陳 成，汪昌紅，包潤新，汪 濤，魏 艷，張 翔，余 超

武漢鐵錨焊接材料股份有限公司，湖北 武漢 430084

0 前言

隨著液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）能源消費占比不斷攀升，LNG儲罐得到了全球各國的重視［1-3］。在LNG 安全生產(chǎn)、運輸和使用等過程中，儲罐材料的性能至關(guān)重要［4-6］。目前，運輸液態(tài)天然氣的LNG 船和儲存液態(tài)天然氣的儲罐主要采用9Ni鋼，由于鎳元素的價格昂貴，使得9Ni鋼的冶煉和使用成本大大提高，使用的焊材價格昂貴。高錳（22.5%～25.5% Mn 含量）低溫鋼與9Ni 鋼具有相同的物理冶金特點，韌-脆轉(zhuǎn)變溫度低于-196 ℃，在-196 ℃下組織穩(wěn)定，完全滿足運輸和儲存液態(tài)天然氣等的要求，有望取代9Ni鋼作為LNG儲罐用鋼極具競爭力的首選材料［7-10］。

焊接在LNG儲罐的制造過程中至關(guān)重要，根據(jù)壓力容器安全事故調(diào)查結(jié)果，90%以上的壓力容器事故是焊接缺陷導(dǎo)致的。因此，選擇合適的焊接材料和制定合理的焊接工藝，從而獲得組織穩(wěn)定的焊縫組織，對LNG儲罐焊接接頭的力學(xué)性能的提高有重要作用。高錳低溫鋼是一種新材料，我國對其匹配的焊接材料、焊接工藝及焊接接頭性能研究和評價尚處于探索階段。鑒于LNG儲罐制造特點，埋弧焊（SAW）可用在平位置和橫位置的拼板焊方面具有較高的效率，也有較為廣泛的應(yīng)用，特別是在橫位置環(huán)焊縫焊接中。而且埋弧焊焊縫質(zhì)量高，熔渣隔絕空氣的保護效果好，焊接參數(shù)可以通過自動調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定，焊縫成分穩(wěn)定，機械性能優(yōu)異。

本文介紹了LNG 儲罐用高錳低溫鋼配套的埋弧焊絲和焊劑的研制過程，開展了埋弧焊工藝研究，分析了道間溫度和熱輸入對熔敷金屬力學(xué)性能的影響，為超低溫及低成本容器鋼工業(yè)應(yīng)用提供了試驗基礎(chǔ)及理論分析。

1 焊材研制思路

1.1 焊絲合金體系的設(shè)計

根據(jù)中國船級社《高錳奧氏體低溫鋼應(yīng)用指南》相關(guān)要求，高錳奧氏體低溫鋼焊接材料的力學(xué)性能須符合以下要求：

（1）用于高錳奧氏體低溫鋼的焊接材料熔敷金屬試驗的力學(xué)性能要求如表1所示。

表1 熔敷金屬力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of the deposited metal

（2）用于高錳奧氏體低溫鋼的焊接材料對接焊試驗的力學(xué)性能要求如表2所示。

表2 對接接頭力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the welded joint

根據(jù)中國船級社《高錳奧氏體低溫鋼應(yīng)用指南》要求，高錳奧氏體低溫鋼化學(xué)成分如表3所示。

表3 高錳低溫鋼主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Main chemical composition of high manganese cryogenic steel （wt.%）

選取了和母材類似的合金體系，研制出高錳低溫鋼配套埋弧焊絲MCJGMn。選用與母材相近的高錳（22.5%～25.5% Mn 含量）合金體系，添加適量的Cr、Ni 和Mo，其中Cr、Mo 的加入，可形成碳化物或氮化物，以提高焊縫強度，Mo還能縮小固液共存區(qū)間，可以有效抑制熱裂紋發(fā)生，添加適量的Ni，可進一步穩(wěn)定奧氏體組織，以提高-196 ℃沖擊功。

1.2 焊劑成分設(shè)計

根據(jù)埋弧焊冶金特點以及焊縫金屬高合金化學(xué)成分含量要求（合金含量≥35%），為確保焊接工藝優(yōu)良和力學(xué)性能滿足指標(biāo)要求，主要考慮選用低S、低P 氟堿性燒結(jié)焊劑、硅鈣型燒結(jié)焊劑以及低錳高硅中氟熔煉焊劑，經(jīng)過系列試驗，擇優(yōu)選取力學(xué)性能和工藝性能最優(yōu)組合。焊劑成分如表4所示。

表4 焊劑主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 4 The main chemical composition of the flux （wt.%）

1.3 熔敷金屬組織成分

熔敷金屬的組織為全奧氏體，主要合金成分體系如下：以Mn、C為主要穩(wěn)定奧氏體化元素，適當(dāng)添加Ni 等合金化元素，以保證-196 ℃仍為全奧氏體組織。盡量控制S、P 等雜質(zhì)元素的含量，以降低熱裂紋敏感性。

