9Ni 钢手工电弧焊焊接接头组织与性能研究

彭清和， 颜文煅， 许剑枫

（闽南理工学院， 福建石狮 362700）

0 引言

1 试验材料与试验方法

9Ni 钢在-196℃低温下仍然具有较高的机械性能尤其是良好的韧性，从而被广泛应用于生产LNG 储罐和运输船[1]。 但是，在焊接该材料的时候，容易出现一些问题，比如其熔合线附近的粗晶区可能会由于低温的原因导致出现脆化，这是9Ni 钢接头易生成裂纹，从而导致了该材料容易受到破坏[2]。为了避免出现这种情况，提高LNG 运输的安全性，就需要对其展开研究和分析，明确焊接方式对焊接接头组织和性能的影响， 从而使其能够更加安全的运输。 作为全球通用的低温用钢，Ni 系低温钢材因拥有较好的机械性能尤其是优异的低温性能， 其能够使用的最低温度为-196℃，因此其应用的范围十分广泛[3-4]。

1.1 试验材料

使用的是由浑火－回火（QT）供货的9Ni 钢， 9Ni 钢成分如表1，表2 所示的是9Ni 钢板力学性能结果一览。

表1 9Ni 钢板成分一览表（质量分数）

表2 9Ni 钢板力学性能结果一览表

1.2 焊接试验方法

试验采用SMAW，9Ni 钢钢板尺寸为400mm×200mm×20mm，设备为松下交流弧焊机YK-305AA3。 根据工业生产实践和热模拟经验，特制定如表3 所示焊接工艺参数。坡口尺寸示意图如图1。 焊接道数详见图2。 电焊条为ENiCrMo-6，其化学成分如表（表4）所示和性能如表（表5）所示，满足AWSA5.11-2005。

图1 焊接坡口尺寸示意图

图2 焊接道数示意图

表3 焊接工艺参数

表4 焊条熔敷金属化学成分一览表（Wt%）

表5 焊条熔敷金属性能统计结果一览表

2 结果与分析

2.1 9Ni 钢的低温性能

2.1.1 9Ni 钢母材的组织性能

试验用9Ni 钢是微观组织为板条状低碳型回火马氏体、是淬火-回火态供货。 对该材料进行研究和分析可以明确，其具有较高的Ni 含量，该元素含量较高，则可以增加奥氏体区面积， 从而使材料能够在高温条件下获得更多的奥氏体相， 可以通过使用淬火的方式获得板条状的马氏体组织， 可以通过回火的方式让材料中的马氏体相发生转变，从而使其能够转变为逆转奥氏体。根据相关研究资料可以明确，因为板条马氏体含有碳元素的量较少，因此其可以发生自回火， 从而使其含有的碳元素可以均匀分布；由于在胞状亚结构中存在位错，且在有些位置的密度较低，从而促进了位错的活动，进而能够降低局部应力集中的现象，从而使组织裂纹得到延缓，让尖端应力最大值降低，从而使材料的韧性得到提升；此外，在有马氏体板条存在的情况下，裂纹不容易扩张，因而材料具有较好的韧性和较高的性能[5]。 所以，由热处理工艺调整马氏体分布位置、 形状从而増加细小板条状的比例进而提升材料的塑韧性。

2.1.2 9Ni 钢板的低温CTOD 和低温拉伸试验分析

在对材料准静态裂纹尖端抵抗开裂能力进行评价的时候，可以使用CTOD 数值大小。 如果该数值较小，则说明材料不具有较强的抵抗开裂的能力， 因此其尖端处相对容易出现裂纹；如果该数值较大，则说明材料具有较强的抵抗开裂的能力，因此其尖端处相对不容易出现裂纹。所以，在对材料韧性进行评价的时候，可以使用该实验进行评价。

选择厚度为20mm 的9Ni 钢，取两组试样，共6 个。其中3 个试样是在与轧制方向垂直方向获取的， 其为Z组，其中3 个试样是在与轧制方向平行方向获取的，其为H 组。 对试样进行处理，使其符合标准，然后分别进行-196℃CTOD 实验，表6 所示的是实验结果，图3 所示的是CTOD 实验断裂形貌。根据相关技术要求可以明确，当温度为-196℃时，δm或δu平均值不小于0.3mm，则可以认为试样合格。 对试样进行研究发现，当温度为-196℃时，δm或δu平均值为0.599mm， 因此可以认为该材料具有较好的低温韧性。

