9Ni 鋼手工電弧焊焊接接頭組織與性能研究

彭清和， 顏文煅， 許劍楓

（閩南理工學院， 福建石獅 362700）

0 引言

1 試驗材料與試驗方法

9Ni 鋼在-196℃低溫下仍然具有較高的機械性能尤其是良好的韌性，從而被廣泛應用于生產LNG 儲罐和運輸船[1]。 但是，在焊接該材料的時候，容易出現一些問題，比如其熔合線附近的粗晶區可能會由于低溫的原因導致出現脆化，這是9Ni 鋼接頭易生成裂紋，從而導致了該材料容易受到破壞[2]。為了避免出現這種情況，提高LNG 運輸的安全性，就需要對其展開研究和分析，明確焊接方式對焊接接頭組織和性能的影響， 從而使其能夠更加安全的運輸。 作為全球通用的低溫用鋼，Ni 系低溫鋼材因擁有較好的機械性能尤其是優異的低溫性能， 其能夠使用的最低溫度為-196℃，因此其應用的范圍十分廣泛[3-4]。

1.1 試驗材料

使用的是由渾火－回火（QT）供貨的9Ni 鋼， 9Ni 鋼成分如表1，表2 所示的是9Ni 鋼板力學性能結果一覽。

表1 9Ni 鋼板成分一覽表（質量分數）

表2 9Ni 鋼板力學性能結果一覽表

1.2 焊接試驗方法

試驗采用SMAW，9Ni 鋼鋼板尺寸為400mm×200mm×20mm，設備為松下交流弧焊機YK-305AA3。 根據工業生產實踐和熱模擬經驗，特制定如表3 所示焊接工藝參數。坡口尺寸示意圖如圖1。 焊接道數詳見圖2。 電焊條為ENiCrMo-6，其化學成分如表（表4）所示和性能如表（表5）所示，滿足AWSA5.11-2005。

圖1 焊接坡口尺寸示意圖

圖2 焊接道數示意圖

表3 焊接工藝參數

表4 焊條熔敷金屬化學成分一覽表（Wt%）

表5 焊條熔敷金屬性能統計結果一覽表

2 結果與分析

2.1 9Ni 鋼的低溫性能

2.1.1 9Ni 鋼母材的組織性能

試驗用9Ni 鋼是微觀組織為板條狀低碳型回火馬氏體、是淬火-回火態供貨。 對該材料進行研究和分析可以明確，其具有較高的Ni 含量，該元素含量較高，則可以增加奧氏體區面積， 從而使材料能夠在高溫條件下獲得更多的奧氏體相， 可以通過使用淬火的方式獲得板條狀的馬氏體組織， 可以通過回火的方式讓材料中的馬氏體相發生轉變，從而使其能夠轉變為逆轉奧氏體。根據相關研究資料可以明確，因為板條馬氏體含有碳元素的量較少，因此其可以發生自回火， 從而使其含有的碳元素可以均勻分布；由于在胞狀亞結構中存在位錯，且在有些位置的密度較低，從而促進了位錯的活動，進而能夠降低局部應力集中的現象，從而使組織裂紋得到延緩，讓尖端應力最大值降低，從而使材料的韌性得到提升；此外，在有馬氏體板條存在的情況下，裂紋不容易擴張，因而材料具有較好的韌性和較高的性能[5]。 所以，由熱處理工藝調整馬氏體分布位置、 形狀從而増加細小板條狀的比例進而提升材料的塑韌性。

2.1.2 9Ni 鋼板的低溫CTOD 和低溫拉伸試驗分析

在對材料準靜態裂紋尖端抵抗開裂能力進行評價的時候，可以使用CTOD 數值大小。 如果該數值較小，則說明材料不具有較強的抵抗開裂的能力， 因此其尖端處相對容易出現裂紋；如果該數值較大，則說明材料具有較強的抵抗開裂的能力，因此其尖端處相對不容易出現裂紋。所以，在對材料韌性進行評價的時候，可以使用該實驗進行評價。

選擇厚度為20mm 的9Ni 鋼，取兩組試樣，共6 個。其中3 個試樣是在與軋制方向垂直方向獲取的， 其為Z組，其中3 個試樣是在與軋制方向平行方向獲取的，其為H 組。 對試樣進行處理，使其符合標準，然后分別進行-196℃CTOD 實驗，表6 所示的是實驗結果，圖3 所示的是CTOD 實驗斷裂形貌。根據相關技術要求可以明確，當溫度為-196℃時，δm或δu平均值不小于0.3mm，則可以認為試樣合格。 對試樣進行研究發現，當溫度為-196℃時，δm或δu平均值為0.599mm， 因此可以認為該材料具有較好的低溫韌性。