2 試驗材料及方法

試驗材料為南京鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的高錳低溫鋼鋼板，主要化學(xué)成分如表5所示。

表5 鋼板主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table.5 Main chemical composition of the steel plate （wt.%）

熔敷金屬試驗鋼板規(guī)格為400 mm×200 mm×20 mm，坡口面單邊角度10°，根部間隙為16 mm 帶鋼襯墊進行。對接接頭試驗鋼板規(guī)格為400 mm×200 mm×20 mm，坡口面單邊角度30°，根部間隙為2 mm 進行。熔敷金屬試驗和對接接頭試驗的坡口如圖1 所示。試驗按照GB/T2650—2008 焊接接頭沖擊試驗方法和GB/T2652—2008 焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法進行。

圖1 坡口示意Fig.1 Schematic diagram of groove

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 工藝性能

良好的焊接工藝性是保證焊縫質(zhì)量和性能的前提。在埋弧焊中，考察焊接工藝性能需要測試的項目有：電弧穩(wěn)定性、脫渣能力、焊縫成形等。選用4.0 mm 規(guī)格MCJGMn 埋弧焊絲搭配表4 中焊劑，采用相同的焊接工藝試驗參數(shù)如表6所示。對上述三組焊接材料進行焊接工藝性能對比試驗。

表6 焊接工藝參數(shù)Table 6 Welding parameters

單層焊焊縫形貌如圖2 所示，在單層焊接試驗中觀察到：MCJGMn/TM.SJGMn-A 在平板焊接時，熔池流動性較好，焊縫成型良好，表面有輕微氧化色，脫渣性良好，表面無粘渣，未發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷。MCJGMn/TM.SJGMn-B 在平板焊接時，熔池流動性較好，焊縫成型良好，表面有輕微氧化色，脫渣性良好，表面無粘渣，但焊縫邊緣有粘渣，未發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷。MCJGMn/TM.HJGMn-C 在平板焊接時，熔池流動性一般，焊縫成型一般，表面有輕微氧化色，脫渣性較差，焊縫表面和邊緣均有粘渣，未發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷。

圖2 焊劑對比試驗單層焊焊縫形貌Fig.2 Surface morphologies of single-layer welding in flux comparsion experiment

坡口內(nèi)焊縫形貌如圖3 所示，在進行坡口內(nèi)焊接試驗中發(fā)現(xiàn)：MCJGMn/TM.SJGMn-A 坡口內(nèi)焊接性能良好，熔池流動性較好，焊縫成型良好，表面無氧化色，脫渣性良好，表面無粘渣，未發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷。MCJGMn/TM.SJGMn-B 坡口內(nèi)焊接性能一般，熔池流動性較好，焊縫成型良好，表面無氧化色，脫渣性一般，表面無粘渣，但焊縫邊緣有粘渣，未發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷。MCJGMn/TM.HJGMn-C 坡口內(nèi)焊接性能一般，熔池流動性一般，焊縫成型一般，表面無氧化色，脫渣性較差，焊縫表面和邊緣均有粘渣，未發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷。對比試驗工藝性能評價如表7所示。

圖3 焊劑對比試驗坡口內(nèi)焊縫形貌Fig.3 Surface morphologies in groove of the flux comparsion experiment

表7 對比試驗焊接工藝性能評價表Table 7 Evaluation form of welding process performance in flux comparsion experiment

綜上所述，埋弧焊絲和焊劑MCJGMn/TM.SJGMn-A在焊接工藝性能方面是最優(yōu)組合。

3.2 力學(xué)性能

對上述三組焊接材料開展熔敷金屬試驗和對接接頭試驗，焊接工藝試驗參數(shù)如表6所示，力學(xué)性能結(jié)果如表8、表9 所示。MCJGMn/TM.SJGMn-A熔敷金屬和對接接頭抗拉強度達(dá)700 MPa 以上，-196 ℃沖擊吸收功在100 J 以上，熔敷金屬具有良好的伸長率，彎曲試驗未出現(xiàn)裂紋。由表8、表9 可知，MCJGMn/TM.SJGMn-A 的綜合力學(xué)性能優(yōu)于MCJGMn/TM.SJGMn-B 和MCJGMn/TM.HJGMn-C。結(jié)合表4可知，TM.SJGMn-B和M.HJGMn-C都含有較多的酸性氧化物，具有較強的氧化能力，焊縫金屬中合金元素的燒損量較大，對焊縫的強度和低溫性能影響較大。

表8 熔敷金屬力學(xué)性能Table 8 Mechanical properties of the deposited metal

表9 對接接頭力學(xué)性能Table 9 Mechanical properties of the welded joint

對于LNG高錳低溫鋼的實際工程使用來說，在保證母材使用性能的前提下，焊縫在超低溫服役條件下的強度和沖擊韌性，是影響LNG儲罐使用安全和服役時長的最大因素。根據(jù)上述試驗結(jié)果，本文研制的LNG 儲罐用高錳低溫鋼配套埋弧焊絲和焊劑MCJGMn/TM.SJGMn-A 是最優(yōu)組合，對其力學(xué)試樣進行了形貌和組織分析。

