LNG储罐9%Ni钢GMAW-P自动立焊接头组织与性能研究

王晓磊 肖军

摘要：9%Ni钢LNG大型储罐立缝的自动化焊接，是亟需解决的行业难题。本文使用GMAW-P自动焊技术对LNG储罐立缝进行施焊。为保证焊接接头的焊接质量和可靠性，通过微观组织观察、拉伸弯曲试验、冲击试验、硬度检测等研究手段对焊接接头的显微组织和力学性能进行研究。结果表明：9%Ni钢自动立焊接头焊缝成形良好，组织过渡均匀。接头整体拉伸试验在热影响区产生塑性断裂，焊缝金属拉伸性能优异，接头弯曲试验无裂纹产生，-196 ℃冲击试验低温韧性良好，各项力学性能符合工艺评定标准要求，为LNG大型储罐9%Ni钢自动立焊高效焊接技术的应用与推广提供一定的理论依据。

关键词：9%Ni钢;GMAW-P自动立焊;微观组织;力学性能

中图分类号：TG457.11      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）11-0106-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.19

0    前言

我国加快推进落实清洁能源战略，环保政策严格实施，已经成为世界最大天然气进口国。对天然气的需求与依赖不断加大，LNG码头建设已经列入国家规划，大量建设LNG（液态天然气）储罐能够有效调节我国当前季节性的天然气供需矛盾。当前，LNG储罐壁板的立缝[1]使用最多的焊接方法是焊条电弧焊，壁板的横焊缝和底板盖面焊主要使用埋弧自动焊[2]。立焊位置的特殊性、9%Ni钢母材易磁化、使用镍基焊材涉及异种钢焊接等诸多因素限制了自动立焊的应用与推广。LNG内罐9%Ni钢壁板焊接时，先完成立缝焊接形成环带，再完成环缝的横焊位置焊接，焊条电弧焊效率明显低于埋弧自动焊，立缝与环缝不能同时施焊，导致立缝焊接成为制约整个内罐壁板施工效率的重要因素[3]。

文中采用熔化极气保焊（GMAW-P）高效自动焊接方法进行9%Ni钢LNG储罐立缝自动焊试验，优化焊接工艺参数，对焊接接头的显微组织和力学性能进行研究与讨论。

1 试验材料与方法

1.1 試验材料及工艺

试验所用钢板是国内某钢厂生产的9%Ni钢（06Ni9DR），厚度27 mm，经调制处理供货。自动焊设备使用真空轨道全自动立焊机，焊接方法为GMAW-P，采用双V型坡口如图1所示 ，采用φ （Ar）90%+φ（He）10%混合气体进行保护，焊接工艺参数见表1。焊材使用ERNiCrMo-3实心焊丝，正面焊接后对背部进行清根处理，随后进行背部焊接，焊后按NB/T47014-2011进行焊后检验，未见明显缺陷。

焊接完成后按要求截取尺寸为27 mm×20 mm×300 mm的横向拉伸试样，尺寸为38 mm×10 mm×300 mm的纵向弯曲试样，取棒状全焊缝金属纵向拉伸试样，夏比V型冲击试验取尺寸为55 mm×10 mm×10 mm的标准试样，硬度检测用维氏硬度计，JSM-7200F扫描电镜（SEM）观察微观组织。

2 试验结果及分析

2.1 微观组织分析

焊接接头宏观金相如图2所示，9%Ni钢GMAW-P自动立焊接头偶见微小气孔，符合标准要求。焊缝及热影响区熔合良好，无焊接裂纹和未熔合出现，异种钢焊接过程中熔合比较小，原坡口形状清晰可见。焊趾部位过渡圆滑，镍基合金层道熔合均匀，由于镍基合金熔化后粘度高，导致焊接余高略高。

图3a为9%Ni钢母材微观组织，多边形原奥氏体晶内分布着板条状马氏体，晶界分布着白亮色颗粒状残余奥氏体[4-5]。图3b为焊缝微观组织，焊缝金属为固溶强化镍基合金，熔池凝固至室温的显微组织为单相全奥氏体。凝固时出现成分显微偏析，导致凝固亚晶的成分存在小范围变化。从熔合线向熔池中心冷却速度降低，可以清晰的观察到呈树枝状、柱状、等轴状的凝固亚晶界[6]。由于后一道焊缝对上一道焊缝的回火作用，焊缝层道间部分柱状晶转变为等轴晶和胞状晶。

