焊接方法對9Ni鋼焊縫金屬低溫韌性的影響

 浙江至德鋼業(yè)有限公司用手工電弧焊、埋弧焊兩種焊接方法分別對9Ni鋼板進行對接焊，通過沖擊試驗對焊縫金屬的低溫沖擊韌性進行了研究，利用金相顯的影響微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、EBSD等科研儀器分析和對比了兩種焊接方法對焊縫金屬的組織、晶粒尺寸及晶界角度特征。試驗結果表明：采用手工電弧焊、埋弧焊施焊的焊縫金屬在-196℃的平均沖擊吸收功分別為86.7和116J，埋弧焊焊縫金屬的沖擊吸收功較高。手工電弧焊、埋弧焊焊縫金屬的組織均為奧氏體和析出相組成，手工電弧焊的焊縫金屬的結晶形態(tài)呈樹枝狀，埋弧焊焊縫金屬的結晶形態(tài)為胞狀樹枝晶，偏析分散。手工電弧焊、埋弧焊焊縫金屬中奧氏體平均晶粒尺寸分別為132.16和104.97um。埋弧焊焊縫金屬組織偏析分散、奧氏體晶粒尺寸較小是其低溫沖擊吸收功升高的主要原因，同時埋弧焊焊縫金屬中大角度晶界數(shù)量的增加也是導致其韌性增加的原因。

  近年來，全球都在推進與實施清潔能源發(fā)展戰(zhàn)略。液化天然氣（LNG）工業(yè)的快速發(fā)展，必然促進建造大型LNG儲運設備的需求不斷增加。由于9Ni鋼在-162℃下仍具有強度高、韌性好等特點，基本取代了Ni-Cr不銹鋼成為當今國內(nèi)外建造LNG儲罐的主要低溫材料。9Ni鋼是于1944年由美國阿賽洛米塔爾國際鎳公司首先開發(fā)的，含鎳量為8.5%～10%的Fe-Ni系低碳馬氏體超低溫鋼。盡管其低溫韌性優(yōu)良，但在焊接過程中，材料的組織和低溫韌性發(fā)生改變，導致焊縫金屬的低溫韌性不及母材。因此，為保證LNG儲罐的安全性，避免重大事故的發(fā)生，有必要對9Ni鋼焊縫金屬的韌化機理進行研究。

  本文采用手工電弧焊、埋弧焊兩種工程上常見的焊接方法焊接9Ni鋼，并對焊縫金屬的低溫韌性進行研究，從顯微組織、晶界特征、晶粒尺寸等方面進行了觀察和分析，并研究了上述因素與低溫韌性的關系，從而為提高焊縫金屬的低溫韌性，保證LNG儲罐的安全建造提供可靠的試驗依據(jù)和理論支持。

一、試驗材料與方法

  試驗采用的LNG儲運設備用9Ni鋼板規(guī)格為500mm×200mm×27mm。埋弧焊選用直徑為2.4mm的GHM-N276（ERNiCrMo-4）焊絲及GM-N1焊劑，手工電弧焊選用直徑為3.2mm的OK92.55（ENiCrMo-6）焊條。采用對接焊，焊接工藝參數(shù)見表，焊縫的化學成分見表。

 金相樣品經(jīng)150#、320#、600#、1000#砂紙由粗到細研磨、拋光后，用10%鉻酸電解腐蝕，利用LEICAMEF4光學顯微鏡和SCIAS6.0圖像分析系統(tǒng)觀察焊縫組織形貌。透射試樣用砂紙磨到30~50um厚后，用MTP-1A磁力減薄儀電解雙噴減薄，減薄液為8%高氯酸乙醇溶液，電壓為25V，電流為60mA，溫度為-25℃，采用H-800型透射電鏡進行精細結構的觀察。應用牛津QxfordNordlysF+型場發(fā)射掃描電鏡對試樣進行EBSD面掃描，首先將試樣加工成10mm×10mm×5mm試樣，經(jīng)研磨拋光后用電解拋光去除表面硬化層（電解液用10%高氯酸酒精溶液，拋光溫度為5℃，電壓為35V），試樣的掃描尺寸為50um×50um，掃描步長為0.1um，將測得的掃描數(shù)據(jù)用HKL-channel5軟件進行處理，并用粒徑分布軟件對EBSD得到的組織照片進行統(tǒng)計，測定晶粒尺寸。按照GB/T2650《焊接接頭沖擊試驗方法》進行沖擊試驗，試驗設備為JBZ-300自動沖擊試驗機，沖擊試樣尺寸為10mm×10mm×55mm帶V形缺口的標準試樣，在焊縫中心處開缺口，試驗溫度為-196℃。