3.3 力學(xué)試樣形貌和組織分析

MCJGMn/TM.SJGMn-A 熔敷金屬拉伸試樣和對接接頭拉伸試樣宏觀斷裂形貌分別如圖4、圖5所示。對接接頭彎曲試樣的宏觀形貌如圖6所示。當(dāng)彎曲角度達(dá)到180°時，正反彎試樣均沒有裂紋，表現(xiàn)出良好的彎曲性能。

圖4 熔敷金屬拉伸試樣的宏觀斷裂形貌Fig.4 Macro-fracture morphology of the deposited metal

圖5 對接接頭的宏觀斷裂形貌Fig.5 Macro-fracture morphology of the welded joint

圖6 對接接頭彎曲試樣的宏觀斷裂形貌Fig.6 Surface topography of bending specimens of the welded joint

對MCJGMn/TM.SJGMn-A 沖擊斷口組織進行金相分析，如圖7 所示。焊縫的微觀組織主要為奧氏體組織和析出相，在靠近熔合線區(qū)域主要為奧氏體柱狀晶和析出相，且方向性強，其生長方向沿冷卻速度下降最快的方向。熔合線區(qū)域在焊接時處于局部熔融狀態(tài)，組織粗大，成分不均勻，靠近熔合線的粗晶區(qū)組織主要為粗大的奧氏體組織和少量孿晶。

圖7 MCJGMn/TM.SJGMn-A接頭的金相組織：Fig.7 Metallographic structure of the MCJGMn/TM.SJGMn-A welded joint

3.4 道間溫度、熱輸入對熔敷金屬力學(xué)性能的影響

表10 道間溫度和熱輸入試驗工藝參數(shù)Table 10 Process parameters of inter-pass temperature and lineenergy test

熔敷金屬試驗力學(xué)性能如表11所示，力學(xué)性能變化如圖8 所示?？估瓘姸仍诘篱g溫度80 ℃時約為690 MPa，隨著道間溫度提高到100 ℃，抗拉強度有小幅度提高，但當(dāng)?shù)篱g溫度提高到150 ℃時，抗拉強度會有較大幅度的下降，且相同道溫，不同熱輸入時，抗拉強度變化較小，即道溫變化對抗拉強度影響較大。屈服強度在相同道溫，不同熱輸入時變化較大，熱輸入為29.0 kJ/cm時，屈服強度下降幅度較大。沖擊功在道間溫度80 ℃時為85 J以上，隨著道間溫度提高到100 ℃，沖擊功有小幅度提高，但當(dāng)?shù)篱g溫度提高到150 ℃時，沖擊功會大幅度下降。

表11 熔敷金屬力學(xué)性能結(jié)果Table.11 The results of the mechanical properties

從以上分析可知，道溫變化對抗拉強度和沖擊功影響較大，這是因為道間溫度越高，焊縫金屬的t8/5延長，而800～500 ℃是碳化物析出溫度區(qū)間，導(dǎo)致脆性的碳化物析出數(shù)量增加，焊縫金屬抗拉強度和沖擊韌性下降。熱輸入的變化對屈服強度影響較大，在焊接熱輸入較大的情況下，會造成焊縫的冷卻速度較慢，組織過熱，引起初生奧氏體晶粒長大，易產(chǎn)生粗化組織。同時由于高溫時間停留較長，析出粒子長大，釘扎作用減弱，晶粒尺寸較大，導(dǎo)致屈服強度降低。

根據(jù)上述研究結(jié)果和分析，在焊接奧氏體高錳低溫鋼時，須控制道間溫度為100 ℃左右，采用較小的熱輸入，確保焊縫金屬具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

4 結(jié)論

本文研制的LNG 儲罐用高錳低溫鋼配套埋弧焊絲和焊劑MCJGMn/TM.SJGMn-A，通過渣系和合金體系設(shè)計，其焊接工藝性能優(yōu)良，力學(xué)性能穩(wěn)定，具有良好的綜合性能：

（1）焊接工藝性能優(yōu)良，電弧穩(wěn)定，熔池流動性較好，焊縫成型美觀，脫渣性良好，表面無粘渣。

（2）采用C-Mn-Cr-Ni-Mo合金體系設(shè)計，形成的焊縫金屬中Mn 含量為22.5%～25.5%，綜合力學(xué)性能優(yōu)異，特別是-196 ℃低溫沖擊韌性較好。

（3）焊縫金屬組織是奧氏體，在焊接奧氏體高錳低溫鋼時，須控制道間溫度為100 ℃左右，采用較小的熱輸入。

（4）研制的埋弧焊絲和焊劑與南鋼生產(chǎn)的高錳低溫鋼鋼板匹配性良好，并且符合中國船級社《高錳奧氏體低溫鋼應(yīng)用指南》中對焊接材料力學(xué)性能的要求。