图3c～3f分别为热影响区的粗晶区、细晶区、未完全淬火区、回火区组织。粗晶区近熔合线处加热温度较高，出现过热组织，主要为粗大的板条马氏体。原奥氏体晶粒较大，板条马氏体束较粗，具有明显的马氏体晶体向关系。晶界分布有少量层片状残余奥氏体。细晶区晶粒明显细化，原奥氏体晶界内马氏体由束状转变为多边形，残余奥氏体颗粒状分布于晶界，含量相对提高。未完全淬火区加热温度不高，只有部分马氏体转变为奥氏体，奥氏体晶粒不能快速长大，部分马氏体晶粒继续长大[7]。冷却过程中细小的原奥氏体转变为马氏体，粗大的马氏体继续保留，晶粒尺寸明显不均匀。回火区晶界受热循环作用，逆转奥氏体出现，较大逆转奥氏体再次转变为二次马氏体，原奥氏体晶粒尺寸与母材相近。

2.2 接头力学性能

焊接接头横向拉伸试验结果如表2所示，屈服强度与抗拉强度数值均符合标准要求，断口均位于热影响区，断口形貌呈现出典型的塑性断裂特征，焊接热影响区为焊接接头薄弱处。全焊缝金属纵向拉伸试验结果如表3所示，9%Ni钢自动立焊焊缝金属为镍基合金，焊后屈服强度较低，抗拉强度较高，延伸率较好。焊缝金属强度能够满足使用性能。9%Ni钢自动立焊弯曲试验纵向面弯、纵向背弯弯曲180°后均未见缺陷，焊接接头具有良好的抗弯曲变形能力，焊缝组织均匀致密塑性良好，满足技术要求[8]。焊接接头维氏硬度分布如图4所示，Ni625焊缝金属硬度略小于9%Ni钢母材硬度，紧挨熔合线的粗晶区硬度明显升高，细晶区硬度达到最大，回火区硬度显著降低，接近母材硬度。

焊缝区及熔合线各位置-196 ℃低温冲击试验结果如表4所示。焊缝金属冲击吸收功最高，冲击侧向膨胀量高达约2 mm，低温冲击韧性最好。熔合线处冲击韧性略有降低，侧向膨胀量也随之降低。随着冲击试样中心位置不断向母材偏移，冲击韧性逐渐降低，侧向膨胀量也呈下降趋势。母材低温冲击韧性低于焊缝，但比熔合线偏移2.5 mm试样低温冲击吸收功高，说明实际焊接接头粗晶区为低温冲击韧性薄弱区。

3 结论

（1）9%Ni钢母材组织由回火马氏体和少量残余奥氏体组成，无碳化物析出，少量马氏体呈现束状特征。GMAW-P自动立焊接头焊缝组织为固溶强化的奥氏体单相组织，可见显著的呈树枝状、柱状的凝固亚晶界，亚晶粒细小。

（2）焊接接头热影响区组织过渡均匀。粗晶区原奥氏体晶粒较大，马氏体板条束较粗，晶界分布有层片状残余奥氏体。细晶区晶粒细化明显，晶内多边形马氏体，颗粒状残余奥氏体含量相对提高。未完全淬火区冷却过程中细小的原奥氏体转变为马氏体，粗大的马氏体继续保留，晶粒尺寸不均匀。回火区出现逆转奥氏体，尺寸较大的逆转奥氏体冷却后出现二次马氏体，原奥氏体晶粒尺寸与母材相近。

（3）采用GMAW-P自动立焊焊接9%Ni钢板，获得的焊接接头纵向拉伸试验断裂在热影响区薄弱区，但抗拉强度大，纵向弯曲性能优良，各区域-196 ℃低温冲击韧性较好，未出现脆性断裂，焊接接头工艺性能和力学性能符合标准要求，具有推广应用的价值。

参考文献：

李连波，鲁欣豫，任胜汉，等. 9%Ni钢全自动TT立焊焊接工艺开发[J].电焊机，2017，47（10）：116-118.

Lin W H，Hua X M，Cai Y，et al. Study on welding qualifications of 9% nickel steel[J]. Welding Technology，2016，45（3）：43-47.

翁大龍，张胜男，唐元生，等. LNG大型储罐9Ni钢罐壁立缝GMAW-P机动焊工艺研究及应用探讨[J].石油化工设备技术，2018，39（5）：63-66，72.

周振丰. 焊接冶金学（金属焊接性）[M]. 北京：机械工业出版社，1995.

王清曌. 异种钢焊接接头过渡区域力学行为及组织调控研究[D].上海：上海交通大学，2019.

吴祖乾，张晨，虞茂林，等. 镍基合金焊接冶金和焊接性[J]. 机电一体化，2014（A04）：2-2.

李立英，王晓磊，刘振洪，等.国产06Ni9DR钢焊接热影响区组织和低温韧性[J].焊接学报，2020，41（7）：91-96.

李大用，杨东青，王苹，等.高铬镍奥氏体焊丝焊接10Ni5CrMoV钢接头组织性能分析[J].焊接学报，2017，38（5）：87-91，133.