9Ni钢焊接接头性能控制技术

2016-12-06郭占山陈延清杨建炜雍岐龙

电焊机 2016年2期

关键词：试板坡口热处理

张　熹，刘　宏，郭占山，陈延清，杨建炜，雍岐龙

（1.钢铁研究总院，北京100081；2.首钢技术研究院，北京100043）

9Ni钢焊接接头性能控制技术

张熹1，2，刘宏2，郭占山2，陈延清2，杨建炜2，雍岐龙2

（1.钢铁研究总院，北京100081；2.首钢技术研究院，北京100043）

对首钢生产的30 mm规格9Ni钢进行了最高硬度试验、斜Y坡口冷裂纹敏感性试验及焊接接头热输入适应性试验。试验结果表明，不预热进行焊接，9Ni钢最高硬度为HV10=353；预热75℃后焊接，最高硬度HV10=355，虽然钢材淬硬倾向较明显，但任可不预热焊接。采用焊条电弧焊在焊接热输入8～20 kJ/cm内，焊缝、热影响区-196℃冲击韧性满足标准要求。

9Ni钢；焊接性能；热影响区；淬硬倾向

0　前言

随着国内对环境质量的日益关注，清洁能源需求将不断提高。液化天然气（LNG）是较为廉价的清洁能源之一，由于天然气液化后的温度为-161.5℃，因此其储运难度极大。9Ni钢是国际上用于制造LNG储罐、LNG船较为广泛使用的钢铁材料，由于9Ni钢在焊接热循环过程中热影响区会发生粗化，产生淬硬组织，而且用于改善母材韧性的逆转变奥氏体消失，因此，9Ni钢焊接接头的性能控制技术将决定其应用和安全性。

1　焊接冷裂纹敏感性评定试验

为评定钢板的焊接冷裂纹敏感性，确定试验用钢的焊接预热温度，分别采用了焊接热影响区最高硬度法、斜Y铁研裂纹法等冷裂纹评定试验方法。

1.1焊接热影响区最高硬度法试验

试验用试板的制作及硬度的测定按GB 4675.5-1984《焊接性试验—焊接热影响区最高硬度试验方法》标准的有关规定进行。先将30 mm厚试验用钢板从一个轧制面机加工至20 mm厚，然后分别加工成20 mm×75 mm×200 mm（室温下施焊用试板）和20 mm×125 mm×200 mm（预热温度下施焊用试板）两种规格试板。

试验用焊条采用φ3.2 mm奥林康生产的FREEZAL E Ni 9焊条，试板焊前预热温度分别为室温（20℃）和预热75℃，施焊电流为交流，焊接电流100～105 A，电弧电压23～24V，焊接速度120 mm/min。试验焊缝在原始轧制面上进行，焊接规范如表1所示。焊后试板经解剖，以切于焊接熔合线底部切点为0点，左右每隔0.5 mm作为硬度的测定点。维氏硬度测定按GB/T 4340.1-1984《金属维氏硬度试验方法》的规定进行，试验的试样如图1所示。试板在不同焊前预热温度下施焊的维氏硬度测定点位置及其硬度值见表2，由表中数据整理的硬度测定点位置及其硬度值曲线如图2所示。

表1　最高硬度试板焊接规范

表2　维氏硬度测定点位置及其硬度值HV10

图1　焊接热影响区硬度测定点位置

图2　焊接热影响区硬度测定点位置及其硬度值曲线

焊接热影响区最高硬度试验主要用于评价钢板的抗冷裂纹性能，一般认为，钢板的焊接热影响区最高硬度大于HV350时，即有一定的冷裂纹倾向。结果表明，该钢板在不预热时，焊接热影响区最高硬度HV10约为352；预热至75℃时，焊接热影响区最高硬度HV10约为355，有一定的冷裂纹倾向。

1.2斜Y型坡口焊接裂纹试验

斜Y坡口焊接裂纹试验按GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂纹试验方法》进行，主要用于评价厚板多层焊根部焊道的冷裂纹敏感性。试验分为焊前试板不预热（室温）、预热50℃、预热75℃和预热100℃共四组，每组试验制作了两块试板，试板的尺寸示意如图3所示。施焊时，环境温度为15℃～20℃，环境湿度为50％～65％。采用交流电源焊接，其焊接电流100～105A，电弧电压23～24V，焊接速度120mm/min。其焊接工艺参数如表3所示。焊后经48 h自然冷却后，对试验焊缝表面进行渗透检测，结果均未发现表面裂纹。然后将每组试验其中一块试板的试验焊缝切成4片5个断面进行断面裂纹检查，另一块200℃加热2 h后顶断观察根部裂纹率，试验结果如表4所示。

由表4可知，30 mm厚钢板在不预热和在50℃、75℃、100℃预热时，均未发现任何焊接冷裂纹，可以认为30 mm厚钢板在焊前不预热和在上述温度预热的情况下，实际焊接接头出现冷裂纹的可能性较小。

2　焊接工艺适应性试验

2.1焊接热输入适应性试验

焊接热输入通常对高强度钢的焊接热影响区及其焊缝金属的冲击韧性影响较大。确定焊接热输入对焊接接头冲击韧性的影响规律，在8～20 kJ/cm内选择了4种不同焊接热输入对试验用30 mm厚钢板进行施焊，以研究焊接热输入对其热影响区及其焊缝金属冲击韧性的影响。焊接试板取向为钢板横向对接焊，坡口型式加工成不对称X型（见图4）。焊条采用φ2.5mm（打底焊）和φ3.2mm的FREEZAL E Ni 9焊条。施焊时，先焊任意一面坡口，反面进行砂轮修磨清焊根后再焊。层间温度控制在100℃～150℃内，不同焊接热输入施焊试板的焊接工艺参数如表5所示。

