(太原理工大學(xué) 焊接材料研究所，山西 太原 030024)

0 前言

9%Ni鋼已成功應(yīng)用于大型液化天然氣(LNG)儲罐和LNG運(yùn)輸船舶等低溫裝置。雖然現(xiàn)有的焊接材料和配套焊接工藝基本能滿足制造要求，但這并不意味著在所有情況下鋼結(jié)構(gòu)都能獲得滿意的焊接性。在一些情況下，焊縫的熱裂紋敏感性、電弧磁偏吹現(xiàn)象、埋弧焊中焊縫未熔合等問題在施工過程中時(shí)有發(fā)生。另一方面，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝苛刻的大型LNG儲罐等結(jié)構(gòu)的施工過程中，合理選用焊接材料顯得尤為重要。所謂合理選用焊接材料，既要考慮結(jié)構(gòu)的工況條件，又要考慮母材的焊接性和匹配方式等因素。9%Ni鋼焊接接頭超低溫工況條件的特殊性，使該鋼焊接材料的選用原則顯得有些與眾不同。具有Ni基奧氏體焊縫的焊接材料已經(jīng)在工程上被普遍采用，但作為“異質(zhì)焊縫”的“等韌性匹配”焊接材料選用原則，往往被忽略而未被強(qiáng)調(diào)。有關(guān)9%Ni鋼焊接的文獻(xiàn)不少[1-3]，但涉及焊接材料選用原則的內(nèi)容往往一帶而過，專題性探討的文獻(xiàn)更是罕見。為此，文中從9%Ni鋼焊接的工程應(yīng)用入手，將焊接材料選擇與該鋼的焊接性、焊接材料種類、工藝方法相聯(lián)系，著力專題性探討其選用原則。該項(xiàng)工作對推動(dòng)9%Ni鋼焊接材料的創(chuàng)新開發(fā)、配套工藝的銳意改進(jìn)，以及工程質(zhì)量的提升，具有一定的參考價(jià)值和實(shí)用意義。

1 9%Ni鋼的焊接材料及焊接性

1.1 9%Ni鋼焊接工程應(yīng)用實(shí)例

實(shí)例1，兩種焊接方法在大型LNG儲罐內(nèi)罐壁板焊接施工中的應(yīng)用[1]。內(nèi)罐壁板承擔(dān)著盛裝冷液和密封的作用，是低溫儲罐的主要構(gòu)件，由9%Ni低溫鋼焊接而成。內(nèi)罐壁板共有11層，每一層的厚度都不相同，且厚度自下而上越來越小，如某公司160 000 m3的LNG低溫儲罐的壁板厚度最大28.59 mm，最小12 mm。內(nèi)罐壁板的接頭形式為開坡口的對接接頭，立縫為單邊V或X形坡口，環(huán)縫為K形坡口，如圖1所示[3]。壁板立縫采用焊條電弧焊焊接，壁板環(huán)縫采用埋弧自動(dòng)焊焊接。由于壁板的厚度不同，焊接時(shí)要求在厚度方向每塊板的中性層必須對齊。內(nèi)罐壁板的焊接鋪設(shè)按規(guī)定進(jìn)行。在執(zhí)行表1中實(shí)例1所示的焊接工藝要點(diǎn)的同時(shí)，特別強(qiáng)調(diào)焊接材料的選擇、焊接工藝參數(shù)的確定、焊接坡口的設(shè)計(jì)、焊接施工順序以及焊接施工的注意事項(xiàng)等。焊縫順利通過目視檢測(VT)、滲透檢測(PT)和射線檢測(RT)，并對焊接試板進(jìn)行了焊接工藝評定。結(jié)果表明，接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。兩種焊接方法完成的9%Ni鋼焊接接頭均達(dá)到LNG低溫儲罐的設(shè)計(jì)要求。

