卜華全，趙 偉，臧曉飛，劉海定，任明皓，連軼博

(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司,合肥 230031;2.中設(shè)集團(tuán)裝備制造有限責(zé)任公司，北京 100055;3.中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055;4.重慶材料研究院有限公司,重慶 400700)

0 引言

我國焊材年消耗量達(dá)到數(shù)百萬噸，多年來一直處于世界第一的位置，且我國焊接材料的出口量約為進(jìn)口量的10倍，但焊材的平均進(jìn)口價(jià)格卻長期是出口價(jià)格的4～5倍[1]。說明高端焊材依賴進(jìn)口的局面依然沒有打開。近年來，壓力容器正朝著大容量、高參數(shù)、高要求方向發(fā)展，對焊材工藝質(zhì)量的要求越來越高，高端焊材的需求呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢。盡管與發(fā)達(dá)國家相比，國產(chǎn)高端焊材還存在較大差距，但是相關(guān)國產(chǎn)化工作一直沒有停止過，尤其在鎳基合金領(lǐng)域方面的研究不斷增加[2-7]，國產(chǎn)焊材制造的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量也得到了不斷提高。

鎳基材料因其具有高溫變形抗力大、溫度窗口窄、熱塑性差等特點(diǎn)，冶煉和軋制的難度非常高，國內(nèi)僅有少數(shù)企業(yè)能試制開發(fā)數(shù)十公斤盤重的焊材用盤條，其質(zhì)量穩(wěn)定性與進(jìn)口產(chǎn)品存在差距，特別是在微、痕量元素綜合控制水平、制造工藝質(zhì)量穩(wěn)定性、外觀質(zhì)量，甚至焊接工藝水平、服役數(shù)據(jù)積累等方面均有待提高，在應(yīng)用領(lǐng)域及層次上受到較大限制，部分核電、火電和化工裝備等制造領(lǐng)域用高端鎳基合金焊接材料仍需進(jìn)口[8-9]。本文針對研制的ERNiCrMo-3焊絲，以大型LNG儲罐用9%Ni鋼的焊接為對象，開展熱裂紋試驗(yàn)和焊接工藝試驗(yàn)，考察國產(chǎn)鎳基焊絲的工程應(yīng)用性能。

1 試驗(yàn)用材料

本次研制的焊絲的化學(xué)成分見表1。作為對比，進(jìn)口焊絲采用國外某公司的625焊絲，其化學(xué)成分見表1。表1中還列出了鎳基焊材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ASME SFA 5.14中的要求值。

表1 研制焊絲與進(jìn)口焊絲的化學(xué)成分

焊接試板材料為9%Ni鋼板，厚度12 mm，其規(guī)定和實(shí)測化學(xué)成分如表2所示。

表2 試驗(yàn)用鋼板的化學(xué)成分

2 試驗(yàn)方法

2.1 熱裂紋試驗(yàn)

熱裂紋敏感性是衡量鎳基焊材的一項(xiàng)重要指標(biāo)，常用的評價(jià)材料熱裂紋敏感性的試驗(yàn)方法有壓板對接試驗(yàn)(FISCO試驗(yàn))、應(yīng)變-開裂試驗(yàn)(STF試驗(yàn))、可調(diào)拘束試驗(yàn)、重熔試驗(yàn)、縱向切片試驗(yàn)和大厚度裂紋試驗(yàn)等[10-11]。為分析研制焊材的熱裂紋敏感性，本文采用研制的FISCO熱裂紋試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了研制焊材與常用國外焊材的熱裂紋敏感性對比試驗(yàn)。

FISCO裂紋試驗(yàn)方法是由瑞士SCHNADT提出的[12]，該方法適用于焊接金屬的熱裂紋敏感性測試，其優(yōu)點(diǎn)是試板加工容易，材料消耗量不多，且適合于全焊接位置作試驗(yàn)等。采用的試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)中采用2塊200 mm×120 mm的9%Ni鋼板作為試板，坡口形狀為Y形，如圖2所示。

圖1 FISCO試驗(yàn)裝置

圖2 FISCO試件加工圖(2塊對接)

試驗(yàn)參照GB/T 4675.4—84《焊接性試驗(yàn) 壓板對接(FISCO)焊接裂紋試驗(yàn)方法》和日本標(biāo)準(zhǔn)JIS Z3155進(jìn)行，試驗(yàn)程序如下。

(1)將試件安裝在圖3所示的FISCO試驗(yàn)裝置中,在試件坡口的兩端按試驗(yàn)要求裝入相應(yīng)尺寸的塞片，以保證坡口間隙(坡口的間隙為2 mm)。

(2)將水平方向的螺栓緊固,從兩側(cè)頂住試件(圖3中的P2)；用力矩板手，以1 200 kgf·cm的扭矩緊固好垂直方向的14個(gè)螺栓(圖3中的P1)。

