9Ni钢焊接材料选用及焊接工艺性研究

摘要：LNG产业发展迅速，目前制造LNG储罐普遍采用9Ni钢材料。文章介绍了9Ni钢储罐的焊接材料研究状况，以及9Ni钢的化学组成成分和力学性能，重点介绍了9Ni钢焊接材料的选用方法和焊接过程中出现的质量缺陷，如热裂纹、冷裂纹、电弧磁偏吹、焊接件变形，并给出了相应的焊接质量控制措施，为9Ni钢储罐的制造企业提供一定的参考依据。

关键词：9Ni钢；焊接材料；焊接工艺性

19Ni钢焊接材料的应用

我国的LNG产业发展迅速，到2017年，中国已是世界第二大LNG进口国，据标准普尔公司分析，到2023年我国的LNG需求量将会大幅增加，达到6800万吨/年，比2017年的需求量翻一番。9Ni钢能广泛应用于制造LNG储罐，得益于其优良的特性，9Ni钢具有强度高、焊接性能好和低温韧性好等特性。相较于镍基合金钢和奥氏体不锈钢，其价格便宜，成本较低。虽然9Ni钢焊接材料在国内有一定的应用，但仍旧主要依赖国外进口。笔者对9Ni钢及焊接材料的选用和焊接性进行分析，对9Ni钢储罐的制造企业或单位在使用上提供一定的参考依据[1-2]。9Ni合金钢的材料化学元素组成和含量决定其力学性能，尤其C元素和镍Ni元素起到了关键性的作用。9Ni钢碳元素含量过高会使钢材的碳当量提高，导致9Ni钢焊接性变差，碳元素含量应控制在低碳范围区间内。若在钢中增加镍元素的含量，可使Ac3点降低，脆性转变温度将向低温方向变化，可提高其低温韧性。若在钢中添加9Ni，温度变化时，冲击韧性值将减小[3-4]。同时，9Ni钢力学性能还与钢的纯净度和微观组织结构有关。钢中的有害的S、P会与Fe、Ni形成的低熔点共晶化合物，从而增加9Ni钢的热裂倾向，导致低温冲击韧性恶化。S、P元素的含量必须控制在较低的范围内。9Ni钢的化学成分和力学性能如表1、表2所示。9Ni钢主要热处理方法：两相区淬火+回火（QLT）、淬火+回火（QT）和双正火+回火（NNT）。经过QLT低温韧性最好，QT次之，NNT最差。造成低温韧性差异的原因在于：1）在相同回火温度下，9Ni钢经过QLT处理比经过QT处理获得的逆转奥氏体数量要多些。例如回火温度在560℃，QLT处理的逆转奥氏体体积为5.60%，而QT处理的逆转奥氏体体积为2.30%，表现为QLT处理的9Ni钢冲击功比QT处理的冲击功大的多。2）逆转奥氏体在9Ni钢中的分布不同。QT热处理的逆转奥氏体析出部位主要集中分布在原奥氏体晶界与马氏体束界上；QLT热处理的逆转奥氏体分布较均匀，不仅在原奥氏体晶界与马氏体束界上分布，而且还在马氏体板条间析出，这种弥散均匀分布有利于低温韧性的提高[5-6]。

29Ni钢焊接材料

在9Ni储罐制造过程中，主要采取的焊接工艺有焊条电弧焊（SMAW）和埋弧自动焊（SAW）。SAW是焊接效率比较高的一种焊接方法，尤其是在环焊缝焊接时，使用了环缝焊接机械系统，它的优点较为突出，几乎适用于焊接所有水平位置焊缝和横焊缝。SMAW虽然没有SAW焊接效率高，但其焊接灵活，适合于结构件全位置焊接，也很受使用者欢迎。焊条电弧焊（SMAW）焊接9Ni钢，采用的焊接材料主要有以下四种。1）w（Ni）=11的铁素体型：材料在室内能较好实施热处理工序，易处理焊后焊缝的质量缺陷问题，对于大型的开放式储罐施工现场却不易或不能实施热处理工序，现在通常不采用这类焊接材料[7-8]。2）w（Ni）=13和w（Cr）=16的奥氏体不锈钢型：材料性能特点是强度高，线膨胀系数没有9Ni钢理想，易出现脆性组织，低温韧性较差。脆性组织为高硬度马氏体带，在扩散氢作用下，材料就会出现裂纹缺陷。3）w（Ni）≈40的Fe-Ni基型（Fe-Ni-Cr系合金）：这类焊材膨胀系数接近于9Ni钢，低温韧性也较好，但强度较低，在一定程度上制约着其的广泛应用。4）w（Ni）=60的镍基型（Ni-Cr-Mo系合金）：这类焊材线膨胀系数也接近于9Ni钢，无需焊接前预热和焊后进行热处理，低温韧性高，抗冷裂性能好，适合大型结构的野外施工，虽然价格高，但应用最为广泛。

