1 引言

       由于9Ni鋼具有良好的綜合性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因此在宇航、石油、化工、造船、海工、電力、冶金、機(jī)械和核能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

      本文以鹽下油氣模塊項(xiàng)目建造為背景，在該項(xiàng)目中9Ni鋼不僅要求高的強(qiáng)度、優(yōu)異的低溫韌性，而且還要求在一定油氣條件下具有抗SSC(硫化物應(yīng)力腐蝕)的特性，因此針對(duì)9Ni鋼管系的焊接工藝進(jìn)行了研究。

      2  9Ni鋼的焊接性分析

      9Ni鋼由美國(guó)INCO公司于20世紀(jì)40年代開發(fā)研制，是 Ni元素含量9%的中合金鋼（低溫韌性可以達(dá)到-196℃）。相對(duì)于奧氏體不銹鋼和奧氏體鐵-鎳合金，9Ni鋼成本更低且強(qiáng)度更高；相對(duì)于鋁合金，9Ni鋼具有更好的綜合力學(xué)性能。但其材質(zhì)本身又具有易磁化、難消磁的特點(diǎn)，對(duì)焊接工藝的要求極為嚴(yán)格。下面主要對(duì)9Ni鋼的焊接性進(jìn)行分析。

      2.1 冷裂紋

      采用高鎳型和中鎳型焊條焊接9Ni鋼時(shí)，一般不產(chǎn)生冷裂紋；采用低鎳高錳型焊條時(shí)，焊接工藝條件不當(dāng)，如采用過小線能量和受潮焊條，則有產(chǎn)生冷裂的可能性。在此情況下，冷裂紋的產(chǎn)生有三個(gè)方面。

      2.1.1 熔合區(qū)出現(xiàn)硬化層。9Ni鋼本身含碳量不高（≤0.10%），焊接時(shí)本不會(huì)產(chǎn)生硬化組織，  但如果選用含碳量較高的焊材也會(huì)因熔合、擴(kuò)散使熔合區(qū)含碳量增高而產(chǎn)生硬化層。

     2.1.2 氫含量過高，氫在硬化層中積聚是由于焊縫坡口附近不潔（有油、銹污等雜質(zhì)）。

     2.1.3 焊接接頭應(yīng)力集中，包括組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和拘束應(yīng)力。

     2.2 熱裂紋

     無論是高鎳型或中鎳型，還是低鎳高錳型焊條，在焊接9Ni鋼時(shí)都存在熱裂紋問題，其中以高鎳型最嚴(yán)重。其原因是合金中含有S、P等元素，極易與鎳形成低熔點(diǎn)共晶物，造成晶間偏析；另外C和Si還會(huì)促使S、P等元素偏析。尤其在純奧氏體組織中，雜質(zhì)在晶界上分布是連續(xù)的。

     2.3低溫韌性下降

     低溫韌性的降低主要有兩方面：

     2.3.1 焊接材料的影響：焊縫金屬及熔合區(qū)的化學(xué)成分與焊材有關(guān)，如果焊材含碳量高，或者Ni-Cr當(dāng)量匹配以及焊材與母材熔合后的Ni-Cr當(dāng)量搭配落在不銹鋼組織圖中含馬氏體的區(qū)域內(nèi)，都會(huì)引起低溫韌性下降。

     2.3.2 焊接線能量和層間溫度會(huì)改變焊接熱循環(huán)的峰值、溫度，從而影響熱影響區(qū)的金相組織。如峰值溫度過高，會(huì)使逆轉(zhuǎn)奧氏體減少并產(chǎn)生粗大的貝氏體，從而使低溫韌性下降。

     2.4 磁偏吹

     電弧磁偏吹會(huì)造成焊縫熔合不良，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。9Ni鋼具有高的導(dǎo)磁率和較高的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度，所以焊接過程中較容易發(fā)生電弧的磁偏吹現(xiàn)象。一般情況下，當(dāng)帶磁性管子采用直流方法（手工直流電弧焊、手工直流氬弧焊等）打底焊時(shí)，特別是打底焊的初始焊部位磁偏吹現(xiàn)象比較常見，填充和蓋面焊接時(shí)一般不存在此現(xiàn)象。

