石浩江，李欣雨，李 寧，蔣 勇，顏家振，楊 飛，鄭 義

(1.四川大學 制造科學與工程學院，成都610065；2.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000)

9Ni鋼焊條電弧焊焊接接頭的熱裂紋分析*

石浩江1，李欣雨2，李 寧1，蔣 勇2，顏家振1，楊 飛2，鄭 義1

(1.四川大學 制造科學與工程學院，成都610065；2.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000)

為了找到9Ni鋼焊條電弧焊焊接接頭產生熱裂紋的原因，采用Φ3.2mm規(guī)格ENiCrMo-6電焊條對尺寸為500mm×200mm×10mm的9Ni鋼試樣進行了電弧焊試驗，并通過金相顯微組織分析、直讀光譜分析等方法，分析了焊接接頭的顯微組織與化學成分。分析結果表明，熔敷金屬的結晶形態(tài)為具有強烈方向性的樹枝晶，枝晶偏析嚴重；焊接接頭熔敷金屬沿著晶界產生熱裂紋；熔敷金屬中Pb在晶界的偏析是導致熱裂紋產生的主要因素。最后給出了預防該類焊接熱裂紋的具體措施。

焊接；9Ni鋼；焊條電弧焊；顯微組織；焊接接頭；熱裂紋

近年來，全球大力推行和發(fā)展清潔能源，提倡綠色環(huán)保的發(fā)展道路。液化天然氣(LNG)是一種可靠的清潔能源，被越來越多的國家作為首選。全球液化天然氣的需求量增加迅猛，天然氣的儲罐也得到快速發(fā)展。天然氣需要經過-162℃的低溫液化之后才能夠儲存，用于制造LNG儲罐的材料需要長期在低溫環(huán)境中服役，因此該材料必須具備良好的低溫性能，以保障LNG儲存罐的安全使用。目前常用的LNG儲罐材料為5Ni鋼、9Ni鋼、奧氏體鋼和鋁鎂合金鋼等，其中9Ni鋼因具備高強度、良好的加工性能和焊接性能而受到廣泛的使用[1-2]。

9Ni鋼在焊接過程中會因為冶金作用和熱循環(huán)的共同作用，導致鋼材的組織以及成分產生變化，降低了9Ni鋼的低溫韌性，使得9Ni鋼焊縫產生裂紋的可能性增加[3-5]。焊接裂紋是焊接接頭某些區(qū)域的金屬原子結合受到破壞而形成的縫隙。其缺口尖銳，長寬比大，在服役過程中會繼續(xù)擴展，最嚴重的可能發(fā)生突然斷裂，尤其是脆性材料，所以裂紋是焊接過程中最致命的缺陷。

采用國產ENiCrMo-6型鎳基焊條對9Ni鋼進行手工電弧焊接后，發(fā)現焊接接頭的力學性能不能達標，為了找到原因，從焊接接頭的顯微組織分析入手，通過金相顯微組織分析、直讀光譜分析等方法，對此問題展開了研究，并提出了預防焊接缺陷的措施，對同類焊接材料制定正確的焊接工藝具有一定的指導意義。

1 試驗材料與方法

試驗材料選用武鋼集團公司生產的9Ni鋼板，其化學成分見表1。焊接方法采用手工電弧焊，試樣尺寸為500mm×200mm×10mm，焊材選用Φ3.2mm規(guī)格ENiCrMo-6電焊條，焊接采用V形坡口，鈍邊3mm，間隙3mm。采取直讀光譜對試驗所用焊條進行成分分析，并與標準AWS A5.11—2005進行對比，結果見表2。由表2可見，ENiCrMo-6電焊條符合標準AWS A5.11—2005的要求。為避免電弧磁偏吹，采用交流電源焊接，焊接工藝參數見表3。

表1 9Ni鋼的化學成分 ％

表2 ENiCrMo-6焊條的化學成分

表3 手工電弧焊焊接工藝參數

焊接完成后，在焊接接頭處取樣制作成金相試樣。試樣經過研磨拋光后，用配置的腐蝕液對試樣進行腐蝕。使用OLYMPUS GX51金相顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織，采用配有能譜儀(EDS)的HITACHI S-4800掃描電鏡對焊接接頭的顯微組織和成分進行觀察和分析，采用直讀光譜儀測定熔敷金屬的化學成分。

2 試驗結果與分析

2.1 焊接接頭顯微組織

金相顯微鏡下，同一焊接接頭熔敷金屬不同位置的顯微組織照片如圖1和圖2所示。從圖1并未發(fā)現明顯的裂紋和缺陷，金屬組織主要為奧氏體固溶體基體。熔敷金屬的結晶形態(tài)為具有強烈方向性的樹枝晶，形成樹枝晶的原因是焊接熔池在凝固時，隨著熔池金屬從邊緣向中心凝固，溫度梯度逐漸減小，液相溫度與固相溫度之間的范圍變大，形成的成分過冷區(qū)增大，出現樹枝晶的形態(tài)。樹枝晶枝干為圖中的白色條紋，枝干間分布著殘留金屬，樹枝晶比較細小，枝晶寬度約5～8μm；但在結晶過程中發(fā)生了比較嚴重的枝晶偏析。枝晶間形成了較多的黑色顆粒物，是在凝固冷卻過程中由于偏析而產生的殘留金屬。從圖2能夠觀察到明顯的裂紋，此裂紋小且比較曲折，而且沿著晶界產生，具有明顯的熱裂紋特征，金屬中出現的熱裂紋將會大大降低焊接接頭的性能。