圖3 試板安裝示意

(3)按圖4所示，順次焊接4條長約40 mm的試驗(yàn)焊縫(單道焊)，焊縫間距約10 mm。焊接工藝如下：采用GTAW焊接方法，焊絲直徑為3.2 mm，不預(yù)熱，焊接電流140 A，電弧電壓13 V，焊接速度90 mm/min，焊接熱輸入12.1 kJ/cm。焊接試驗(yàn)焊道時(shí)要求不填滿弧坑。

圖4 試驗(yàn)焊縫的焊接

(4)焊接結(jié)束10 min后將試件從夾具中取出。

(5)試件冷卻后，將試件沿焊縫方向彎斷，觀察斷面并測量裂紋長度，按下式計(jì)算裂紋率：

Fa(%)=裂紋總長/焊縫總長×100%

2.2 研制焊絲的焊接工藝試驗(yàn)

為檢驗(yàn)該焊絲的工程應(yīng)用性能，選擇大型LNG儲罐建造工程中9%Ni鋼焊接作為應(yīng)用對象，評價(jià)該焊絲的焊接工藝性能。采用9%Ni鋼制作的試板尺寸為12 mm×250 mm×400 mm，坡口型式為單V形，見圖5。

圖5 焊接工藝試板坡口型式

所用焊絲為本次研制的ERNiCrMo-3焊絲，直徑?3.2 mm。試板采用GTAW焊接，不預(yù)熱，層間溫度<100 ℃,焊接電流為130～150 A,電弧電壓12 V，焊接速度8～10 cm/min，氣體流量8～10 L/min。焊接完成后的試板見圖6，共6層，后3層焊縫每層2道，共9道焊縫。按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》的要求對試板進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能試驗(yàn)。

圖6 焊接完成后的試板照片

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 熱裂紋試驗(yàn)

鎳基焊材在焊接過程中存在流動性差、易產(chǎn)生熱裂紋的問題。由于熱裂紋尺寸較小，很難被常規(guī)的檢測方法發(fā)現(xiàn)，所以潛在危害很大，所以在鎳基焊材應(yīng)用中對熱裂紋敏感性的考察十分重要。圖7為本次FISCO試驗(yàn)焊接完成后的試板照片，分別為研制焊材FISCO試板和對比的進(jìn)口焊材FISCO試板。

(a)研制焊絲

圖8為研制焊絲與進(jìn)口焊絲試板彎斷后各試驗(yàn)焊道的照片。可以看出，除弧坑外，研制焊絲和進(jìn)口焊絲的試驗(yàn)焊道上均未出現(xiàn)熱裂紋，說明研制的國產(chǎn)焊絲與進(jìn)口焊絲均具有較高的抗熱裂紋能力。

(a)研制焊絲

為保證焊道的連續(xù)性，在FISCO試驗(yàn)中要求弧坑不填滿，這樣在弧坑上很容易產(chǎn)生弧坑裂紋，從圖9的收弧焊道照片可以看出，研制焊絲和進(jìn)口焊絲的弧坑均存在弧坑裂紋，說明鎳基焊絲如果不進(jìn)行嚴(yán)格的收弧操作，弧坑裂紋難以避免。有研究表明[13]，F(xiàn)ISCO試驗(yàn)中，多數(shù)弧坑裂紋只有焊道下部的一小部分面積是在1 000 ℃以上形成的龜裂，說明由于低熔點(diǎn)雜質(zhì)導(dǎo)致的熱裂紋只是很小的一部分，裂紋的大部分?jǐn)嗝媸窃?00～700 ℃范圍內(nèi)由于缺口效應(yīng)造成的裂紋擴(kuò)展形成的。熱裂紋一般定義為在固相線附近形成的裂紋[14]，所以FISCO試驗(yàn)在計(jì)算裂紋率時(shí)是否考慮弧坑裂紋存在爭議[12]?；】恿鸭y在FISCO試驗(yàn)中受到弧坑形狀和收弧操作的影響很大，實(shí)際產(chǎn)品焊接中只要進(jìn)行合理的收弧操作，填滿弧坑，弧坑裂紋一般是可以避免的[15]。