實(shí)例2， 50 000 m3LNG儲罐9%Ni鋼內(nèi)罐焊接技術(shù)[2]。兩臺50 000 m3LNG儲罐是上海燃?xì)饧瘓F(tuán)的關(guān)鍵設(shè)備，儲罐結(jié)構(gòu)形式為全容罐，其內(nèi)罐由9%Ni鋼焊制。內(nèi)罐直徑φ52.5 m，高度26.73 m,壁厚17.7～8 mm,共有9圈壁板組成。上海市安裝工程公司針對制造中的難點(diǎn)，采取一系列技術(shù)措施展開工程施工。內(nèi)罐壁板立縫采用焊條電弧焊焊接，壁板環(huán)縫采用自動(dòng)埋弧焊焊接。在執(zhí)行表1中實(shí)例2所示的焊接工藝要點(diǎn)的同時(shí)，特別強(qiáng)調(diào)有效的焊接工藝措施和嚴(yán)密科學(xué)的工序控制。項(xiàng)目創(chuàng)新地采用了交流方波電源，防止了焊接過程中磁偏吹的發(fā)生；采用坡口背面焊劑保護(hù)方法，焊縫成形好，減少了碳弧氣刨工作量；這一系列綜合工藝措施，有效控制了焊縫質(zhì)量，獲得了合格、滿意的焊接接頭綜合性能。兩臺50 000 m3LGN儲罐的成功制作，使公司的現(xiàn)代施工質(zhì)量及管理水平提升到一個(gè)新的臺階，為今后相同類型儲罐的施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

圖1 筒體焊縫坡口及焊道排列[3]

表2列出了工程實(shí)例中焊接材料成分、焊縫組織及接頭韌性?？梢钥闯?，兩個(gè)典型工程案例所使用焊接材料(無論焊條電弧焊，還是埋弧焊)的合金系統(tǒng)均為Ni-Cr-Mo型，焊縫顯微組織均為Ni基全奧氏體，焊縫金屬的線脹系數(shù)接近母材金屬[3]。然而，奧氏體焊縫金屬組織與鐵素體類母材截然不同，該接頭應(yīng)當(dāng)屬于異質(zhì)焊縫接頭。從接頭的韌強(qiáng)比看，其數(shù)值從7.67%～18.36%不等，遠(yuǎn)高于母材金屬的5.7%，完全達(dá)到了“等韌性匹配”技術(shù)要求。

表1 9%Ni鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝要點(diǎn)

表2 工程實(shí)例中的焊材主要化學(xué)成分、焊縫組織及接頭韌性

1.2 9%Ni鋼焊接性分析

9%Ni鋼是典型的中合金低碳馬氏體型低溫鋼。由表3可以看出，C元素控制在0.13%以下是為了控制鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度不被升高，保證良好的焊接性和低溫韌性[4]。Si元素控制在0.15%～0.40%，是冶煉過程的脫氧結(jié)果(不作為主要的合金化元素)。Mn元素控制在0.90%以下，有利于逆轉(zhuǎn)奧氏體的穩(wěn)定，因?yàn)檫^高的Mn元素含量影響韌性，主要考慮Mn元素與C元素含量之間的關(guān)系，即降低C元素含量，提高M(jìn)n/C比，獲得較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。S和P元素含量均控制在0.035%以下，主要是防止裂紋和脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。Ni元素是該鋼主要的合金化元素，控制在8.50%～9.50%,其目的是：①改善鐵素體的低溫韌性和降低脆性轉(zhuǎn)變溫度；②降低AC3點(diǎn)，細(xì)化晶粒；③回火過程中析出大約10%分散的逆轉(zhuǎn)奧氏體，與殘留奧氏體共同吸收有害雜質(zhì)，提高鐵素體的韌性，有利于阻止裂紋擴(kuò)展；④Ni的固溶增加了基體的交叉滑移能力，減少了間隙原子與位錯(cuò)的交互作用。由表4[4]可以看出，9%Ni鋼具有高強(qiáng)度、高的低溫韌性特點(diǎn)，是深冷環(huán)境下較為理想的鐵素體型低溫用鋼。由表5可知，該鋼的供貨狀態(tài)有3種，其中，經(jīng)IHT處理的9%Ni鋼，顯微組織是低碳馬氏體，低溫韌性最好；經(jīng)QT處理的鋼顯微組織也是低碳馬氏體，韌性其次；經(jīng)NNT處理鋼的顯微組織是回火馬氏體+貝氏體，韌性最差。

