LNG儲罐9%Ni鋼GMAW-P自動立焊接頭組織與性能研究

王曉磊 肖軍

摘要：9%Ni鋼LNG大型儲罐立縫的自動化焊接，是亟需解決的行業難題。本文使用GMAW-P自動焊技術對LNG儲罐立縫進行施焊。為保證焊接接頭的焊接質量和可靠性，通過微觀組織觀察、拉伸彎曲試驗、沖擊試驗、硬度檢測等研究手段對焊接接頭的顯微組織和力學性能進行研究。結果表明：9%Ni鋼自動立焊接頭焊縫成形良好，組織過渡均勻。接頭整體拉伸試驗在熱影響區產生塑性斷裂，焊縫金屬拉伸性能優異，接頭彎曲試驗無裂紋產生，-196 ℃沖擊試驗低溫韌性良好，各項力學性能符合工藝評定標準要求，為LNG大型儲罐9%Ni鋼自動立焊高效焊接技術的應用與推廣提供一定的理論依據。

關鍵詞：9%Ni鋼;GMAW-P自動立焊;微觀組織;力學性能

中圖分類號：TG457.11? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0106-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.19

0? ? 前言

我國加快推進落實清潔能源戰略，環保政策嚴格實施，已經成為世界最大天然氣進口國。對天然氣的需求與依賴不斷加大，LNG碼頭建設已經列入國家規劃，大量建設LNG（液態天然氣）儲罐能夠有效調節我國當前季節性的天然氣供需矛盾。當前，LNG儲罐壁板的立縫[1]使用最多的焊接方法是焊條電弧焊，壁板的橫焊縫和底板蓋面焊主要使用埋弧自動焊[2]。立焊位置的特殊性、9%Ni鋼母材易磁化、使用鎳基焊材涉及異種鋼焊接等諸多因素限制了自動立焊的應用與推廣。LNG內罐9%Ni鋼壁板焊接時，先完成立縫焊接形成環帶，再完成環縫的橫焊位置焊接，焊條電弧焊效率明顯低于埋弧自動焊，立縫與環縫不能同時施焊，導致立縫焊接成為制約整個內罐壁板施工效率的重要因素[3]。

文中采用熔化極氣保焊（GMAW-P）高效自動焊接方法進行9%Ni鋼LNG儲罐立縫自動焊試驗，優化焊接工藝參數，對焊接接頭的顯微組織和力學性能進行研究與討論。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及工藝

試驗所用鋼板是國內某鋼廠生產的9%Ni鋼（06Ni9DR），厚度27 mm，經調制處理供貨。自動焊設備使用真空軌道全自動立焊機，焊接方法為GMAW-P，采用雙V型坡口如圖1所示 ，采用φ （Ar）90%+φ（He）10%混合氣體進行保護，焊接工藝參數見表1。焊材使用ERNiCrMo-3實心焊絲，正面焊接后對背部進行清根處理，隨后進行背部焊接，焊后按NB/T47014-2011進行焊后檢驗，未見明顯缺陷。

焊接完成后按要求截取尺寸為27 mm×20 mm×300 mm的橫向拉伸試樣，尺寸為38 mm×10 mm×300 mm的縱向彎曲試樣，取棒狀全焊縫金屬縱向拉伸試樣，夏比V型沖擊試驗取尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的標準試樣，硬度檢測用維氏硬度計，JSM-7200F掃描電鏡（SEM）觀察微觀組織。

2 試驗結果及分析

2.1 微觀組織分析

焊接接頭宏觀金相如圖2所示，9%Ni鋼GMAW-P自動立焊接頭偶見微小氣孔，符合標準要求。焊縫及熱影響區熔合良好，無焊接裂紋和未熔合出現，異種鋼焊接過程中熔合比較小，原坡口形狀清晰可見。焊趾部位過渡圓滑，鎳基合金層道熔合均勻，由于鎳基合金熔化后粘度高，導致焊接余高略高。

圖3a為9%Ni鋼母材微觀組織，多邊形原奧氏體晶內分布著板條狀馬氏體，晶界分布著白亮色顆粒狀殘余奧氏體[4-5]。圖3b為焊縫微觀組織，焊縫金屬為固溶強化鎳基合金，熔池凝固至室溫的顯微組織為單相全奧氏體。凝固時出現成分顯微偏析，導致凝固亞晶的成分存在小范圍變化。從熔合線向熔池中心冷卻速度降低，可以清晰的觀察到呈樹枝狀、柱狀、等軸狀的凝固亞晶界[6]。由于后一道焊縫對上一道焊縫的回火作用，焊縫層道間部分柱狀晶轉變為等軸晶和胞狀晶。

