LNG儲罐用9Ni低溫鋼橫位置焊條電弧焊和埋弧焊接頭微觀組織與力學性能對比*

賈晨程 周弋琳 張華軍,2 葛辰宇 包 孔

1上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125 2上海交通大學材料科學與工程學院 上海 200240

0 引言

天然氣的主要成分為甲烷，是一種清潔、高效和低碳的能源。在-162℃下由氣態變為液態，成為液化天然氣（LNG），體積僅有氣體狀態的1/625。液化天然氣在運輸過程中對儲存容器材料的低溫性能有較高要求，9Ni低溫鋼是目前被用作建造LNG接收站儲罐的常用材料。焊條電弧焊和埋弧焊是9Ni鋼儲罐現場焊接最常用的焊接方法。本文針對LNG儲罐用9Ni低溫鋼，分別采用焊條電弧焊和埋弧焊進行橫位置對接焊試驗，通過力學性能檢測和微觀組織分析對比2種焊接接頭的差異。

1 試驗材料與方法

1.1 母材

試驗母材選用國內某公司生產的9%Ni鋼板，板厚20 mm。交貨狀態為QT(淬火+回火),顯微組織為回火馬氏體與少量殘余奧氏體，如圖1所示?；瘜W成分和力學性能詳見表1、表2。

圖1 母材微觀組織（500倍）

表 1 試驗母材（9Ni）化學成分 wt%

表 2 試驗母材（9Ni）力學性能

1.2 焊接材料

焊條電弧焊焊接材料選用鎳基焊條ENiCrMo-6，焊條直徑4.0 mm。焊接材料屈服強度Rp0.2為441 MPa，抗拉強度Rm為710 MPa，伸長率As為47%，夏比V形缺口沖擊試驗試驗溫度為-196℃，夏比V形缺口沖擊試驗沖擊吸收功73 J，焊接材料化學成分如表3所示。

表 3 焊條化學成分 wt%

埋弧焊焊接材料選用鎳基焊絲ERNiMo-9，焊絲直徑2.4 mm。埋弧焊絲屈服強度Rp0.2為440 MPa，抗拉強度Rm為719 MPa，伸長率As為51%，夏比V形缺口沖擊試驗試驗溫度為-196℃，夏比V形缺口沖擊試驗沖擊吸收功73 J，埋弧焊絲化學成分如表4所示。

表 4 埋弧焊絲化學成分 wt%

1.3 焊接工藝

焊縫坡口形式及尺寸如圖2所示，坡口制備采用機加工。埋弧焊使用直流電源，焊條電弧焊使用交流電源以減小磁偏吹對焊接操作的影響。采用橫位置多層多道焊，嚴格控制層間溫度小于100℃。為保證焊縫全熔透和防止滲碳，焊縫清根采用等離子氣刨和打磨。由于等離子電弧較長，清根時無法觀察焊縫是否存在缺陷，故采用較大的刨槽寬度和深度來保證完全清除缺陷。焊后對焊縫按照標準GB/T 3558—2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》進行100%RT探傷。焊接工藝參數見表5。

表 5 焊接工藝參數

圖2 焊縫坡口形式及尺寸

2 試驗結果分析

2.1 焊接接頭力學性能

對射線探傷合格的試板，按照標準《CCS材料與焊接規范—2018》進行取樣加工和力學性能驗收。焊接接頭力學性能如表6所示，2種焊接方法得到的接頭力學性能都符合標準要求。焊條電弧焊與埋弧焊接頭力學性能差異主要體現在低溫韌性。比較焊縫中心、熔合線（FL)和熱影響區（FL+2 mm）處沖擊吸收功，埋弧焊接頭相較焊條電弧焊接頭低溫沖擊韌性更好。對比焊條電弧焊和埋弧焊接頭的不同區域發現，熱影響區沖擊吸收功都遠高于焊縫中心和熔合區。

2.2 焊接接頭硬度

測試2種9Ni鋼焊接接頭距離試板上下表面2 mm處的宏觀維氏硬度，測試位置包括焊縫、熱影響區及母材。接頭各部位硬度測試值均小于350 HV，滿足CCS標準要求。根據焊接接頭硬度測試結果，分別繪制焊條電弧焊和埋弧焊接頭硬度分布曲線如圖3、圖4所示。