表4 9%Ni鋼的力學(xué)性能

注：①Q(mào)T處理和IHT材料同屬ASTM A553/A553M-95(Reapproved 2000)，該標(biāo)準(zhǔn)對它們的要求相同； ②沖擊溫度-196 ℃，三個(gè)試樣沖擊吸收能量的平均值不得低于括號外的值，沖擊吸收能量低于括號外值的試樣個(gè)數(shù)不得多于一個(gè)，單個(gè)試樣的沖擊吸收能量不得低于括號內(nèi)的值。

表5 3種熱處理供貨狀態(tài)時(shí)9%Ni鋼的組織與韌性

圖2 9%Ni鋼的連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖

圖2為9%Ni鋼的連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖。在較高的冷卻速度下冷卻，其硬度仍低于容許的硬度值400 HV。因此，對于厚度30 mm以下的9%Ni鋼，焊前不必預(yù)熱，焊后亦無需熱處理。由圖2可知，在低碳鋼中加入9%Ni，使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms和Mf相應(yīng)降低到325 ℃和100 ℃，不再出現(xiàn)珠光體。另一方面，由于馬氏體的轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf較低，自奧氏體化溫度冷卻到室溫后將殘留不穩(wěn)定的奧氏體。在下臨界溫度以上的α+β區(qū)內(nèi)的回火處理使奧氏體趨于穩(wěn)定。在回火馬氏體基體中,少量的高碳鎳奧氏體(5%～10%)在-196 ℃低溫下仍保持穩(wěn)定。在這種情況下，奧氏體中較高的碳含量來源于網(wǎng)狀晶界碳化物的溶解，導(dǎo)致脆性網(wǎng)狀碳化物的減少，進(jìn)而提高了低溫沖擊韌性。在較低的冷卻速度下，在馬氏體基體中可能形成奧氏體-鐵素體+碳化物的混合組織。這說明9%Ni鋼即使以相當(dāng)?shù)偷乃俣壤鋮s，焊接接頭熱影響區(qū)的組織總是馬氏體[3]。盡管該鋼可以不預(yù)熱焊接并在熱影響區(qū)存在馬氏體組織，但是這并不意味著在所有的情況下都能獲得滿意的接頭性能。研究表明，該鋼焊接性的主要問題是：

(1)冷裂紋敏感性。當(dāng)采用高Ni或中Ni型焊接材料時(shí)，一般不產(chǎn)生冷裂紋。但當(dāng)采用低Ni高M(jìn)n型焊接材料以及焊接工藝不當(dāng)時(shí)，極易出現(xiàn)焊接冷裂紋，即熔合區(qū)裂紋。在焊縫熔合區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了高硬度的馬氏體層及殘余奧氏體帶，氫在馬氏體層聚集，在應(yīng)力和低溫的共同作用下，馬氏體層極易產(chǎn)生冷裂紋。同時(shí)9%Ni鋼屬于高強(qiáng)鋼，盡管采用Ni基奧氏體焊縫焊接材料，但HAZ仍會產(chǎn)生淬硬組織，在有氫存在條件下，仍有產(chǎn)生氫致裂紋傾向。

(2)熱裂紋敏感性。無論采用高Ni或中Ni型焊接材料，焊縫都存在熱裂紋敏感性。這是因?yàn)楹缚p中S，P等元素極易與Ni元素形成低熔點(diǎn)共晶，造成晶界偏析；C和Si元素也會促使S,P等元素偏析。液態(tài)金屬結(jié)晶過程越長偏析越嚴(yán)重，尤其在高Ni型純奧氏體焊縫組織中,偏析產(chǎn)生的低熔點(diǎn)雜質(zhì)連續(xù)分布在晶界上，最易產(chǎn)生熱裂紋。

