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(1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150028；2.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028；3.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

0 前言

液化天然氣(LNG)作為一種清潔、高效的能源，眾多國家都已將LNG列為首選燃料，正以每年12%的速度增長，成為全球增長最激烈的能源行業(yè)。近幾年，全球LNG的生產和貿易日趨活躍，LNG作為新型稀缺清潔資源，正成為世界油氣工業(yè)的新熱點。中國的LNG主要依賴于國外進口，需要大量的低溫儲罐和輸送管網，雖然在2007年已經實現了9%Ni鋼國產化，但還沒有在LNG低溫儲罐中廣泛應用。

大型LNG低溫儲罐用9%Ni鋼焊接技術是LNG低溫儲罐建設的關鍵。國內缺少針對大型LNG低溫儲罐用9%Ni鋼焊接材料和焊接工藝的研究。 到目前為止，國內在LNG液化儲存技術方面剛剛起步，與LNG低溫儲罐用9%Ni鋼配套的焊接材料和焊接工藝的研究也處于起步階段，焊接材料完全依賴于進口。試驗主要是研制大型低溫LNG儲罐9%Ni鋼專用焊接材料，實現大型低溫LNG儲罐焊接材料[1-3]國產化。

1 試驗要求與方法

1.1 技術要求

LNG低溫儲罐的焊接材料技術要求對HNi276焊絲及HNi276/SJ609熔敷金屬的C，S，P，Si元素含量進行了嚴格控制，見表1。對熔敷金屬焊態(tài)力學性能要求嚴格，特別是-196 ℃沖擊性能，見表2。同時,要求研制的焊絲、焊劑適用于交流、直流電源兩用的埋弧平焊和橫焊現場焊接。

1.2 試驗方法

母材為Q345(16Mn)鋼，對接試板用ENiCrMo-4焊條焊3層過渡層，試板厚度為20 mm，焊接方式為交流埋弧平焊[4]。具體焊接工藝參數見表3。

按照ASTM A751-2014《鋼產品化學分析的試驗方法、規(guī)程和術語》進行化學分析。焊縫金屬力學性能分別按照GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》、GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》、GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》要求進行拉伸、沖擊及彎曲試驗。

表1 HNi276焊絲及HNi276/SJ609熔敷金屬化學成分(質量分數，%)

表2 熔敷金屬力學性能

表3 焊接工藝參數

2 焊接材料的研制

2.1 焊絲成分設計

9%Ni鋼焊接材料熔敷金屬力學性能指標一般包括抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和沖擊吸收能量，此外還要考慮焊接材料的低溫韌性、焊縫金屬熔化溫度和熱膨脹系數。分析成分對性能的影響，焊接工藝及參數對性能的影響。同時研究制備技術對焊絲表面質量、焊接工藝性能及力學性能的影響，為樣品成分設計和制備技術提供依據。結合已有的研究數據和產品經驗，設計研究焊絲HNi276的化學成分。設計主要原則：①主成分滿足技術條件；②嚴格控制雜質元素，特別是C，S，P和Si元素的含量。

2.2焊劑的研制

2.2.1焊劑類型定型

埋弧焊焊劑按照制造方法采用燒結型埋弧焊劑。燒結型焊劑可以減少焊劑過渡較多的C元素,從而降低鎳基合金中C元素對熱裂紋影響,且有利于保證焊劑合金過渡的要求。因此, 對新研制的焊劑選為燒結型。

2.2.2焊劑渣系的選擇及調試

焊劑的選用首先要考慮焊接工藝性, 其次要考慮焊劑渣系及其組分對焊縫熔敷金屬力學性能的影響。按焊劑的堿度分為3組, 進行焊接工藝性能調試，第一組堿度<1.5； 第二組堿度為1.5～ 2.0；第二組堿度為2.0～3.0。工藝性能主要考核焊劑的脫渣性能、焊道成形、電弧穩(wěn)定性3個方面。通過焊劑組分的變化及含量的調整, 研究焊劑組分與脫渣性能、焊渣的熔點高低及粘度大小的變化關系，對焊劑的焊接工藝性能進行優(yōu)化, 分別調試了幾十種配方, 優(yōu)化出工藝性能優(yōu)良的1號(B為1.2)、2號(SJ609)(B為1.8) 和3號(B為2.5)燒結焊劑試樣，分別對上述3種焊劑進行熔敷金屬力學性能試驗。焊絲為規(guī)格φ2.4 mm的 HNi276，焊劑粒度為0.28～2.00 mm。焊接工藝規(guī)范為焊接電流350 A、電弧電壓30 V、焊接速度550 mm/min。試驗結果見表4。