(a)研制焊絲

焊接熱裂紋是焊縫金屬在凝固過程中，結(jié)晶偏析生成雜質(zhì)低熔點(diǎn)共晶物富集于晶界，形成“液態(tài)薄膜”，由于焊縫凝固收縮受到拉應(yīng)力，最終開裂形成裂紋。焊縫金屬凝固裂紋產(chǎn)生的原因是由于柱狀晶晶界偏聚了富硫的低熔點(diǎn)液膜造成的，對于Fe-S-Ni三元合金來說,Ni能促使硫的偏聚,隨著合金中Ni含量的增高,偏聚在柱狀晶界的膜狀硫化物增多,固液相間界面能減小,晶界和亞晶界更易潤濕,晶界處低熔點(diǎn)共晶相更易形成；另外,S,P同時(shí)存在于鎳基材料中時(shí),可與其結(jié)合形成Ni-S-P三元相,使固相線溫度和液相線溫度下降更多,平衡分配系數(shù)也比Ni-S,Ni-P二元相更小,偏析程度加劇,對結(jié)晶裂紋的不利影響更加嚴(yán)重[16]。本次研制的焊絲在雜質(zhì)元素控制上采取了超純凈冶煉技術(shù)，在進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉時(shí)，使用高純凈單質(zhì)金屬為原料，在合金化最佳時(shí)機(jī)分時(shí)添加大小料，并采用特殊精煉工藝，結(jié)合高真空、特殊保護(hù)氣氛，以達(dá)到高溫去雜、低溫脫氣，提高純凈度的目的，從而獲得成分穩(wěn)定、低S,P含量的合金鋼錠，確保了焊絲的純凈度，從而保證了研制的鎳基焊絲具有很高的抗熱裂紋能力。

3.2 焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果

對采用研制焊絲制作的焊接試板進(jìn)行了熔敷金屬的化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3。按照NB/T 47014—2011的規(guī)定進(jìn)行了焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示?？梢姾附咏宇^抗拉強(qiáng)度、沖擊吸收能量和彎曲試驗(yàn)結(jié)果均滿足大型LNG儲罐技術(shù)條件的要求。焊接接頭硬度試驗(yàn)表明，焊縫近上表層硬度(HV10)為：225，212，210，近下表層硬度(HV10)為：266，245，265，滿足大型LNG儲罐技術(shù)條件要求(≤360HV10)。與文獻(xiàn)[15]中的進(jìn)口焊材的焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果對比，可以看出，研制焊絲焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊韌性與進(jìn)口焊絲基本相同，可以取代進(jìn)口焊絲完成9%Ni鋼的焊接。

表3 焊縫熔敷金屬化學(xué)成分

表4 焊接工藝試板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 焊接接頭微觀組織分析

為保證焊接接頭的低溫沖擊韌性，9%Ni鋼一般不能采用同質(zhì)焊材或不銹鋼焊材進(jìn)行施焊，只有采用鎳基焊材才能確保焊縫為純奧氏體組織。本次焊接試板焊接接頭的宏觀照片如圖10所示。焊接接頭的金相組織見圖11，可以看出，焊縫為純奧氏體柱狀晶組織。

圖10 焊接工藝評定試板焊接接頭的宏觀照片

圖11 焊接接頭的金相組織

鎳基合金焊縫金屬中第二相析出物的存在對焊接接頭低溫韌性影響很大，焊縫金屬中存在較多的雜質(zhì)顆粒物是造成焊縫金屬塑韌性惡化的主要原因。本次研制焊絲焊接試板的焊縫組織與進(jìn)口焊絲(FISCO試板試驗(yàn)焊縫)對比如圖12所示，可以看出，兩種焊縫組織均為純奧氏體柱狀晶組織。對研制焊絲所焊接的焊縫進(jìn)行掃描電鏡觀察，其照片如圖13，14所示?？梢钥闯?，在奧氏體柱狀晶基體上分布著一些析出相，主要為Cr，Ni，Nb的化合物，焊縫中合金元素的析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化作用提高了焊縫強(qiáng)度，并提高奧氏體的穩(wěn)定性，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，保持了焊縫的低溫韌性。

(a)研制焊絲

圖13 研制焊絲焊縫組織掃描電鏡照片

9%Ni鋼焊接主要需保證焊接接頭的低溫沖擊性能，研制的鎳基焊絲中適量添加Al,Ti,Nb 等元素可提高焊縫金屬的沖擊吸收能[17]。在嚴(yán)格控制S，P元素含量的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加入少量Mo,Nb或Ta等元素，可用于耐蝕合金焊接以及異種鋼的焊接[18]。本次研制的焊絲采用成分優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制、高純凈冶煉、先進(jìn)熱冷加工成型、組織調(diào)控、性能評價(jià)等系列關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)的高純凈、高均勻性和高表面質(zhì)量的特殊合金焊材，能適應(yīng)多種設(shè)備的現(xiàn)場焊接要求。

4 結(jié)論

(1)熱裂紋是鎳基合金焊材存在的主要問題，采用FISCO試驗(yàn)可以用于評價(jià)鎳基焊材的熱裂紋敏感性。

(2)FISCO熱裂紋敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明，研制焊絲的熱裂紋敏感性很低，與進(jìn)口焊絲相當(dāng)，能滿足工程應(yīng)用的要求。

(3)采用9%Ni鋼作為母材的焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的鎳基焊絲焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足大型LNG儲罐的設(shè)計(jì)要求。

(4)采用研制焊絲焊接的焊縫組織為純奧氏體及少量的析出相組成，是滿足9%Ni鋼低溫沖擊韌性的重要條件。