(3)焊接接頭低溫韌性下降。焊縫金屬區(qū)的低溫韌性主要與所用焊接材料的類型有關(guān)。當(dāng)采用“等成分匹配”的“同質(zhì)焊縫”焊接材料時(shí)，焊縫金屬的低溫韌性很差。主要因?yàn)楹缚p中含氧量太高(有時(shí)高達(dá)0.06%)，焊縫脆性轉(zhuǎn)變溫度升高[5]。熔合區(qū)的低溫韌性主要與該區(qū)出現(xiàn)的脆性組織有關(guān)。當(dāng)采用低Ni高M(jìn)n型奧氏體不銹鋼焊接材料時(shí)，熔合區(qū)焊縫側(cè)出現(xiàn)了高硬度馬氏體層和奧氏體帶，低溫韌性明顯降低。粗晶區(qū)的韌性主要取決于焊接熱輸入和焊后冷卻速度。焊接熱循環(huán)峰值溫度過高、冷卻速度又較小時(shí)，會使逆轉(zhuǎn)奧氏體減少并產(chǎn)生粗大的貝氏體，從而使低溫韌性下降。

(4)電弧磁偏吹。9%Ni鋼具有高的導(dǎo)磁率和較高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)用直流焊機(jī)時(shí)會進(jìn)一步磁化，焊接電弧極易產(chǎn)生磁偏吹。電弧磁偏吹使焊接無法正常進(jìn)行，導(dǎo)致熔合不良、成形惡化等缺欠，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。

總體上,該鋼焊接性的主要問題是冷、熱裂紋敏感性，以及焊接接頭低溫韌性下降，同時(shí)也不可忽視焊接中的電弧磁偏吹問題。選用優(yōu)質(zhì)、合適的焊接材料和合理的焊接工藝，是控制和改善該鋼焊接性的重要技術(shù)手段。

2 9%Ni鋼焊接材料的選用原則

為了滿足母材力學(xué)性能和低溫韌性，以及與母材接近的熱膨脹系數(shù)要求，早期國外曾用“成分匹配”原則開發(fā)了與母材“同質(zhì)”的鐵素體型焊接材料(NB-9N)。盡管該焊接材料工藝性能較好，焊縫強(qiáng)度高(屈服強(qiáng)度達(dá)750 MPa)，但焊接材料的低溫韌性偏低，冷裂傾向較大，無法用于LNG等超低溫儲罐[6]。后來開發(fā)了與母材成分不同的“異質(zhì)焊縫”焊接材料，按照熔敷金屬中Ni含量不同，可以分為高Ni型、中Ni型和低Ni型3種焊接材料，見表6～8，其中高Ni型和中Ni型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評估都不錯(cuò)。雖然它們的成分有較大差異，而且焊材熔敷金屬力學(xué)性能方面，焊縫金屬與母材的匹配出現(xiàn)或高或低現(xiàn)象(表7)。然而工程中常用“等強(qiáng)匹配”原則選用焊接材料，如大量應(yīng)用的美國Nyloid2鎳基焊條，屈服強(qiáng)度470 MPa、抗拉強(qiáng)度720 MPa，遠(yuǎn)高于母材強(qiáng)度；熔敷金屬-196 ℃沖擊吸收能量85 J，高于標(biāo)準(zhǔn)要求，完全滿足母材低溫韌性的需求。可以看出，工程實(shí)踐中采用的選材原則：一是異質(zhì)焊縫，即Ni基奧氏體焊縫；二是接頭的 “等韌性匹配”原則。所謂等韌性匹配是指選擇焊接材料時(shí)，要求焊縫金屬的韌性(韌性與強(qiáng)度之比)不低于母材金屬，形成的接頭具有良好的抗脆性破壞能力[7]。雖然上述3種焊接材料的焊縫化學(xué)成分不盡相同，但均為全奧氏體組織。為了獲得該類全奧氏體焊縫組織，需要強(qiáng)調(diào)以下幾種主要元素的影響和控制。