二、試驗結果及分析

 1. 焊縫的低溫沖擊韌性

 焊接9Ni鋼時，盡管熱輸入（15kJ/cm）相同，但由于焊接方法的不同，導致焊縫金屬處的沖擊吸收功相差很大。手工電弧焊、埋弧焊焊縫在-196℃下的沖擊試驗結果如圖所示。結果表明：埋弧焊焊縫的沖擊吸收功遠大于手工電弧焊焊縫的沖擊吸收功，Axv最大相差約40J。

 2. 顯微組織

 圖為兩種焊接方法焊縫金屬的顯微組織形貌，圖為手工電弧焊沖擊試樣斷口的析出相形貌和析出相能譜圖，表3為手工電弧焊焊縫金屬中析出相EDS能譜分析結果。從圖和表可以看出，兩種焊接方法下的焊縫金屬組織主要由奧氏體和析出相組成，析出相的成分主要是富含鉻、鉬等組元的碳化物。手工電弧焊、埋弧焊焊縫組織的結晶形態(tài)分別呈現(xiàn)樹枝狀晶、胞狀樹枝晶。亮色的枝狀晶、析出物分布在枝狀晶體之間，周圍的暗色為一次結晶的奧氏體。埋弧焊（SAW）焊縫處胞狀樹枝晶晶體組織比較細小，分布也比較均勻。焊縫金屬由于其晶粒細小，晶界增多，偏析分散，偏析的程度也會減弱。樹枝晶界的偏析比胞狀晶界偏析嚴重。這也是造成埋弧焊焊縫金屬在-196℃的低溫沖擊韌性優(yōu)于手工電弧焊的低溫韌性的一個重要原因。析出相的形狀大多是不連續(xù)的塊狀和條狀，分布在枝狀樹枝和晶胞狀樹枝晶間。EDS能譜圖與表對比分析表明，析出相主要是含鉻量較高的富鉻相。由于鎳基合金的溶碳能力遠低于鋼，因此即使含碳量降到很低，但由于鎳基合金本身含有鉻、鉬等組元，還是形成了較多的析出相。

 3. 焊縫金屬中的晶界特征

 除了焊縫金屬組織決定其低溫韌性外，焊縫的晶界特征對低溫沖擊韌性也有非常重要的影響。圖是焊縫中心位置晶界取向差圖，黑色代表大角度晶界（取向差≥15°）。在晶界取向中，大角度晶界（取向差≥15°）能顯著提高低溫韌性。從圖4可以看出，埋弧焊焊縫金屬中心位置的大角度晶界所占的比例明顯大于手工電弧焊焊在此位置的大角度晶界所占的比例。文獻研究[5]認為，由于大角度晶界有阻礙裂紋擴展的作用，當裂紋擴展過程中遇到大角度晶界時，裂紋會發(fā)生轉向，擴展路徑變得曲折，擴展消耗的能量增加，沖擊吸收功增加，因此，埋弧焊焊縫中大角度晶界所占比例多于手工電弧焊焊縫是導致其韌性升高的原因。

 4. 晶粒尺寸分析

 圖為用HKL-channel5軟件對EBSD數(shù)據(jù)進行處理所得到的焊縫奧氏體組織；圖為用粒徑分布軟件對圖晶粒尺寸的測定結果。粒徑分布軟件測得埋弧焊、手工電弧焊焊縫中奧氏體平均晶粒尺寸分別為104.97和132.16um，埋弧焊焊縫中的奧氏體晶粒平均尺寸比手工電弧焊焊縫中的晶粒平均尺寸小27.19um。在一定體積的晶粒內(nèi)，晶粒尺寸越小，晶粒的數(shù)量就越多，晶界就越多，并且不同晶粒取向的晶粒越多，因而塑性變形的能力就越強。材料的韌性就越強，晶粒尺寸越小，在相同的條件下，變形量可分散在更多的晶粒內(nèi)進行，各個晶粒的塑性變形就比較均勻，而不至于過度集中在少數(shù)晶粒上，使其承受變形嚴重。此外，晶粒尺寸越小，晶界越多，越有利于阻礙裂紋的傳播，從而使材料在斷裂前能夠承受較大的塑性變形，吸收更多的能力，材料表現(xiàn)為較好的塑性和韌性。埋弧焊焊縫中晶粒平均尺寸小于手工電弧焊焊縫中的平均尺寸是其低溫沖擊韌性更好的又一原因。

三、結論

 1. 分別采用手工電弧焊、埋弧焊對9Ni鋼進行施焊的焊縫在-196C下的平均沖擊吸收功分別為86.7和116J，埋弧焊焊縫的沖擊吸收功較高。

  2. 埋弧焊焊縫金屬中胞狀晶界偏析分散、大角度晶界增加、晶粒尺寸較小是其低溫韌性優(yōu)于手工電弧焊焊縫金屬低溫韌性的原因。