9%Ni鋼用國(guó)產(chǎn)ENiCrMo‐4焊條的焊接工藝研究報(bào)告
發(fā)布日期：2023年12月15日 瀏覽：2741次
摘要：采用國(guó)產(chǎn)ENiCrMo‐4焊條焊接9%Ni鋼，研究焊接電流對(duì)焊接接頭的成分、組織和力學(xué)性能的影響。焊接電流 對(duì)ENiCrMo‐4焊條C焊接9%Ni鋼接頭的性能有明顯的影響。焊接電流為130A時(shí)，焊接接頭的力學(xué)性能、抗裂性能和 耐腐蝕性能等均為最佳，其接頭的抗拉強(qiáng)度Rm為741Mpa，屈服強(qiáng)度Rp0.2為458Mpa，屈強(qiáng)比為 0.62，斷后伸長(zhǎng)率A為41%;接頭在焊縫中心、熔合線處、熔合線+2mm 處的低溫沖擊功分別為89.3J、92J，4.7。
0 序言
焊縫的各項(xiàng)性能和組織取決于母材金屬的機(jī)械性能、化學(xué)成份和焊接時(shí)的熱輸入，在材料確定后，焊接熱輸入對(duì)焊接接頭起決定性的作用。因?yàn)楹附訜彷斎胍约暗篱g溫度的變化，會(huì)相應(yīng)的影響焊縫的冷卻速度和微觀組織，從而改變焊縫的性能。
氬弧焊具有焊接線能量小，過熱區(qū)小，高溫停留時(shí)間短，冷卻速度快等特點(diǎn)，適合鎳基合金的焊接。鎳基合金焊接特點(diǎn)是熔深較淺，且熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)性較差，即使增大焊接電流也不能增加熔深，提高熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)性，反而易產(chǎn)生焊接缺陷。當(dāng)焊接電流過大時(shí)，由于熱輸入量大，會(huì)熔化晶界上的低熔點(diǎn)相而生成液化裂紋，所以鎳基合金焊接時(shí)應(yīng)選用較低的線能量。但過低的線能量會(huì)導(dǎo)致熔池在高溫停留的時(shí)間過短，焊接熔池來不及形成，易造成未熔合未焊透等缺陷。因此只有選擇合理的焊接電流和焊速才能避免缺陷的產(chǎn)生，得到優(yōu)良的焊接接頭。
本文采用國(guó)產(chǎn)ENiCrMo‐4焊條焊接 9%Ni鋼，研究不同焊接電流對(duì)接頭的化學(xué)成分、微觀組織和力學(xué)性能的影響，為優(yōu)化焊接工藝，制訂合理的國(guó)產(chǎn)ENiCrMo‐4焊條焊接工藝提供試驗(yàn)依據(jù)。
1 材料與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)?zāi)覆乃玫?%Ni鋼在‐162℃下仍有高的強(qiáng)度和良好的低溫韌性，且最低使用溫度可達(dá)‐196℃，成為當(dāng)今國(guó)際上建造LNG儲(chǔ)罐的主要結(jié)構(gòu)材料。試驗(yàn)焊材采用由上海大西洋焊接材料有限公司開發(fā)的國(guó)產(chǎn)ENiCrMo‐4 焊條(φ4mm，)。
焊前母材需預(yù)先開坡口，角度為60的單面V字形，鈍邊2mm，坡口及其內(nèi)外壁兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)用砂輪機(jī)打磨出金屬光澤，然后用丙酮將坡口清洗干凈并干燥，裝配間隙為12mm，點(diǎn)焊裝配，在焊接前要預(yù)留3‐5o的反變形。焊接時(shí)采用多層多道焊，控制層間溫度<150℃，以免焊縫過熱，焊接參數(shù)如表1.1所示，采用120A、 130A、140A三種不同電流焊接9%Ni鋼。