图3 CTOD 实验结果断裂形貌

表6 CTOD 实验结果统计一览表

选择厚度为20mm 的9Ni 钢，取两组试样，共6 个。对试样进行处理， 使其符合标准， 把试样放在试验仪器（WEW-300）微机液压万用实验机上进行实验。 其中3 个试样是沿轧制方向拉伸试样获取的，其为A 组，其中3 个试样是在与轧制方向垂直方向获取的，其为B 组。当温度为-196℃时，对其拉伸性能进行研究。 表7 所示的是9Ni钢在-196℃的拉伸性能结果， 图4 所示是低温拉伸试样断后形貌。 从中能看出-196℃下9Ni 钢强塑性非常不错。

图4 低温拉伸试样断后形貌

表7 9Ni 钢在-196℃的拉伸性能

2.2 9Ni 钢板焊后宏观图

由于焊接设备相当简单、操作非常方便、应用领域范围非常广泛等特点， 焊条电弧焊是9Ni 钢工业生产中储罐焊接应用最广的方法[6-7]。首先选择合适焊条，然后分析接头微观特征。进行了冲击实验并分析接头的断口特性，为优化焊接接头低温韧性打下坚实的理论基础。

参考大量文献和行业技术标准得知9Ni 钢加工过程焊材主要分为4 种[8]，即含Ni13%-Cr16%的奥氏体不锈钢型、含Ni 约40%的Fe-Ni 基型、和含Ni 11%的F 型以及含Ni 约60%以上Inconel 型。 通过对比分析利用与母材相似的焊接材料时，需要进行热处理操作，否则会导致低温韧性降低， 这是由于焊接过程中合金元素在熔池中温度过高产生烧损以及焊接热循环过程中生成的局部铸造组织； 由于Fe-Ni 材料与母材的的线膨胀系数不大一致，所以选择了线膨胀系数与母材差不多的含Ni 量较高的Ni 基材料进行实验，最终选用ENiCrMo-6 焊条作焊接材料。 9Ni 钢手工电弧焊焊后形貌如图5 所示。

图5 9Ni 钢手工电弧焊焊后形貌

2.3 手工电弧焊焊接接头组织与性能探讨

2.3.1 显微组织

图6（a）可以观察到，SMAW 焊缝由两部分构成， 一部分是奥氏体，一部分是析出相。 对其晶体形状进行研究可以明确，其为树枝状，并且具有方向性，明亮的颜色是树枝状枝干。 残余的金属颗粒分布在树枝之间，树枝晶附近的深色是已经结晶的奥氏体相。图6（b）可以看出热影响区粗晶区是由条状马氏体和粗大残余奥氏体构成。 在热影响区焊接热循环后，晶粒生长快，得到较大的残余奥氏体组织。

图6 手工电弧焊焊缝和粗晶区显微组织

如图7 所示的手工电弧焊焊缝组织中的析出相微观形貌和析出相EDS 图谱，表8 是析出相的EDS 元素质量分数的分析，对其微观组织进行研究和分析可以明确，其块状和条状的析出相由奥氏体组成， 并且析出相还不连续，这些析出相分布于枝状晶之间。从试验结果可以看出析出相成分中含有较多的钼元素和络元素， 这是因为和普通钢相比，该材料的溶碳能力较低，因此即使其含有的碳含量较低，其也会有析出相形成。

图7 焊缝中的析出相微观形貌特征和EDS 图谱

表8 析出相元素分析结果一览表（质量分数）

2.3.2 焊接接头的力学性能

表9 所示的是20mm 厚钢板接头拉伸性能结果统计表，接头的拉伸实验断裂形貌如图8 所示。由图可以得出结构钢板的焊接接头在常温下断裂位置发生在母材处，这说明母材处的抗拉强度低于热影响区位置和焊缝位置。得到的强度是720MPa，在通常情况下，钢板要求强度最低为680MPa，最高不超过820MPa，因此可以明确，通过使用手工电弧焊焊接方式， 可以让9Ni 钢具有较好的焊接接头拉伸性能。

图8 接头的拉伸试样断裂形貌

表9 焊接接头拉伸性能结果统计一览表

20mm 厚钢板的焊接接头弯曲性能统计表如表10，图9 所示的是20mm 厚钢板接头弯曲形貌特征。 对其进行深入的研究和分析可以明确，无论是哪种弯曲，钢板均符合要求， 因此可以认为， 通过使用手工电弧焊焊接方式，可以让9Ni 钢具有较好的焊接接头弯曲性能。

图9 焊接接头弯曲形貌

如表11 所示的是温度为-196℃时20mm 厚钢板冲击吸收功，对其进行深入的研究和分析可以明确，无论哪个位置，使用手工电弧焊焊接方式， 可以让9Ni 钢的低温性能冲击吸收功均不小于80J；从焊缝中心到熔合线方向，其低温性能逐渐提升。

