王慶江 ，胡鵬亮 ，鄭慶銘 ，劉滿雨 ，陳 波 ，徐 鍇 ，武鵬博

1.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150006

2.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

9%Ni鋼在極低溫度下具有優(yōu)良的韌性和高強(qiáng)度，與奧氏體不銹鋼和鋁合金相比具有熱脹系數(shù)低、經(jīng)濟(jì)性好、使用溫度最低可達(dá)-196 ℃等優(yōu)勢(shì)，且9%Ni鋼不進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理亦可安全使用，是制造大型LNG儲(chǔ)罐的主要材料之一，但其材料及配套焊材長(zhǎng)期依賴進(jìn)口［1-3］。9%Ni鋼在2007年成功國(guó)產(chǎn)化后，適用于LNG領(lǐng)域的鎳基合金ENi‐CrMo-6焊條國(guó)產(chǎn)化就成為亟待解決的問題。

由于9%Ni鋼自身特點(diǎn)，在LNG儲(chǔ)罐施工中通常要求ENiCrMo-6焊條適合交流焊接和全位置焊接，達(dá)到抗磁偏吹性好、無紅尾現(xiàn)象、脫渣性好、成形美觀、氣孔敏感性低等效果。同時(shí)要求焊條熔敷金屬的-196 ℃低溫沖擊吸收能量不小于60 J，強(qiáng)度大于690 MPa，斷后伸長(zhǎng)率不小于35%，對(duì)焊條的綜合力學(xué)性能要求高［4］，同時(shí)結(jié)合工程應(yīng)用中出現(xiàn)的氣孔、工藝性等問題，對(duì)ENiCrMo-6焊條的研制提出了更苛刻的要求。

目前國(guó)外9%Ni鋼配套焊材研發(fā)應(yīng)用多年，LNG工程用焊材主要為伊薩、伯樂和林肯等品牌。國(guó)內(nèi)也有對(duì)ENiCrMo-6同類別焊條的研究報(bào)道，但僅限于前期研究，尚無成熟產(chǎn)品在市場(chǎng)上大規(guī)模銷售，缺乏大型工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該焊條的研究和應(yīng)用仍需進(jìn)行大量工作。本文研制了一種鎳基合金ENiCrMo-6焊條能實(shí)現(xiàn)交流和全位置焊接，具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性和抗熱裂紋性能，工藝性水平與進(jìn)口焊條相當(dāng)，以期替代進(jìn)口同類別產(chǎn)品，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

1 配方設(shè)計(jì)

鎳基合金焊條研制的難點(diǎn)是熔敷金屬存在熱裂紋和氣孔等問題。鎳基合金焊條熔敷金屬中S、P、Si、Al、As等元素可以和Ni形成低熔點(diǎn)共晶化合物，這種低熔點(diǎn)液膜分布于晶界，是引發(fā)焊縫結(jié)晶裂紋的主要因素。同時(shí)，熔敷金屬由于固液相溫度差距小，流動(dòng)鋪展性能較差，在焊后快速冷卻凝固的條件下，極易產(chǎn)生氣孔［5-7］。

除上述熱裂紋和氣孔問題外，還需要實(shí)現(xiàn)交直流焊接和全位置焊接。影響鎳基合金焊條全位置焊接適應(yīng)性的主要因素有熔渣物化性能、電弧吹力、熔渣黏度和表面張力等。需要通過調(diào)整焊條藥皮中碳酸鹽、氟化物和氧化物等的含量，使熔渣具有合適的黏度和表面張力，從而實(shí)現(xiàn)全位置焊接［8］。

為改善上述問題，選用純鎳焊芯和CaCO2-CaF2-TiO2型堿性低氫型渣系作為焊條藥皮主要礦物粉體系，該類別的渣系特點(diǎn)為抗磁偏吹效果好，可以解決9%Ni鋼焊接時(shí)易偏吹等問題，同時(shí)焊縫金屬純凈度高、雜質(zhì)元素和氣體元素含量低、抗裂性優(yōu)良，但渣殼略硬。