表6 幾種焊條熔敷金屬典型化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表7 幾種焊條熔敷金屬典型力學(xué)性能

表8 焊條類型及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評估

(1)C元素。C在奧氏體焊縫中呈間隙強(qiáng)化作用，與Mo，Cr，Nb等元素形成碳化物起到強(qiáng)化作用。但碳化物析出易造成孔蝕，同時(shí)考慮母材焊接性因素，因此一般控制焊縫金屬碳含量在0.1%以下，甚至0.08%以下。

(2)Si元素。Si元素在奧氏體焊縫中容易引起熱裂紋，Si元素含量過高還明顯降低焊縫塑韌性。往往加入Nb元素抵消Si元素的不利作用，并把Si元素控制在較低的含量(0.30%～0.60%)。

(3)Mn元素。Mn元素是奧氏體形成元素，低溫時(shí)可以有效穩(wěn)定奧氏體，阻止其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。對奧氏體焊縫有一定的固溶強(qiáng)化作用，可以提高耐磨性和氮的固溶量。

(4)Cr元素。Cr元素是鐵素體形成和穩(wěn)定化元素，也是很強(qiáng)的碳化物形成元素，還是形成金屬間化合物的重要成分。Cr元素在鋼的表面形成一種化學(xué)配比為(Fe,Cr)2O3的穩(wěn)定氧化物,提高鋼的耐腐蝕性，而形成的金屬間化合物有使不銹鋼脆化的傾向。在奧氏體焊縫中具有一定的固溶強(qiáng)化作用，當(dāng)焊縫中有C元素和N元素存在時(shí)，較高的Cr元素含量使韌性和塑性變得很差。

(5)Ni元素。Ni元素是形成并穩(wěn)定奧氏體化的元素。在奧氏體焊縫中隨Ni元素含量增加，殘余鐵素體可完全消除，并顯著降低σ相形成傾向。但Ni元素含量增加會降低C元素在奧氏體中的溶解度，從而使碳化物析出傾向增大。Ni元素可以減輕奧氏體焊縫脆性并改善力學(xué)性能，也是很好的固溶強(qiáng)化元素。

(6)Mo元素。Mo元素是鐵素體形成元素，在奧氏體焊縫中它的加入量受到限制。在奧氏體焊縫中Mo元素又是碳化物形成元素，對焊縫金屬起固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化作用。

(7)Nb元素。奧氏體焊縫中加入Nb元素可以穩(wěn)定C元素，Nb元素與C元素形成MC型碳化物在焊接過程中不溶解，防止形成富Cr的M23C6型碳化物，同時(shí)也防止了晶間腐蝕的成因。

3 9%Ni鋼焊接材料的種類及工藝方法

從表9和表10可以看出，當(dāng)前9%Ni鋼熔化焊的主要焊接方法有5種， LNG儲罐施工中比較常用的是SMAW和SAW。焊接材料的種類取決于所用的工藝方法，而工藝方法又取決于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊縫位置、接頭形式及使用條件等。表11為9%Ni鋼所用焊接材料的特點(diǎn)。5種焊接材料在含C量、脫氧方式、合金化類型、焊縫組織方面基本一致。熔敷金屬力學(xué)性能方面，焊接材料的屈服強(qiáng)度普遍低于母材金屬(母材要求≥585 MPa),抗拉強(qiáng)度均保持在母材要求范圍690～825 MPa，低溫沖擊吸收能量均大于母材要求(母材要求-196 ℃KV≥34 J)，其中GTAW顯示出很高的韌性(130～160 J)，可能是由于Ar氣保護(hù)下焊縫金屬含氧量較低所致。