表11 -196℃时9Ni 钢板接头低温冲击吸收结果统计一览表

9Ni 钢板（20mm 厚）接头硬度情况见表12，对焊接接头不同位置的维氏硬度进行测量， 因为在进行焊接的时候， 在焊接下一道接缝的时候会导致上一道接缝再次受热，因此，为了让研究结果更加准确，选择使用受热效果不明显的部位进行研究，即表面下2mm，对母材进行打点测试，位置从焊缝开始，截止到热影响区，10kg 为载荷。其结果如图10 所示。 对其进行研究和分析可以明确，和热影响区位置相比，无论是母材处还是焊缝处，其硬度值均较小，该数值出现一定的波动，但是波动范围较小。 可以得出结论热影响区位置平均硬度值最大，母材次之，焊缝中心位置值最小。 分析原因：①与材料的内部组织有关。焊缝处主要有两种组织，一种是析出相，一种是奥氏体，因此其具有较低的硬度，当发生热循环之后，热影响区组织快速生长变得粗大。 组织晶粒由较粗马氏体构成并在快冷中产生硬度很大马氏体， 因而在焊接热影响区位置硬度值明显提升，所以结果表现为热影响区硬度值最大。因主要为低碳型马氏体结构，母材硬度值大小介于热影响区以及焊缝中心之间； ②焊接接头在发生焊接冶金反应时，由于其组织中的微观形态分布不均匀，并且其化学成分不均匀，因此导致了其截面位置硬度发生改变，对其进行实验研究可以发现，使用手工电弧焊焊接方式，不会出现材料脆化。

图10 焊接接头的硬度

表12 焊接接头硬度分布统计结果一览表

2.3.3 焊接接头的断口形貌

经过外加载荷的作用，从而导致材料发生形变，此时就会产生显微空穴，从而使新的微孔产生。当持续增加外加荷载的时候，其微孔会变大，当其变大到一定程度的时候，就会断裂，随后对材料端口进行观察，可以发现表面上有塑性撕裂变形痕迹且有很多凹凸不平的韧窝。 显微状态下杯状韧窝数量多、变形尺寸大则表示冲击韧性好。焊缝中心处和离熔合线靠近母材方向3mm 处粗晶区断口特征如图11 所示。 由图11（a）图可以看出，当温度为-196℃，通过使用手工电弧焊焊接，在其中心可以发现有韧窝状撕裂棱存在， 表示焊缝在断裂时发生了塑性形变，图中韧窝深度较浅，韧窝尺寸小，撕裂面积不大，断裂方式仍为韧性断裂。 由图11（b）图可知手工电弧焊粗晶区组织粗大， 组织由大大小小的韧窝组成， 大小韧窝相互交叉。

图11 断口形貌特征

2.3.4 焊缝的化学成分

由表13 可知， 手工电弧焊焊缝中C 元素含量为0.03%。 P、S 等元素会使焊缝组织的低温性能下降很多，手工电弧焊焊缝中P、 S 有害元素含量分别为0.046%和0.004%。 W、 Mo 是合金固溶体元素，使Cr 的高温扩散速度降低，强化组织结合力，进而延长组织变软时间，手工电弧焊焊缝中W、 Mo 元素含量分别为2.12%和4.75%，可以让焊缝的强度增加。 焊缝组织含有少量的铌Nb，则可以让晶粒得到细化，从而使其低温韧性增强[9-10]。

表13 手工电弧焊焊缝的化学成分

3 结论

（1） 用9Ni 钢进行超低温CTOD 试验结果表明：LNG储罐用9Ni 钢在-196℃低温韧性良好。 采用手工电弧焊对9Ni 钢板进行焊接， 可以使焊接接头具有较好的成形性能，对其显微组织进行研究和分析可以明确，通过该方式进行焊接，焊缝由两部分组成，一部分是析出相，一部分是奥氏体，其焊缝为树枝状，并且具有一定的方向，明亮的颜色是树枝状枝干， 手工电弧焊焊接粗晶区组织是由条状马氏体和粗大残余奥氏体组织组成。

（2）对焊接接头进行力学分析可以明确，通过使用手工电弧焊焊接， 可以让9Ni 钢焊接接头具有较好的低温冲击韧性，具有较好的弯曲性能和较大的抗拉强度，不会出现材料脆化。通过分析得到，接头化学成分与母材具有较高的匹配性。

（3） 通过扫描电镜对接头各部分位置冲击断口形貌进行研究， 手工电弧焊焊接时得到冲击断口特征是韧性断裂。