圖3 CTOD 實驗結果斷裂形貌

表6 CTOD 實驗結果統計一覽表

選擇厚度為20mm 的9Ni 鋼，取兩組試樣，共6 個。對試樣進行處理， 使其符合標準， 把試樣放在試驗儀器（WEW-300）微機液壓萬用實驗機上進行實驗。 其中3 個試樣是沿軋制方向拉伸試樣獲取的，其為A 組，其中3 個試樣是在與軋制方向垂直方向獲取的，其為B 組。當溫度為-196℃時，對其拉伸性能進行研究。 表7 所示的是9Ni鋼在-196℃的拉伸性能結果， 圖4 所示是低溫拉伸試樣斷后形貌。 從中能看出-196℃下9Ni 鋼強塑性非常不錯。

圖4 低溫拉伸試樣斷后形貌

表7 9Ni 鋼在-196℃的拉伸性能

2.2 9Ni 鋼板焊后宏觀圖

由于焊接設備相當簡單、操作非常方便、應用領域范圍非常廣泛等特點， 焊條電弧焊是9Ni 鋼工業生產中儲罐焊接應用最廣的方法[6-7]。首先選擇合適焊條，然后分析接頭微觀特征。進行了沖擊實驗并分析接頭的斷口特性，為優化焊接接頭低溫韌性打下堅實的理論基礎。

參考大量文獻和行業技術標準得知9Ni 鋼加工過程焊材主要分為4 種[8]，即含Ni13%-Cr16%的奧氏體不銹鋼型、含Ni 約40%的Fe-Ni 基型、和含Ni 11%的F 型以及含Ni 約60%以上Inconel 型。 通過對比分析利用與母材相似的焊接材料時，需要進行熱處理操作，否則會導致低溫韌性降低， 這是由于焊接過程中合金元素在熔池中溫度過高產生燒損以及焊接熱循環過程中生成的局部鑄造組織； 由于Fe-Ni 材料與母材的的線膨脹系數不大一致，所以選擇了線膨脹系數與母材差不多的含Ni 量較高的Ni 基材料進行實驗，最終選用ENiCrMo-6 焊條作焊接材料。 9Ni 鋼手工電弧焊焊后形貌如圖5 所示。

圖5 9Ni 鋼手工電弧焊焊后形貌

2.3 手工電弧焊焊接接頭組織與性能探討

2.3.1 顯微組織

圖6（a）可以觀察到，SMAW 焊縫由兩部分構成， 一部分是奧氏體，一部分是析出相。 對其晶體形狀進行研究可以明確，其為樹枝狀，并且具有方向性，明亮的顏色是樹枝狀枝干。 殘余的金屬顆粒分布在樹枝之間，樹枝晶附近的深色是已經結晶的奧氏體相。圖6（b）可以看出熱影響區粗晶區是由條狀馬氏體和粗大殘余奧氏體構成。 在熱影響區焊接熱循環后，晶粒生長快，得到較大的殘余奧氏體組織。

圖6 手工電弧焊焊縫和粗晶區顯微組織

如圖7 所示的手工電弧焊焊縫組織中的析出相微觀形貌和析出相EDS 圖譜，表8 是析出相的EDS 元素質量分數的分析，對其微觀組織進行研究和分析可以明確，其塊狀和條狀的析出相由奧氏體組成， 并且析出相還不連續，這些析出相分布于枝狀晶之間。從試驗結果可以看出析出相成分中含有較多的鉬元素和絡元素， 這是因為和普通鋼相比，該材料的溶碳能力較低，因此即使其含有的碳含量較低，其也會有析出相形成。

圖7 焊縫中的析出相微觀形貌特征和EDS 圖譜

表8 析出相元素分析結果一覽表（質量分數）

2.3.2 焊接接頭的力學性能

表9 所示的是20mm 厚鋼板接頭拉伸性能結果統計表，接頭的拉伸實驗斷裂形貌如圖8 所示。由圖可以得出結構鋼板的焊接接頭在常溫下斷裂位置發生在母材處，這說明母材處的抗拉強度低于熱影響區位置和焊縫位置。得到的強度是720MPa，在通常情況下，鋼板要求強度最低為680MPa，最高不超過820MPa，因此可以明確，通過使用手工電弧焊焊接方式， 可以讓9Ni 鋼具有較好的焊接接頭拉伸性能。

圖8 接頭的拉伸試樣斷裂形貌

表9 焊接接頭拉伸性能結果統計一覽表

20mm 厚鋼板的焊接接頭彎曲性能統計表如表10，圖9 所示的是20mm 厚鋼板接頭彎曲形貌特征。 對其進行深入的研究和分析可以明確，無論是哪種彎曲，鋼板均符合要求， 因此可以認為， 通過使用手工電弧焊焊接方式，可以讓9Ni 鋼具有較好的焊接接頭彎曲性能。

圖9 焊接接頭彎曲形貌

如表11 所示的是溫度為-196℃時20mm 厚鋼板沖擊吸收功，對其進行深入的研究和分析可以明確，無論哪個位置，使用手工電弧焊焊接方式， 可以讓9Ni 鋼的低溫性能沖擊吸收功均不小于80J；從焊縫中心到熔合線方向，其低溫性能逐漸提升。