表 6 焊接接頭力學性能

圖3 距離試板上表面2 mm處焊接接頭硬度

圖4 距離試板下表面2 mm處焊接接頭硬度

2種接頭上下表面各位置硬度分布一致，均呈現焊縫＜母材＜熱影響區的硬度變化趨勢。焊接接頭硬度最高值出現在靠近母材一側的熱影響區。比較埋弧焊接頭與焊條電弧焊接頭各區域硬度，埋弧焊接頭焊縫區硬度高于焊條電弧焊，熱影響區硬度低于焊條電弧焊。

2.3 焊縫成形

9Ni鋼焊條電弧焊和埋弧焊都采用鎳基合金焊絲材料焊接（Ni含量達到65%以上），焊縫區耐腐蝕能力很強，故用王水腐蝕。熱影響區和母材區（Ni含量為9%左右）則用4%硝酸酒精腐蝕。焊條電弧焊接頭與埋弧焊接頭正面和截面宏觀形貌如圖5和圖6所示，焊縫成形良好，未發現肉眼可見的缺陷。

圖5 焊條電弧焊示意圖

2.4 焊接接頭微觀組織與性能分析

由于焊接接頭沖擊和硬度試樣取樣位置在焊縫中部，故選取焊接接頭填充層焊縫進行顯微組織觀察，如圖5a、圖6a紅色方框標記所示。

圖6 埋弧焊接頭示意圖

焊條電弧焊接頭不同位置的焊縫微觀組織如圖7所示。由于焊條化學成分中Ni含量達到67.65%，故焊縫組織為奧氏體。焊縫結晶過程中發生一定程度的枝晶偏析，析出相（圖中黑色顆粒）分布在枝晶間和柱狀晶晶界位置。焊縫結晶形態主要為柱狀樹枝晶（見圖7b、圖7e）和胞狀樹枝晶（見圖7c）。焊縫組織中奧氏體晶粒（亮白色部分）形態為柱狀，焊縫不同位置的奧氏體晶粒尺寸不同，焊道中央的奧氏體晶粒比較細小均勻，如圖7e所示。焊道與焊道交界處的奧氏體晶粒大小不一，部分柱狀晶比較細長，如圖7d所示。后道焊縫相比前道焊縫偏析嚴重，主要是因為前道焊縫與母材接觸，是從室溫開始焊接；而后道焊縫受前道焊縫預熱和后續焊縫再次加熱的影響導致焊縫凝固過程具有差異。

圖7 焊條電弧焊接頭焊縫不同位置微觀組織

埋弧焊接頭不同位置的焊縫微觀組織如圖8所示。埋弧焊絲中Ni含量達到76.2%，因此埋弧焊接頭焊縫組織是奧氏體。焊縫結晶過程同樣發生一定程度的枝晶偏析，析出相主要呈顆粒狀（圖中黑色顆粒）分布在枝晶間和柱狀晶晶界位置。奧氏體晶粒（亮白色部分）晶粒生長有很強的方向性，呈柱狀分布。焊縫結晶形態主要為胞狀樹枝晶（見圖8e）和柱狀樹枝晶（見圖8c、圖8d）。焊縫中部晶粒細小均勻，少量奧氏體晶粒生長成為等軸晶，如圖8b所示。

圖8 埋弧焊接頭焊縫不同位置微觀組織

焊接接頭-196℃低溫沖擊試驗結果表明，9Ni鋼埋弧焊焊縫沖擊吸收功高于焊條電弧焊。分析主要原因有：

1）埋弧焊焊接頭焊縫相比焊條電弧焊焊縫組織中奧氏體晶粒更均勻細小且晶界多。由于晶界增多，偏析分散，偏析程度會減弱，有助于提高焊縫韌性。

焊條電弧焊接頭焊縫組織主要為柱狀樹枝晶，埋弧焊接頭焊縫組織主要為胞狀樹枝晶。胞狀樹枝晶比柱狀樹枝晶偏析程度小，也可降低偏析對焊縫韌性的影響。

2）從組成焊縫的填充材料化學成分看，焊條中的硫和磷含量都高于埋弧焊絲。在含鎳較高的鋼中，硫與鎳能結合成硫化鎳，而硫化鎳與鎳生成熔點為637℃的低熔點共晶硫化鎳與鎳，磷與鎳能結合成Ni3P，Ni3P與鎳能形成熔點為870℃的低熔點共晶Ni3P+Ni0。以上產物使焊縫結晶裂紋傾向增加，從而降低焊縫沖擊韌性。