表4 熔敷金屬力學性能

由表4可知, 采用2號試樣熔敷金屬有良好抗拉強度和沖擊韌性,而采用1號、3號試樣熔敷金屬的抗拉強度和沖擊韌性較差。

對于鎳基埋弧焊用焊劑，保證具有良好工藝性的同時具備較低的合金燒損能力。鋁酸鹽基屬于中性渣系，具有較低的合金燒損能力，選定新研制的2號(SJ609)焊劑主渣系為Al2O3-SiO2-CaF2。

3 試驗結果與分析

3.1 焊絲、焊劑的工藝性能

通過調整新研制的焊劑 SJ609 主渣系，使熔渣具有合適的粘度和表面張力，改善焊劑交流穩(wěn)弧性，提高焊接材料交流平焊及橫焊的工藝性能。采用新研制的焊絲HNi276/焊劑SJ609交、直流電源兩用的平焊和橫焊，工藝性能優(yōu)良，電弧穩(wěn)定，脫渣容易，焊縫成形較好。圖1為交流埋弧橫焊及橫焊焊道形貌。

3.2 熔敷金屬化學成分及力學性能

熔敷金屬力學性能試驗結果見表4，其中2號試樣-196 ℃沖擊吸收能量平均值達到112 J，符合標準要求。經側彎試驗測試，試樣完好無裂紋，如圖2所示。研制的焊絲HNi276/焊劑SJ609及熔敷金屬化學成分分析結果見表5。

圖1 交流埋弧橫焊及焊道

圖2 側彎試樣

表5 HNi276焊絲及HNi276/SJ609熔敷金屬的化學成分(質量分數，%)

3.3 金相組織

圖3為試樣宏觀形貌，未見裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等缺欠。

圖3 宏觀形貌

圖4a為母材區(qū)組織，為馬氏體回火組織。圖4b為焊縫區(qū)組織，為γ固溶體，呈偏析特征，晶內、晶界均有析出物存在，晶內析出物呈顆粒狀(或小塊狀)，晶界析出物主要呈斷續(xù)棉絮狀；過熱區(qū)金相組織為板條馬氏體(圖4c)，檢驗面上未見裂紋、夾渣、未熔合等缺欠。

3.4 焊接工藝評定

按照NB/T 47014—2011《承壓設備用焊接工藝評定》進行焊接工藝評定[5]，母材為9%Ni鋼，試板厚度為20 mm，其化學成分見表6，采用交流埋弧平焊焊接。具體焊接工藝參數見表3。母材和焊接接頭的力學性能見表7，焊接接頭斷裂于焊縫區(qū)，接頭側彎試樣均完好，無裂紋，如圖5所示。焊縫中心、熔合線以及熱影響區(qū)的-196 ℃沖擊吸收能量均高于60 J。

3.5 國內外焊接材料性能對比

在表3工藝參數條件下，對采用國內外同類HNi276/SJ609焊接材料焊接的弧焊產品進行比較。1#試樣采用進口焊接材料，2#試樣采用新研制的HNi276/SJ609焊接材料，其產品形貌對比，如圖6所示。而兩者熔敷金屬的力學性能見表8。

表6 母材的化學成分(質量分數，%)

表7 母材和焊接接頭的力學性能

圖5 接頭試樣

圖6 國內外弧焊產品的形貌對比

表8 熔敷金屬力學性能

從圖6和表8看出，研制開發(fā)的埋弧焊絲HNi276/焊劑SJ609焊接工藝性、拉伸性能和沖擊性能水平同國外進口產品相當，均能滿足于考核指標要求。

4 結論

(1) 研制出大型低溫LNG儲罐埋弧焊絲HNi276及燒結焊劑SJ609，其熔敷金屬化學成分和各項性能均滿足項目要求。

(2) 研制的鎳基埋弧焊絲HNi276及燒結焊劑SJ609具有良好的焊接工藝性能，熔敷金屬具有較低的S，P含量，-196 ℃沖擊吸收能量平均值達到110 J以上。

(3)研制的鎳基埋弧焊絲HNi276及燒結焊劑SJ609與國外同類產品工藝性能及力學性能水平相當。