焊后對(duì)試板進(jìn)行超聲波探傷，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合和未焊透等缺陷。根據(jù)AWS A5.11及 GB/T 13814 標(biāo)準(zhǔn)制備拉伸、沖擊和金相試樣，進(jìn) 行常溫拉伸性能和低溫沖擊性能測(cè)試。金相試樣 采用 12 ml HCl+ 4 ml HNO3+ 0. 36 g FeCl3 進(jìn)行腐 蝕，用金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察，用能譜儀 對(duì)焊接接頭進(jìn)行成分分析。
2 焊接接頭成分分析
焊后對(duì)三種焊接接頭進(jìn)行了成分測(cè)定，化學(xué)成分如表 2.1 所示。根據(jù) AWS A5.11 及 GB/T 13814 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)熔覆金屬成分有嚴(yán)格的 要求，特別是對(duì)C、Si 元素含量的要求。C 元素 以間隙原子存在，在合金中形成和穩(wěn)定奧氏體，隨著 C 含量的增加，會(huì)導(dǎo)致合金的強(qiáng)度、硬度增加，而耐蝕性能降低�？刂铺己吭� 0.01%——0.03%以下時(shí)，才能保證合金的耐蝕 性。碳還會(huì)導(dǎo)致鎳基合金的點(diǎn)蝕傾向升高，增 加鎳基合金的晶間腐蝕敏感性，并隨著碳含量 的增加而升高。碳還會(huì)使鎳基合金的焊后耐蝕 性下降，鎳基合金耐點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、一般 腐蝕、應(yīng)力腐蝕的能力均受碳的影響而降低。 硅會(huì)降低鎳基合金耐硝酸腐蝕的性能，增加固 溶體晶間腐蝕的敏感性，這是因?yàn)楣柩鼐Ы缙?聚的結(jié)果。將硅降低到極低，合金則有良好的 耐硝酸性能。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定 C≤0.02%，Si≤0.2%。此外，P、S 等雜質(zhì)元素的含量越低，焊后焊接 接頭的質(zhì)量越好。
由表2.1中的數(shù)據(jù)可知，國(guó)產(chǎn)ENiCrMo‐4焊條在三種不同焊接電流下的熔敷金屬中各元素 含量均符合AWS A5.11及GB/T 13814 標(biāo)準(zhǔn)的要 求，Cr、S 的含量隨著電流的升高而降低，C、Si、 P 的含量變化不大，在 130A 電流時(shí)，Mo、W 等有益元素的含量較優(yōu)。
3 焊接接頭微觀組織分析
金相顯微組織觀察是最簡(jiǎn)單、方便、有效的研究材料微觀組織的試驗(yàn)方法。材料研究的基本規(guī)律是組織決定性能。內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)決 定了材料的性能，鎳基合金的微觀顯微組織較為 復(fù)雜，根據(jù)合金成分的差異，相的形態(tài)、尺寸、 數(shù)量和分布都有相應(yīng)的差異，但相的種類基本相 同。鎳基合金的鑄態(tài)組織一般包括基體、共晶相、 強(qiáng)化相和一種或幾種碳化物相等組成。
圖3.1 為國(guó)產(chǎn)ENiCrMo-4 焊條焊接接頭熔合 線處的微觀組織，白色的基體組織是奧氏體組 織，鐵素體呈柱狀沿奧氏體晶界分布。從圖中可 以看出，在熱影響區(qū)附近的組織，晶粒明顯的長(zhǎng)大，在焊縫區(qū)域的晶粒呈典型樹枝狀生長(zhǎng)，鐵素 體沿晶界均勻分布，在靠近熔合線處的高溫加熱 區(qū)有呈細(xì)條狀均勻分布的新鐵素體相析出。
圖3.1 不同焊條焊接接頭熔合線的圍觀組織