表11 -196℃時9Ni 鋼板接頭低溫沖擊吸收結果統計一覽表

9Ni 鋼板（20mm 厚）接頭硬度情況見表12，對焊接接頭不同位置的維氏硬度進行測量， 因為在進行焊接的時候， 在焊接下一道接縫的時候會導致上一道接縫再次受熱，因此，為了讓研究結果更加準確，選擇使用受熱效果不明顯的部位進行研究，即表面下2mm，對母材進行打點測試，位置從焊縫開始，截止到熱影響區，10kg 為載荷。其結果如圖10 所示。 對其進行研究和分析可以明確，和熱影響區位置相比，無論是母材處還是焊縫處，其硬度值均較小，該數值出現一定的波動，但是波動范圍較小。 可以得出結論熱影響區位置平均硬度值最大，母材次之，焊縫中心位置值最小。 分析原因：①與材料的內部組織有關。焊縫處主要有兩種組織，一種是析出相，一種是奧氏體，因此其具有較低的硬度，當發生熱循環之后，熱影響區組織快速生長變得粗大。 組織晶粒由較粗馬氏體構成并在快冷中產生硬度很大馬氏體， 因而在焊接熱影響區位置硬度值明顯提升，所以結果表現為熱影響區硬度值最大。因主要為低碳型馬氏體結構，母材硬度值大小介于熱影響區以及焊縫中心之間； ②焊接接頭在發生焊接冶金反應時，由于其組織中的微觀形態分布不均勻，并且其化學成分不均勻，因此導致了其截面位置硬度發生改變，對其進行實驗研究可以發現，使用手工電弧焊焊接方式，不會出現材料脆化。

圖10 焊接接頭的硬度

表12 焊接接頭硬度分布統計結果一覽表

2.3.3 焊接接頭的斷口形貌

經過外加載荷的作用，從而導致材料發生形變，此時就會產生顯微空穴，從而使新的微孔產生。當持續增加外加荷載的時候，其微孔會變大，當其變大到一定程度的時候，就會斷裂，隨后對材料端口進行觀察，可以發現表面上有塑性撕裂變形痕跡且有很多凹凸不平的韌窩。 顯微狀態下杯狀韌窩數量多、變形尺寸大則表示沖擊韌性好。焊縫中心處和離熔合線靠近母材方向3mm 處粗晶區斷口特征如圖11 所示。 由圖11（a）圖可以看出，當溫度為-196℃，通過使用手工電弧焊焊接，在其中心可以發現有韌窩狀撕裂棱存在， 表示焊縫在斷裂時發生了塑性形變，圖中韌窩深度較淺，韌窩尺寸小，撕裂面積不大，斷裂方式仍為韌性斷裂。 由圖11（b）圖可知手工電弧焊粗晶區組織粗大， 組織由大大小小的韌窩組成， 大小韌窩相互交叉。

圖11 斷口形貌特征

2.3.4 焊縫的化學成分

由表13 可知， 手工電弧焊焊縫中C 元素含量為0.03%。 P、S 等元素會使焊縫組織的低溫性能下降很多，手工電弧焊焊縫中P、 S 有害元素含量分別為0.046%和0.004%。 W、 Mo 是合金固溶體元素，使Cr 的高溫擴散速度降低，強化組織結合力，進而延長組織變軟時間，手工電弧焊焊縫中W、 Mo 元素含量分別為2.12%和4.75%，可以讓焊縫的強度增加。 焊縫組織含有少量的鈮Nb，則可以讓晶粒得到細化，從而使其低溫韌性增強[9-10]。

表13 手工電弧焊焊縫的化學成分

3 結論

（1） 用9Ni 鋼進行超低溫CTOD 試驗結果表明：LNG儲罐用9Ni 鋼在-196℃低溫韌性良好。 采用手工電弧焊對9Ni 鋼板進行焊接， 可以使焊接接頭具有較好的成形性能，對其顯微組織進行研究和分析可以明確，通過該方式進行焊接，焊縫由兩部分組成，一部分是析出相，一部分是奧氏體，其焊縫為樹枝狀，并且具有一定的方向，明亮的顏色是樹枝狀枝干， 手工電弧焊焊接粗晶區組織是由條狀馬氏體和粗大殘余奧氏體組織組成。

（2）對焊接接頭進行力學分析可以明確，通過使用手工電弧焊焊接， 可以讓9Ni 鋼焊接接頭具有較好的低溫沖擊韌性，具有較好的彎曲性能和較大的抗拉強度，不會出現材料脆化。通過分析得到，接頭化學成分與母材具有較高的匹配性。

（3） 通過掃描電鏡對接頭各部分位置沖擊斷口形貌進行研究， 手工電弧焊焊接時得到沖擊斷口特征是韌性斷裂。