      3  9Ni鋼的焊接問題預(yù)防措施

      3.1 冷、熱裂紋傾向的預(yù)防

      冷裂紋產(chǎn)生的原因是應(yīng)力、淬硬組織和焊縫金屬擴(kuò)散氫含量；熱裂紋的產(chǎn)生則與應(yīng)力、雜質(zhì)和化學(xué)成分有關(guān)。因此焊接材料的選擇至關(guān)重要。通過分析發(fā)現(xiàn)NiCrMo-3型焊材對(duì)9Ni鋼的焊接有較大優(yōu)勢(shì)。

      3.1.1 NiCrMo-3型焊材中的鎳合金與9Ni鋼在室溫和高溫下的線膨脹系數(shù)相近，從而避免因加熱不均勻的熱脹冷縮造成的熱應(yīng)力。

      3.1.2 NiCrMo-3型焊材中Ni含量高達(dá) 55%～65%，含碳量與9Ni鋼相近，均為低碳型，考慮母材對(duì)焊縫金屬的稀釋作用，仍有足夠高的奧氏體組織避免熔合線出現(xiàn)硬脆的馬氏體帶。

      3.1.3. NiCrMo-3型焊材具有低碳性（含碳量≤0.1%），在F-C合金相圖中處于很小的“脆性溫度區(qū)間"，以及高純度（含S≤0.03%，P≤0.02%），低含氫量等特性。

      由此可見，采用NiCrMo-3型焊材可提供降低9Ni鋼焊縫冷、熱裂紋傾向的基本條件。因此，在嚴(yán)格控制擴(kuò)散氫含量的條件下，選用NiCrMo-3型焊材可基本避免9Ni鋼的焊接冷、熱裂紋傾向。

     3.2 焊接接頭低溫韌性的保證

     焊接接頭包括焊縫、熔合線和熱影響區(qū)，焊接接頭的低溫韌性問題一般出現(xiàn)在焊縫金屬、熔合區(qū)和粗晶區(qū)，焊縫金屬的低溫韌性主要與采用的焊接材料類型有關(guān)。用與9Ni鋼成分相同的焊接材料焊接9Ni鋼時(shí)，焊縫金屬的低溫韌性很差，這主要是焊縫金屬中的含氧量太高，因此焊接9Ni鋼的材料通常選用Ni基、Fe-Ni基焊條。

    采用NiCrMo-3型焊材焊接9Ni鋼時(shí)，每個(gè)區(qū)域的化學(xué)成分和金相組織各不相同。其中焊縫金屬為奧氏體組織，具有良好的低溫韌性；在熔合區(qū)由于焊材的含碳量與9Ni鋼基本相同，含Ni量高達(dá)55%以上，可有效防止碳遷移，避免熔合區(qū)產(chǎn)生脆性組織，從而保證熔合區(qū)低溫韌性；熱影響區(qū)，在1100℃以上峰值溫度的熱循環(huán)作用下，會(huì)產(chǎn)生粗大的馬氏體和貝氏體組織，逆轉(zhuǎn)奧氏體減少，使低溫韌性下降。因此，應(yīng)盡量控制線能量并采用多道焊，以減少高溫停留時(shí)間。

     由此可見，采用NiCrMo-3型焊材焊接9Ni鋼時(shí)，焊接接頭的低溫韌性主要取決于焊接熱輸入和焊縫金屬結(jié)晶過程的冷卻速度。

     3.3 克服磁偏吹的方法

     3.3.1改變母材接地線部位：接地線不能遠(yuǎn)距離接在母材上，應(yīng)直接引至坡口附近（或直接放在坡口上），使電流在母材上形成的電流回路盡量短。

     3.3.2在坡口上方（不是坡口根部）采用臨時(shí)點(diǎn)焊幾處定位焊縫，將坡口兩側(cè)磁場(chǎng)短路，定位焊縫待打底焊至該部位時(shí)用砂輪機(jī)磨掉。

     4 試驗(yàn)材料及方法

     4.1 試驗(yàn)材料

     試驗(yàn)?zāi)覆牟捎?/span>HENGYANG VALIN鋼管有限公司生產(chǎn)的9Ni鋼（直徑355.6mm ，壁厚50.8 mm），化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。表1  9Ni鋼管的化學(xué)成分 （wt%）