圖1 焊接接頭熔敷金屬的金相照片

圖2 焊接接頭熔敷金屬的高倍金相照片

2.2 熔敷金屬成分分析及熱裂紋成因探討

產生熱裂紋的原因是焊接熔池中存在低熔點雜質(如P、S等元素)，由于這些雜質熔點低，結晶凝固最晚，凝固后的塑性和強度又極低，在外界結構拘束應力和焊縫金屬的凝固收縮作用下，熔池中這些低熔點雜質在凝固過程中被拉開，或在凝固后不久被拉開，造成晶間開裂[6]。

為了分析熔敷金屬產生熱裂紋的原因，使用直讀光譜儀對裂紋周圍的熔敷金屬的化學成分進行檢驗，結果見表4。P、S易與Ni形成低熔點共晶，在結晶期極易形成液態(tài)薄膜，對裂紋很敏感[7]。但從成分分析結果可知，P、S的含量非常低，能夠有效控制S、P元素與Ni形成低熔點相，從而避免因P、S而引起的熱裂紋。值得注意的是，熔敷金屬成分中發(fā)現了較多的Pb(w(Pb)=0.107％)，大于焊條中的Pb含量(w(Pb)=0.02％)，說明焊條向焊縫熔入了Pb元素，并且在裂紋附近產生聚集。從Ni-Pb的二元相圖可知，隨著溫度的降低，Pb幾乎是以單質的形態(tài)從Ni中析出，在晶界上富集，導致Pb發(fā)生偏析，增加臨界溫度間隔的寬度，使得裂紋更容易在固-液共存兩相階段萌生。因為該階段焊縫以凝固的固相晶體為主，枝晶相互觸碰，局部聯生，形成封閉的液膜，使少量低熔點合金的自由流動受到限制。此時當凝固收縮引起晶間液膜拉開，無法進行彌補，產生熱裂紋[8]。低熔點合金元素Pb形成的低熔點相是造成熱裂紋的原因。此外，在進行手工電弧焊時有兩個明顯的特征，即集中性和瞬時性，很難保證加熱和冷卻的平衡，會造成局部區(qū)域共晶成分偏高，且在不同層間產生焊接熱應力，從而促使熱裂紋的形成。

表4 熔敷金屬化學成分 ％

2.3 防止熱裂紋成因探討

焊接裂紋不僅直接降低了焊接接頭的有效承載面積，而且會在裂紋處發(fā)生嚴重的應力集中，裂紋尖端的局部應力遠高于焊接接頭的平均應力，嚴重降低疲勞強度，極易誘發(fā)脆性斷裂[9-10]。一般來說，結晶熱裂紋產生于焊縫，若是采取多層多道焊，也有可能在層間產生液化裂紋，而表面堆焊和熔深較淺的焊縫抗裂性較好。焊接裂紋不僅破壞整體性能，通常還會加速產品腐蝕進程，縮短服役壽命，造成重大的經濟損失和環(huán)境污染。所以在焊接過程中要采取一切必要的措施防止出現裂紋。試驗中出現熱裂紋的主要原因是低熔點Pb的存在，Pb可能是施焊過程中帶入的雜質，也可能是焊條生產過程中帶入的雜質。

為控制熱裂紋的產生，應采取的措施主要有：①嚴格控制所用焊條中的化學成分，除了確保P、S含量符合要求外，還要避免摻雜如Pb等低熔點相元素；②確保施焊前清潔焊接坡口，確保表面干燥無雜物；③嚴格控制焊接工藝參數，減慢冷卻速度，適當提高焊縫成形系數；④優(yōu)化工藝規(guī)程，選取合理的焊接程序，以減小焊接應力。

3 結 論

(1)9Ni鋼焊縫組織由奧氏體基體組成，結晶形態(tài)為具有強烈方向性的樹枝晶，枝晶細小，但偏析嚴重。

(2)熔敷金屬沿晶界形成了熱裂紋，熔敷金屬中含有較多的低熔點元素Pb，Pb的偏析形成的低熔點相，是造成熱裂紋的原因。

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Analysis of 9Ni Steel Electrode Arc Welding Welded Joint Hot Cracks

SHI Haojiang1,LI Xinyu2,LI Ning1,JIANG Yong2,YAN Jiazhen1,YANG Fei2,ZHENG Yi1
(1.School of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.Atlantic China Welding Consumables,INC.,Zigong 643000,Sichuan,China)

In order to find the hot crack reason of 9Ni steel electrode arc welding welded joint,it adoptedΦ3.2mm ENiCrMo-6 electrode to carry out electric-arc welding test on 500mm×200mm×10mm 9Ni steel sample,through metallographic microstructure analysis,direct reading spectrometry method and other methods,the microstructure and chemical composition of welded joint were analyzed.The analysis results indicated that the crystal morphology of deposited metal was dendrite with strong directivity,and dendritic segregation was serious;the hot cracks generated along the deposited metal boundary;the segregation of Pbin boundaryin deposited metal was the main factor caused hot crack.Finally it put forward the concrete measures to prevent this kind of welding hot cracks.

welding;9Ni steel;electrode arc welding;microstructure;welded joint;hot crack

TG406

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.007

四川省科技支撐計劃“大型LNG儲罐用焊接材料關鍵技術及產業(yè)化研究”(項目編號2015KJT0072-2015GZ0062)。

石浩江(1994—)，男，碩士研究生，就讀于四川大學制造學院，有色金屬冶金專業(yè)，研究方向為真空釬焊技術。

李 寧(1957—)，男，四川大學教授、博士生導師，主要研究領域為生物醫(yī)用材料及臨床應用、金屬功能材料、特種焊接材料及方法。

2016-09-17

謝淑霞