图3　斜Y型坡口焊接裂纹试板示意

表3　斜Y坡口焊接裂纹焊接参数

表4　斜Y坡口焊接裂纹试验结果

图4　热输入适应性焊接试板尺寸示意

按NB47014-2011《承压设备焊接工艺评定》的要求对30 mm厚的钢板焊接接头进行拉伸与冷弯试验，试样横向取样。采用全厚度带肩板形拉伸试样（试样尺寸为30 mm×25 mm×250 mm）分别对不同焊接工艺的对接接头进行拉伸试验。由于试板厚度大于20 mm，冷弯试验采用全厚度侧弯试样，试样宽度为30 mm，试样厚度为10 mm，侧弯试样为4件。焊接接头冲击试样取样按照NB47014-2011《承压设备焊接工艺评定》的要求，试样横向取样。分别对不同焊接工艺的对接接头焊缝金属、热影响区进行冲击试验，其拉伸、冷弯和冲击试验试验结果分别如表6、表7所示。

由表6～表7可知，在8～20 kJ/cm焊接热输入内，随着焊接热输入的增加，焊接接头的抗拉强度逐渐降低。焊接热影响区的室温和低温冲击功随焊接热输入提高有下降趋势，但幅度不大。焊接热输入在8～20 kJ/cm内时，焊接接头的强度和韧性均能满足要求。

表5　不同焊接热输入施焊试板的焊接工艺示意

表6　不同焊接工艺的焊接接头力学性能试验结果

表7　不同焊接工艺的焊接接头冲击试验结果

2.2焊后去应力热处理适应性试验

试验选用30mm厚的钢板，试验焊条为φ3.2 mm的FREEZAL E Ni 9焊条，焊接热输入为16 kJ/cm，焊后立即进行540℃～580℃×2 h的消应力热处理。试验中有一组未进行焊后热处理，以便进行力学性能的对比。

按NB47014-2011《承压设备焊接工艺评定》的要求对不同焊后热处理的焊接接头进行拉伸、冷弯和冲击试验。采用全厚度带肩板形拉伸试样（试样尺寸为30 mm×25 mm×250 mm）对焊接接头进行拉伸试验。冷弯试验采用全厚度侧弯试样，试样宽度为30 mm，试样厚度为10 mm，侧弯试样为4件，试验结果如表8、表9所示。

结果表明，经过消应力热处理，接头的抗拉强度与焊态焊接接头相比稍有下降，焊缝金属、焊接热影响区室温和低温冲击功稍有下降，但性能满足要求，因此首钢9Ni钢适应540℃～580℃×2 h的焊后热处理制度。

表8　不同热处理工艺的焊接接头力学性能试验结果

表9　不同热处理工艺的焊接接头冲击试验结果

3　焊接接头金相试验

对采用热输入为16 kJ/cm施焊的30 mm钢板，焊态和焊后SR状态（560℃×2 h热处理）焊接试板的1/4板厚处，分别进行了焊接接头不同部位的金相组织检验。图5示出了焊缝、焊接热影响区的金相组织。焊态与热处理态焊接接头对应位置的金相组织相差不大，焊缝为奥氏体，且其中分布大量的细小、弥散的碳化物，而热影响区为马氏体淬硬组织，由于焊接后热影响区组织显著恶化，因此9Ni钢应采用小焊接热输入进行焊接以减少劣化组织的尺寸和宽度。

4　结论

（1）9Ni钢淬硬倾向较大，在室温20℃、预热75℃下，焊接热影响区最高硬度HV10>350。

（2）斜Y试验显示30 mm厚钢板在不预热和在50℃、75℃、100℃预热时，均未发现任何焊接冷裂纹，表明该钢种焊接热影响区的抗裂性较好。

（3）30 mm厚规格9Ni钢在8～20 kJ/cm焊接热输入内对热输入有较好的适应性，焊接接头力学性能满足要求，虽然随焊接热输入增加焊接热影响区20℃、-196℃冲击功有一定的下降趋势，但富余量较大。

（4）30 mm厚9Ni钢在热输入为16 kJ/cm下施焊后在540℃～580℃进行保温2 h的焊后去应力处理，焊接接头性能下降很少，能满足施工要求。

（5）焊态、消除应力热处理态焊接接头金相组织差别不大，焊缝为奥氏体组织，奥氏体中分布大量细小、弥散的碳化物，热影响区为马氏体淬硬组织，因此为保证性能9Ni钢应采用小热输入进行焊接。

[1]严春妍，李午申，白世武，等.9Ni钢焊接热影响区组织转变规律的研究[J].材料工程，2010（2）：6-9.

[2]孟根巴根，马成勇，彭云，等.热输入对9Ni钢焊接接头组织及低温冲击性的影响[J].焊接学报，2010（6）：69-73.

[3]王建军.LNG储运设施9Ni钢的焊接技术研究[J].炼油技术与工程，2011（5）：22-25.

[4]徐烈，历岩，洪水淙.9Ni钢乙烯球罐的应力分析及裂纹研究[J].低温工程，1994（3）：41-45.

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