39Ni钢焊接性分析

9Ni钢焊接质量是影响LNG储罐生产制造的主要因素之一。9Ni钢其实本身具有较好的焊接性，在实际焊接过程中，通常会遇到冷或热裂纹、低温韧性降低和电弧磁偏吹等缺陷，需要严加控制。3.1焊前不预热且严格控制道间温度。9Ni钢焊接后冷却速度一般受到预热温度和道间温度的影响，冷却速度变慢会容易促使焊缝晶粒的长大，导致焊接接头的力学性能降低，尤其是低温韧性的下降。9Ni钢焊接通常不预热，道间温度控制在100℃之下。3.2热裂纹。焊接过程中，焊缝金属结晶，低熔点的杂质会析出，而其析出的数量和分布情况将直接引起热裂纹的发生。9Ni钢焊接通常选用高镍材料，此类材料与S和P的亲和力较强，容易在晶界上形成低熔点共晶化合物体Ni3S2-Ni和Ni3P-Ni，导致结晶热裂纹的产生。热裂纹类型有折叠中的显微裂纹、高温失塑开裂、液化裂纹和弧坑裂纹。9Ni钢的抗冷裂能力良好，若采用不恰当的焊接工艺，将会有一定的冷裂纹敏感性。要是焊接材料有未去除水份，材料的熔合区可能会出现氢致的冷裂纹。选用焊接材料时，需要考虑低氢、低碳含量，以及选择合适的焊接工艺参数，材料需进行必要的烘干处理，也要合理的控制道间温度和焊接热，这样都可以降低冷裂纹敏感性。3.3电弧磁偏吹。9Ni钢材料特性是磁化倾向较大的，需要控制9Ni钢母材磁的含量与影响，材料剩磁应控制在50Gauss以下。焊接焊缝质量会受到磁偏吹的影响，这是一种电弧离子流造成的，造成焊缝常见缺陷有缝未焊透、未熔合、焊瘤、夹渣和气孔等缺陷。预防电弧磁偏吹通常有四种途径：1）母材进行消磁处理；2）抵消母材的磁场，可将永久磁铁放在坡口两侧；3）选用交流焊接；4）试板坡口打磨采用碳弧气刨容易产生剩磁，坡口应尽量采用砂轮打磨。3.4低温韧性下降。采用的不同焊接材料焊缝金属的低温韧性不相同。采用铁素体型焊接材料时，此材料的成分与9Ni钢相同，焊缝中氧的含量高，焊缝的低温韧性较差。而采用镍基型焊接材料，其线膨胀系数与9Ni钢相近，低温韧性良好，应用较广泛。3.5焊接件变形。9Ni钢导热系数小，热量不容易散失，线膨胀系数大，在20～-196℃线膨胀系数为8.05×10-6/℃，具有较大的线膨胀变形力。应尽量选用9Ni钢线膨胀系数相近的镍基焊接材料，同时采用较小的焊接热输入和较低的道间温度，减小焊接件的变形。

4结束语

通过对9Ni钢化学成分、力学性能和热处理工艺的介绍，有利于9Ni钢在国内的迅速发展，为9Ni钢生产和制造单位提供一定的参考依据。通过对9Ni钢焊接材料及焊接缺陷热裂纹、冷裂纹、电弧磁偏吹、焊接件变形的分析，给出了相应的预防措施，使焊接工作者尽可能在焊接过程中避免出现这种失误，确保9Ni钢储罐的正常施焊。

作者:杨越 郭容 黄藤藤 单位:宜宾职业技术学院