圖 3.2 為焊接接頭焊縫中心的微觀組織從圖中可看出熔敷金屬組織是鑄造狀組織，且晶粒分布比較均勻。它們的焊接組織是：基體為奧氏體組織，晶界和晶內(nèi)的析出物為鐵素體。從圖中可以看出焊縫組織較細(xì)小均勻，主要由析出相和白色的奧氏體基體組成，晶粒尺寸在 20——50μm之間，鎳基合金的基體一般是含有較大數(shù)量固溶元素的連續(xù)分布的面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體相，奧氏體相對(duì) Cr、Mo、W 等合金元素的溶解度較優(yōu)，這些合金元素的固溶強(qiáng)化作用可提高基體相的強(qiáng)度。次生相和共晶相構(gòu)成了析出相，呈現(xiàn)出針狀、點(diǎn)狀或塊狀，在晶界位置大量分布，金屬間相為 Ni4Mo，還有 M6C 和 M23C 等。由于鎳基合 金具有較弱的溶碳能力，因此即使努力降低含碳 量，仍會(huì)有較多的碳化物析出。又由于加入了較 多的鉻、鉬、鎢元素，促進(jìn)了析出相的形成[1——3]。 高溫時(shí)在枝晶叉和晶界上析出的這些相是穩(wěn)定 的，而且 Mo 和 W 的含量較高。
圖3.2 不同焊條焊接接頭焊縫中心的微觀組織
Fig.3.2 The microstructure of weld center of different electrode welding joint
4 焊接接頭力學(xué)性能分析
4.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析
對(duì)焊接試板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4.1 所示。由表可知在 120A、130A、140A 三種 焊接電流接頭的抗拉強(qiáng)度 Rm 均符合 AWS A5.11及 GB/T 13814 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的值，其中 120A 電流 條件下抗拉強(qiáng)度 Rm 最高，130A 的次之，140A 最差。
三種焊接接頭所用的焊材和母材均一致，因 此焊接電流為影響焊接接頭拉伸性能的主要因 素。在 120A 和 130A 時(shí)，焊接熱輸入適中，在 焊縫內(nèi)的冶金反應(yīng)較充分，接頭中析出了適量的 鐵素體，從而得到優(yōu)良的焊接接頭，當(dāng)焊接電流 增大到 140A 時(shí)，熱輸入量過大，焊縫停留在高 溫下的時(shí)間過長(zhǎng)，而熔池的冷卻速度較慢，導(dǎo)致 焊縫內(nèi)形成粗大的枝晶，燒損過多的有益合金元 素，且此時(shí)焊接接頭析出了過量的鐵素體，從而 導(dǎo)致接頭的抗拉強(qiáng)度下降。
根據(jù) AWS A5.11 及 GB/T 13814 標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī) 定 ENiCrMo‐4 焊條在使用中，焊后拉伸斷口的伸 長(zhǎng)率 A≥25%。從表中可看出 120A、130A 時(shí)接頭 的斷后伸長(zhǎng)率 A 為 41%，140A 時(shí)接頭的斷后伸 長(zhǎng)率 A 為 37%，因此當(dāng)焊接電流為 120A、130A 時(shí)，焊接接頭的塑性較優(yōu)。
4.2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析
衡量焊接接頭和母材的韌性通常采用夏比沖擊V型缺口試驗(yàn)，評(píng)定焊縫、熱影響區(qū)和母材 斷裂時(shí)吸收變形能量的能力以及表征它們抵抗裂紋擴(kuò)展的水平，是研究焊件斷裂預(yù)防問題的主要方法。
按照中國(guó)石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司16萬立方米儲(chǔ)罐項(xiàng)目中規(guī)定，三種電流焊后對(duì) 焊接接頭進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，沖擊功的平均值 ≥70J，單個(gè)最小值≥49J。焊后按國(guó)標(biāo)要求將三種不同電流焊接的焊接試板加工成沖擊試樣，將加 工好的沖擊試樣在JB‐300B 的金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表 4.2、4.3、4.4 所 示。