考慮焊接材料的“等韌性匹配”原則，從表4和表10中選用2組數(shù)據(jù)，分別計(jì)算母材與焊接材料熔敷金屬的韌強(qiáng)比(表12)。可以看出，第1組母材的強(qiáng)度為700 MPa、-196 ℃沖擊吸收能量為40 J時(shí)，選用焊材熔敷金屬的強(qiáng)度為700 MPa、-196 ℃沖擊吸收能量為80 J。母材與焊接材料的韌強(qiáng)比分別為5.7%和11.4%，焊接材料熔敷金屬的韌性比母材金屬高。第2組母材的強(qiáng)度為708 MPa、-196 ℃沖擊吸收能量為90 J時(shí)，選用焊接材料熔敷金屬的強(qiáng)度為716 MPa,-196 ℃沖擊吸收能量為106 J。母材與焊材的韌強(qiáng)比分別為12.7%和14.8%，依然是焊接材料熔敷金屬的韌性比母材金屬高。這就是9%Ni鋼焊接材料選用中的所謂等韌性匹配原則。無論母材的韌性如何(隨熱處理制度變化)，總可以選到與其相匹配的焊接材料，前提條件就是焊縫的韌性不低于母材。

從綜合評價(jià)看，F(xiàn)CAW、SAW和GMAW方法具有高效、自動(dòng)化優(yōu)勢。SAW方法雖然可以用于橫焊，但需要專用焊接裝備。FCAW無需反面根部保護(hù)，而GMAW則需要反面根部保護(hù)。SMAW和GTAW方法屬于手工操作工藝，效率低，但前者無需反面根部保護(hù)。具體到9%Ni鋼LNG儲罐結(jié)構(gòu)時(shí)，主要有縱縫和環(huán)縫兩種焊縫?？v縫通常開V形或X形坡口，環(huán)縫開K形坡口。施工現(xiàn)場對縱縫常采用SMAW立焊工藝，對環(huán)縫則常采用SAW橫焊工藝。9%Ni鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接工藝通用要點(diǎn)是：①采用正確的坡口形狀和尺寸；②選用合理的焊接材料(焊條、焊絲和焊劑等)；③選用正確的焊接工藝參數(shù)(包括焊接材料牌號和直徑、焊接電流、電弧電壓、電源極性、焊縫層數(shù)和道數(shù)等)；④選用正確的工件預(yù)熱溫度、焊縫層間溫度；⑤控制焊接熱輸入；⑥采用交流電源，以避免電弧焊時(shí)的磁偏吹現(xiàn)象等。上述方法及工藝的應(yīng)用，取得了較為滿意的效果。

表9 國外9%Ni鋼典型焊接材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表10 國外9%Ni鋼典型焊接材料力學(xué)性能

表11 9%Ni鋼焊接材料特點(diǎn)

表12 母材9%Ni鋼與焊材熔敷金屬的韌強(qiáng)比

4 結(jié)論

(1)在大型液化天然氣LNG儲罐工程條件下，所使用的焊接材料為“異質(zhì)焊縫”型，接頭的韌強(qiáng)比遠(yuǎn)高于母材金屬，達(dá)到了“等韌性”匹配水平。

(2)該鋼焊接性的主要問題是冷、熱裂紋敏感性，以及焊接接頭低溫韌性下降，同時(shí)也不可忽視焊接中的電弧磁偏吹問題。選用優(yōu)質(zhì)、合適的焊接材料及合理的焊接工藝，是控制和改善該鋼焊接性的重要技術(shù)手段。

(3)所謂異質(zhì)焊縫“等韌性匹配”原則，即科學(xué)、合理控制焊縫化學(xué)成分，以鎳基奧氏體焊縫保證接頭獲得最佳的力學(xué)性能(含低溫韌性)和焊接性。

(4)受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接方法控制，9%Ni鋼焊接材料的種類多達(dá)5種，采用的工藝方法5大類，各具特色。列舉典型焊接材料的綜合性能指標(biāo)優(yōu)勢明顯，完全可以適配9%Ni鋼母材焊接性(含低溫韌性)要求。