×25 mm×250 mm）分別對不同焊接工藝的對接接頭進行拉伸試驗。由于試板厚度大于20 mm，冷彎試驗采用全厚度側彎試樣，試樣寬度為30 mm，試樣厚度為10 mm，側彎試樣為4件。焊接接頭沖擊試樣取樣按照NB47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》的要求，試樣橫向取樣。分別對不同焊接工藝的對接接頭焊縫金屬、熱影響區進行沖擊試驗，其拉伸、冷彎和沖擊試驗試驗結果分別如表6、表7所示。

由表6～表7可知，在8～20 kJ/cm焊接熱輸入內，隨著焊接熱輸入的增加，焊接接頭的抗拉強度逐漸降低。焊接熱影響區的室溫和低溫沖擊功隨焊接熱輸入提高有下降趨勢，但幅度不大。焊接熱輸入在8～20 kJ/cm內時，焊接接頭的強度和韌性均能滿足要求。

表5　不同焊接熱輸入施焊試板的焊接工藝示意

表6　不同焊接工藝的焊接接頭力學性能試驗結果

表7　不同焊接工藝的焊接接頭沖擊試驗結果

2.2焊后去應力熱處理適應性試驗

試驗選用30mm厚的鋼板，試驗焊條為φ3.2 mm的FREEZAL E Ni 9焊條，焊接熱輸入為16 kJ/cm，焊后立即進行540℃～580℃×2 h的消應力熱處理。試驗中有一組未進行焊后熱處理，以便進行力學性能的對比。

按NB47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》的要求對不同焊后熱處理的焊接接頭進行拉伸、冷彎和沖擊試驗。采用全厚度帶肩板形拉伸試樣（試樣尺寸為30 mm×25 mm×250 mm）對焊接接頭進行拉伸試驗。冷彎試驗采用全厚度側彎試樣，試樣寬度為30 mm，試樣厚度為10 mm，側彎試樣為4件，試驗結果如表8、表9所示。

結果表明，經過消應力熱處理，接頭的抗拉強度與焊態焊接接頭相比稍有下降，焊縫金屬、焊接熱影響區室溫和低溫沖擊功稍有下降，但性能滿足要求，因此首鋼9Ni鋼適應540℃～580℃×2 h的焊后熱處理制度。

表8　不同熱處理工藝的焊接接頭力學性能試驗結果

表9　不同熱處理工藝的焊接接頭沖擊試驗結果

3　焊接接頭金相試驗

對采用熱輸入為16 kJ/cm施焊的30 mm鋼板，焊態和焊后SR狀態（560℃×2 h熱處理）焊接試板的1/4板厚處，分別進行了焊接接頭不同部位的金相組織檢驗。圖5示出了焊縫、焊接熱影響區的金相組織。焊態與熱處理態焊接接頭對應位置的金相組織相差不大，焊縫為奧氏體，且其中分布大量的細小、彌散的碳化物，而熱影響區為馬氏體淬硬組織，由于焊接后熱影響區組織顯著惡化，因此9Ni鋼應采用小焊接熱輸入進行焊接以減少劣化組織的尺寸和寬度。

4　結論

（1）9Ni鋼淬硬傾向較大，在室溫20℃、預熱75℃下，焊接熱影響區最高硬度HV10>350。

（2）斜Y試驗顯示30 mm厚鋼板在不預熱和在50℃、75℃、100℃預熱時，均未發現任何焊接冷裂紋，表明該鋼種焊接熱影響區的抗裂性較好。

（3）30 mm厚規格9Ni鋼在8～20 kJ/cm焊接熱輸入內對熱輸入有較好的適應性，焊接接頭力學性能滿足要求，雖然隨焊接熱輸入增加焊接熱影響區20℃、-196℃沖擊功有一定的下降趨勢，但富余量較大。

（4）30 mm厚9Ni鋼在熱輸入為16 kJ/cm下施焊后在540℃～580℃進行保溫2 h的焊后去應力處理，焊接接頭性能下降很少，能滿足施工要求。

（5）焊態、消除應力熱處理態焊接接頭金相組織差別不大，焊縫為奧氏體組織，奧氏體中分布大量細小、彌散的碳化物，熱影響區為馬氏體淬硬組織，因此為保證性能9Ni鋼應采用小熱輸入進行焊接。

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Research on the performance control technology of 9Ni joint

ZHANG Xi1，2，LIU Hong2，GUO Zhanshan2，CHEN Yanqing2，YANG Jianwei2，YONG Qilong1
（1.Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China；2.Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China）

In this article，the weld ability of 30mm 9Ni Steel plates were evaluated by max hardness test，cold crack sensibility test，heat input adaptability test.The results indicate that the heat affected zone's max hardness of 9Ni steel plate was 353HV10 at no preheat condition，after preheat 75℃，the heat affected zone's max hardness was 355HV10.Although the plate quenching harden ability is obvious，the 30 mm plate can realize no preheat welding.In the heat input range from 8 kJ/cm to 20 kJ/cm，the toughness of weld seam and heat affected zone satisfied standard.

9Ni；weld ability；heat affected zone；plate quenching harden ability

圖5　焊接接頭金相組織

TG457.1

A

1001-2303（2016）02-0012-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.03

2016-01-06；

2016-01-20

張熹（1980—），天津市人，工程師，碩士，主要從事高強鋼焊接技術及配套焊材研究工作。