由表中可以看出，三種不同焊接電流下的 接頭的低溫沖擊功均滿足石化工程公司儲(chǔ)罐項(xiàng) 目中規(guī)定，從中可以明顯看出焊接接頭焊縫中心 的低溫沖擊功基本低于熔合線和熔合線+2mm處的沖擊功。這是由于受焊接熱輸入的影響，焊縫中心的組織以粗大的枝晶為主，而位于熔合線處的組織則較焊縫中心的細(xì)小，且其組織受焊接熱輸入的影響較小;而熔合線+2mm 處被視為母 材的區(qū)域，其組織受到的焊接熱輸入影響最小。 同時(shí)，焊接熱輸入對(duì)焊縫中心處的影響較大，焊縫中心停留在高溫的時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)有利于鐵素體的析出，而鐵素體則會(huì)導(dǎo)致焊縫的沖擊韌性下降。
由表4.2 中可以看出，隨著焊接電流的升高， 焊縫中心、熔合線處的沖擊功先升后降，這是因 為當(dāng)焊接電流由 120A 升到 130A 時(shí)，隨著焊接 熱輸入的增加，焊縫內(nèi)的冶金反應(yīng)更加充分，析出適量的鐵素體，更加容易獲得優(yōu)良的焊縫。當(dāng) 焊接電流增大到到 140A 時(shí)，焊縫中心、熔合線 處的沖擊功下降，這是由于隨著焊接電流的繼續(xù) 增大，此時(shí)的熱輸入過大，焊縫停留在高溫下時(shí) 間過長(zhǎng)，焊接冷卻速度變慢，導(dǎo)致焊縫內(nèi)產(chǎn)生組 織粗大的枝晶，且停留在高溫的時(shí)間長(zhǎng)，使得焊 縫內(nèi)析出過量的鐵素體，使得接頭的韌性下降。 熔合線+2mm 處沒有遵循上述規(guī)律，是因?yàn)槠浣M織受到的焊接熱輸入影響較小，更多表現(xiàn)的是母材本身的沖擊韌性。綜上分析，當(dāng)焊接電流為130A 時(shí)，接頭的沖擊韌性為最佳。
圖4.1 所示為焊接接頭焊縫處的沖擊斷口纖維區(qū)的微觀形貌，從圖中可看到明顯的塑性變形所產(chǎn)生的韌窩，韌窩呈現(xiàn)出典型的拋物線型，焊接接頭斷裂形式均為韌性斷裂，接頭的韌性都很好。
圖4.1 缺口位于焊縫中心的沖擊斷口纖維區(qū)形貌
5 結(jié)論
1.本文主要研究了在國(guó)產(chǎn) ENiCrMo‐4 焊條在120A、130A、140A 三種不同的焊接電流下的 焊接接頭的成分、微觀組織和力學(xué)性能，確定了 國(guó)產(chǎn) ENiCrMo‐4 焊條的最優(yōu)焊接參數(shù)。
2.國(guó)產(chǎn)ENiCrMo‐4焊條在130A 下的焊接接 頭中 C≤0.02%，Si≤0.2%，P、S 等雜質(zhì)元素的含量較低，符合 AWS A5.11 及 GB/T 13814 標(biāo)準(zhǔn)中 的規(guī)定，且 Cr、Mo、W 等有益元素的含量較優(yōu)。
3.國(guó)產(chǎn)ENiCrMo‐4焊條在130A 的電流下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度 Rm741Mpa，屈服強(qiáng)度 Rp0.2為 458Mpa，斷后伸長(zhǎng)率 A 為 41%，焊接接頭的綜合拉伸性能優(yōu)于 120A 和 140A 焊接電流時(shí)的焊接接頭。
4.國(guó)產(chǎn)ENiCrMo‐4焊條在130A 下的焊接接頭的焊縫中心、熔合線、熔合線+2mm 處的平均低溫沖擊功分別為 89.3J、92J、94.7J，優(yōu)于焊接電流為 120A 和 140A 時(shí)的平均低溫沖擊功，因此，當(dāng)焊接電流為 130A 時(shí)，國(guó)產(chǎn) ENiCrMo‐4 焊條的焊接接頭的沖擊韌性為最佳。
5.國(guó)產(chǎn)ENiCrMo‐4焊條的最佳焊接電流為130A，在此焊接條件下得到的焊接接頭各方面性能為最優(yōu)。