圖3c～3f分別為熱影響區的粗晶區、細晶區、未完全淬火區、回火區組織。粗晶區近熔合線處加熱溫度較高，出現過熱組織，主要為粗大的板條馬氏體。原奧氏體晶粒較大，板條馬氏體束較粗，具有明顯的馬氏體晶體向關系。晶界分布有少量層片狀殘余奧氏體。細晶區晶粒明顯細化，原奧氏體晶界內馬氏體由束狀轉變為多邊形，殘余奧氏體顆粒狀分布于晶界，含量相對提高。未完全淬火區加熱溫度不高，只有部分馬氏體轉變為奧氏體，奧氏體晶粒不能快速長大，部分馬氏體晶粒繼續長大[7]。冷卻過程中細小的原奧氏體轉變為馬氏體，粗大的馬氏體繼續保留，晶粒尺寸明顯不均勻?；鼗饏^晶界受熱循環作用，逆轉奧氏體出現，較大逆轉奧氏體再次轉變為二次馬氏體，原奧氏體晶粒尺寸與母材相近。

2.2 接頭力學性能

焊接接頭橫向拉伸試驗結果如表2所示，屈服強度與抗拉強度數值均符合標準要求，斷口均位于熱影響區，斷口形貌呈現出典型的塑性斷裂特征，焊接熱影響區為焊接接頭薄弱處。全焊縫金屬縱向拉伸試驗結果如表3所示，9%Ni鋼自動立焊焊縫金屬為鎳基合金，焊后屈服強度較低，抗拉強度較高，延伸率較好。焊縫金屬強度能夠滿足使用性能。9%Ni鋼自動立焊彎曲試驗縱向面彎、縱向背彎彎曲180°后均未見缺陷，焊接接頭具有良好的抗彎曲變形能力，焊縫組織均勻致密塑性良好，滿足技術要求[8]。焊接接頭維氏硬度分布如圖4所示，Ni625焊縫金屬硬度略小于9%Ni鋼母材硬度，緊挨熔合線的粗晶區硬度明顯升高，細晶區硬度達到最大，回火區硬度顯著降低，接近母材硬度。

焊縫區及熔合線各位置-196 ℃低溫沖擊試驗結果如表4所示。焊縫金屬沖擊吸收功最高，沖擊側向膨脹量高達約2 mm，低溫沖擊韌性最好。熔合線處沖擊韌性略有降低，側向膨脹量也隨之降低。隨著沖擊試樣中心位置不斷向母材偏移，沖擊韌性逐漸降低，側向膨脹量也呈下降趨勢。母材低溫沖擊韌性低于焊縫，但比熔合線偏移2.5 mm試樣低溫沖擊吸收功高，說明實際焊接接頭粗晶區為低溫沖擊韌性薄弱區。

3 結論

（1）9%Ni鋼母材組織由回火馬氏體和少量殘余奧氏體組成，無碳化物析出，少量馬氏體呈現束狀特征。GMAW-P自動立焊接頭焊縫組織為固溶強化的奧氏體單相組織，可見顯著的呈樹枝狀、柱狀的凝固亞晶界，亞晶粒細小。

（2）焊接接頭熱影響區組織過渡均勻。粗晶區原奧氏體晶粒較大，馬氏體板條束較粗，晶界分布有層片狀殘余奧氏體。細晶區晶粒細化明顯，晶內多邊形馬氏體，顆粒狀殘余奧氏體含量相對提高。未完全淬火區冷卻過程中細小的原奧氏體轉變為馬氏體，粗大的馬氏體繼續保留，晶粒尺寸不均勻。回火區出現逆轉奧氏體，尺寸較大的逆轉奧氏體冷卻后出現二次馬氏體，原奧氏體晶粒尺寸與母材相近。

（3）采用GMAW-P自動立焊焊接9%Ni鋼板，獲得的焊接接頭縱向拉伸試驗斷裂在熱影響區薄弱區，但抗拉強度大，縱向彎曲性能優良，各區域-196 ℃低溫沖擊韌性較好，未出現脆性斷裂，焊接接頭工藝性能和力學性能符合標準要求，具有推廣應用的價值。

參考文獻：

李連波，魯欣豫，任勝漢，等. 9%Ni鋼全自動TT立焊焊接工藝開發[J].電焊機，2017，47（10）：116-118.

Lin W H，Hua X M，Cai Y，et al. Study on welding qualifications of 9% nickel steel[J]. Welding Technology，2016，45（3）：43-47.

翁大龍，張勝男，唐元生，等. LNG大型儲罐9Ni鋼罐壁立縫GMAW-P機動焊工藝研究及應用探討[J].石油化工設備技術，2018，39（5）：63-66，72.

周振豐. 焊接冶金學（金屬焊接性）[M]. 北京：機械工業出版社，1995.

王清曌. 異種鋼焊接接頭過渡區域力學行為及組織調控研究[D].上海：上海交通大學，2019.

吳祖乾，張晨，虞茂林，等. 鎳基合金焊接冶金和焊接性[J]. 機電一體化，2014（A04）：2-2.

李立英，王曉磊，劉振洪，等.國產06Ni9DR鋼焊接熱影響區組織和低溫韌性[J].焊接學報，2020，41（7）：91-96.

李大用，楊東青，王蘋，等.高鉻鎳奧氏體焊絲焊接10Ni5CrMoV鋼接頭組織性能分析[J].焊接學報，2017，38（5）：87-91，133.