2 焊接工藝研究

2.1 焊接工藝性

研制ENiCrMo-6型焊條時(shí)發(fā)現(xiàn)，其焊道表面存在粘渣、脫渣性差等問題，基于此對(duì)熔敷金屬表面與熔渣的結(jié)合區(qū)域進(jìn)行取樣和分析。圖1a、1b分別為沾渣試樣在Olympus GX53光學(xué)顯微鏡下和FEI Quanta 200掃描電鏡下的組織形貌，圖1c、表1分別為結(jié)合區(qū)域的掃面電鏡能譜圖和成分比例表。分析發(fā)現(xiàn)，沾渣的主要原因是液態(tài)熔渣和金屬界面形成富鉻型氧化物的尖晶石結(jié)構(gòu)，這種尖晶石結(jié)構(gòu)在凝固時(shí)與金屬界面維持共格或半共格的結(jié)合狀態(tài)，造成沾渣。通過調(diào)整焊條藥皮配方礦物粉、脫氧劑和金屬粉的比例，增加脫氧效果，可以有效控制液態(tài)熔渣和金屬在凝固過程中的氧化和還原效果，避免合金成分被氧化，降低富鉻型氧化物的尖晶石形成幾率，進(jìn)而解決沾渣問題。

表1 紅色方框位置能譜百分比Table 1 Percentage ofenergy spectrum

圖1 沾渣區(qū)域形貌及能譜圖Fig.1 Morphology and energy spectrum of slag stained area

2.2 焊接工藝窗口

對(duì)研制的ENiCrMo-6焊條進(jìn)行工藝性試驗(yàn)。母材為9%Ni鋼，綜合考量焊條的飛濺率、脫渣性、外觀成形、截面成形、電弧穩(wěn)定性、藥皮熔化效果等，得到ENiCrMo-6焊條的工藝窗口如圖2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，焊條適合的操作范圍比較寬泛，可以滿足工程應(yīng)用要求。

圖2 ENiCrMo-6焊條（3.2 mm）工藝窗口區(qū)Fig.2 Process window of electrode of ENiCrMo-6（3.2 mm）

2.3 焊接工藝性對(duì)比

將研制的ENiCrMo-6焊條與同類別進(jìn)口焊條在平焊、橫焊、立焊和仰焊位置進(jìn)行工藝試驗(yàn)，得到的焊縫形貌見圖3、圖4。結(jié)果表明，研制的ENi‐CrMo-6焊條的交流電弧穩(wěn)定、吹力大、抗磁偏吹能力好，飛濺小，脫渣容易，綜合操作性優(yōu)良，適合全位置焊接，工藝性水平與進(jìn)口同類別焊條相當(dāng)，滿足LNG裝置對(duì)施工操作性的要求。

圖3 ENiCrMo-6焊條工藝性照片F(xiàn)ig.3 Welding process pictures of ENiCrMo-6 electrode

圖4 進(jìn)口同類焊條工藝性照片F(xiàn)ig.4 Welding process pictures of similar imported electrodes

3 焊縫金屬組織與性能研究

3.1 熔敷金屬力學(xué)性能

熔敷金屬制備方法按照GB/T 13814—2008《鎳和鎳合金焊條》進(jìn)行，試板材質(zhì)Q235，厚度20 mm，單邊坡口角度10°，在試板兩側(cè)采用ENiCrMo-6焊條打上隔離層，隔離層厚度為3 mm，焊接工藝參數(shù)選用工藝窗口中的典型參數(shù)，其中平焊參數(shù)：焊接電流110 A，焊接電壓20～28 V，焊接速度大于等于140 mm/min，層溫控制小于等于150 ℃；立焊參數(shù)：焊接電流100～105 A，焊接電壓20～28 V，焊接速度大于等于65 mm/min，層溫控制小于等于150 ℃；仰焊參數(shù)：焊接電流90～100 A，焊接電壓20～28 V，焊接速度大于等于75 mm/min，層溫控制小于等于150 ℃。

熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示，彎曲試樣未見明顯裂紋，如圖5所示。室溫下熔敷金屬抗拉強(qiáng)度較高（平焊714 MPa，立焊705 MPa，仰焊720 MPa），超過要求值（690 MPa），斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到42%（平焊）、40%（立焊）、39%（仰焊），高于要求值（35%）。-196 ℃低溫下，熔敷金屬的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均高于室溫條件，主要原因?yàn)槭堑蜏叵禄葡甸_拔需要更多能量，導(dǎo)致強(qiáng)度更高［9］。-196 ℃沖擊吸收能量較高、余量較大，滿足工程應(yīng)用條件。

表2 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Chemical composition of deposited metal（wt.%）

表3 熔敷金屬力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of deposited metal

圖5 彎曲試樣Fig.5 Bend specimen

熔敷金屬拉伸試樣在掃描電鏡下的斷口宏觀和微觀形貌如圖6所示，發(fā)現(xiàn)斷口形貌以典型的韌窩狀為主，未見明顯的熱裂紋開裂特征。

圖6 拉伸試樣斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of tensile specimen

3.2 熔敷金屬顯微組織

焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)決定了焊縫的力學(xué)性能。鎳基合金由于成分復(fù)雜，其焊縫金屬的組織形態(tài)和分布區(qū)別也較大，但總體上是一種類型。如圖7所示，ENiCrMo-6焊條熔敷金屬微觀組織為γ固溶體+枝晶間析出物，焊縫原始的柱狀晶晶界清晰。

圖7 熔敷金屬顯微組織Fig.7 Microstructure of deposited metal

3.3 焊接接頭性能

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用9%Ni鋼，試板厚度為45 mm，焊條選用研制的ENiCrMo-6（3.2 mm），焊接工藝參數(shù)選用工藝窗口中的典型參數(shù)（見表4）。試板焊接完成后分別對(duì)接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)（按照GB/T 2561—2008進(jìn)行）、沖擊試驗(yàn)（按照GB/T2650—2008進(jìn)行）、彎曲試驗(yàn)（按照GB/T2653—2008進(jìn)行）和硬度試驗(yàn)（按照GB/2654—2008進(jìn)行）。拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表5，接頭拉伸試樣見圖8，彎曲試樣見圖9，其中3個(gè)試樣完好，符合標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，1個(gè)試樣（圖9右1）開口1 mm，是由焊道邊緣的小尺寸夾渣引起，接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

表4 焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding parameters

圖8 接頭拉伸試樣Fig.8 Tensile specimens of welded joint

圖9 接頭彎曲試樣Fig.9 Bending specimen of welded joint

圖10 焊接接頭硬度分布Fig.10 Hardness distribution of welded joint

表5 焊接接頭力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of welded joints

由表5可知，焊接接頭的室溫抗拉強(qiáng)度較高，超過要求值（690 MPa），焊接接頭-196 ℃低溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均顯著高于室溫條件，是因?yàn)榈蜏叵禄葡档拈_動(dòng)需要更高的能量。-196 ℃沖擊吸收能量值穩(wěn)定且均大于要求值（60 J），試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，適合焊接9%Ni鋼。由圖10可知，焊縫（WM）硬度值低于熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM），是因?yàn)楹缚p區(qū)域組織為γ固溶體，硬度較熱影響區(qū)和母材的馬氏體組織要低。拉伸斷裂位置在焊縫區(qū)域也說明焊縫區(qū)域強(qiáng)度低于母材和熱影響區(qū)。

4 結(jié)論

（1）研制的ENiCrMo-6焊條選用CaCO2-CaF2-TiO2型渣系作為基礎(chǔ)渣系，焊條氣孔敏感性低，工藝性優(yōu)良，焊接工藝窗口寬泛，適合大規(guī)范和全位置焊接，解決了工程應(yīng)用中的主要問題，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

（2）研制的ENiCrMo-6焊條適合交流焊接，其焊縫金屬的強(qiáng)度高，低溫韌性裕量大，焊接接頭的綜合力學(xué)性能優(yōu)良，適合焊接9%Ni鋼，可應(yīng)用于LNG裝備的制造，解決國(guó)內(nèi)9%Ni鋼制LNG工程焊材長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的問題。