焊接接頭維氏硬度試驗結果表明，9Ni鋼埋弧焊焊縫硬度高于焊條電弧焊，主要與焊縫析出相不同有關。焊接材料中除基體元素Ni以外，焊條中主要合金元素為Cr，可推測焊條電弧焊接頭焊縫中主要為富Cr的析出相；埋弧焊絲中主要合金元素為Mo，可推測埋弧焊接頭焊縫中主要為富Mo的析出相。

由于9Ni鋼屬于易淬火鋼，因此焊接接頭熱影響區分為過熱區、完全淬火區和不完全淬火區。

1）過熱區 圖9所示為焊條電弧焊與埋弧焊接頭過熱區微觀組織對比，從微觀組織照片可看到原奧氏體晶界（PAGB)、不同位向的馬氏體板條束（Packet）和粒狀貝氏體（GB）。焊條電弧焊接頭過熱區組織為粗大板條馬氏體，原奧氏體晶界分布著細晶粒鏈使晶界異常粗化。文獻[10]中認為該現象屬于遺傳現象，即當組織轉變時轉變產物繼承原始組織某些特征的一種現象，晶界上存在多排細小成串的晶粒鏈時為部分遺傳，發生遺傳現象會造成晶界弱化，改變斷裂形式，惡化低溫韌性。埋弧焊過熱區組織為板條馬氏體和少量粒狀貝氏體，板條馬氏體尺寸相對較小。粒狀貝氏體出現使馬氏體轉變空間減小，因而細化了馬氏體組織。統計焊接工藝參數得到焊條電弧焊接頭平均熱輸入為1.2 kJ/mm，埋弧焊接頭平均熱輸入為1.15 kJ/mm，更高的熱輸入會增加焊縫在高溫停留時間進而導致晶粒長大。因此過熱區力學性能表現為埋弧焊接頭沖擊吸收功高于焊條電弧焊，宏觀維氏硬度低于焊條電弧焊。

圖9 焊條電弧焊a與埋弧焊b過熱區微觀組織（500倍）

2）完全淬火區 完全淬火區組織為細小的板條馬氏體和少量殘余奧氏體。此區域受熱溫度處在AC3～1 000 ℃之間，冷卻速度較快，所以得到細小的板條馬氏體。埋弧焊接頭和焊條電弧焊接頭焊縫熔合線+2 mm位置均處在完全淬火區。從微觀組織可看出與過熱區相比，完全淬火區板條馬氏體晶粒尺寸明顯變小，因此完全淬火區相比過熱區具有更好的韌性。對比埋弧焊接頭和焊條電弧焊完全淬火區晶粒尺寸，埋弧焊接頭完全淬火區晶粒比較細小，因此埋弧焊接頭完全淬火區低溫沖擊韌性優于焊條電弧焊，焊條電弧焊與埋弧焊完全淬火區微觀組織見圖10。

圖10 焊條電弧焊與埋弧焊完全淬火區微觀組織（500倍）

3）不完全淬火區 不完全淬火區組織為馬氏體和殘余奧氏體，組織中出現許多白色晶粒。該區域母材被加熱到AC1～AC3溫度之間，此溫度只能使部分馬氏體組織奧氏體化，晶粒大小不一、組織不均勻，焊條電弧焊與埋弧焊不完全淬火區微觀組織見圖11。

圖11 焊條電弧焊與埋弧焊不完全淬火區微觀組織（500倍）

熔合區主要由焊縫中的柱狀奧氏體及析出相、熔合線、和過熱區中的板條馬氏體組織構成，圖12所示為焊條電弧焊與埋弧焊接頭熔合區組織對比。該區域力學性能由焊縫組織與過熱區組織共同決定。

圖12 焊條電弧焊與埋弧焊熔合區微觀組織（200倍）

3 結論

采用焊條電弧焊和埋弧焊進行9Ni鋼橫位置焊接，皆可得到合格的焊接接頭。埋弧焊接頭焊縫、熔合線和熱影響區位置-196℃低溫沖擊吸收功高于焊條電弧焊，具有較好的低溫韌性。埋弧焊接頭焊縫硬度高于焊條電弧焊，而熱影響區硬度低于焊條電弧焊。9Ni鋼焊條電弧焊和埋弧焊接頭焊縫組織都是奧氏體+析出相，焊條電弧焊接頭焊縫結晶形態主要為柱狀樹枝晶，埋弧焊接頭焊縫結晶形態主要為胞狀樹枝晶。焊條電弧焊接頭過熱區組織為粗大板條馬氏體，且有晶界粗化現象，惡化低溫沖擊韌性。埋弧焊接頭過熱區組織為板條馬氏體和少量粒狀貝氏體，低溫沖擊韌性相對較好。