型號(hào)CSiMnCrMoCuNi9Ni鋼0.050.210.570.0450.0560.0359.24AlSP

0.020.0040.006

表2  9Ni鋼管的力學(xué)性能

抗拉強(qiáng)度Rm/MPa屈服強(qiáng)度Rp0.2/MPa伸長(zhǎng)量A/%沖擊功（-195℃）  KV/J屈強(qiáng)比%75069827.5108， 112，10793

4.2 焊接方法

       根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際情況，打底焊采用鎢極氬弧焊（GTAW），填充焊、蓋面焊層采用手工電弧焊(SMAW)，焊接材料采用NiCrMo-3型焊材，具體化學(xué)成分見表3。表3  焊材的化學(xué)成分 （wt%）

型號(hào)CSiMnSPCrNiMoERNiCrMo-30.010.040.030.0040.00422.264.39.3ENiCrMo-30.020.360.40.0050.00622.763.68.8

5 焊接工藝評(píng)定

       5.1 焊前準(zhǔn)備

       5.1.1 9Ni鋼管的切割以及坡口加工盡量采用機(jī)械加工的方法，也可采用氣割或等離子下料和制備坡口，加工或切割后的坡口應(yīng)進(jìn)行打磨。

       5.1.2 因本次評(píng)定使用的管材壁厚較大，應(yīng)設(shè)計(jì)合適的坡口型式，考慮減少坡口面積和焊接變形，同時(shí)提高焊接效率和減少Ni基焊材的消耗成本，決定采用圖1所示的坡口型式，間隙2～4mm，鈍邊0～2mm。

       5.1.3 坡口加工完成后應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，不得有裂紋和分層，否則應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)。

       5.1.4 坡口及其兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)應(yīng)用機(jī)械方法及有機(jī)溶劑進(jìn)行表面清理，清除表面的油污、銹跡、金屬屑、氧化膜及其他污物。 圖1 坡口細(xì)節(jié)5.2 焊接順序及焊道布置

       打底層采用氬弧焊的方法焊接，為了保證根部焊道成形和手工電弧焊填充出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象，打底焊至少要焊兩層，焊肉厚度至少達(dá)到6mm，采用手工電弧焊填充。焊層布置順序如圖2所示。 圖2 焊道布置圖5.3 焊接工藝參數(shù)

       熱輸入量為單位長(zhǎng)度焊縫所接受的能量，是影響焊接熱循環(huán)的主要因素，也就是說控制熱輸入是確保機(jī)械性能和SSC(硫化物應(yīng)力腐蝕)試驗(yàn)的關(guān)鍵。具體焊接參數(shù)，見表4。表4 焊接參數(shù)

焊道 編號(hào)焊接方法焊材型號(hào)規(guī)格(mm)電流(A)電壓(V)焊速(mm/min)1～2GTAWERNiCrMo-32.4110～13015～1650～703～61SMAWENiCrMo-33.280～10019～23110～160

5.3.1 因鎳基焊接材料焊接的焊縫金屬的熔點(diǎn)比9Ni鋼低100℃左右，易造成坡口邊緣和焊道間未熔合等缺陷，因此焊接過程中不可隨意引弧，更不允許在坡口外起弧，避免電弧擊傷母材。

       5.3.2 在焊接收弧時(shí)一定要填滿弧坑，在收弧處多停留一會(huì)，避免產(chǎn)生弧坑裂紋。如出現(xiàn)弧坑裂紋，應(yīng)立即打磨處理。

       5.3.3 為了保證9Ni鋼的低溫韌性和SSC試驗(yàn)結(jié)果，焊接熱輸入量的控制非常重要，焊接電流不宜過大，宜采用快速多道焊以減輕焊道過熱，并通過多道焊的重新加熱作用細(xì)化晶粒。多道焊時(shí)要控制層間溫度，應(yīng)采用小熱輸入施焊，熱輸入量應(yīng)控制在20kJ/cm以下，多層焊層間溫度低于100℃，避免接頭過熱。

      6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

      6.1 無損檢驗(yàn)

       焊接結(jié)束后對(duì)試件進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，焊縫及熱影響區(qū)未發(fā)現(xiàn)咬邊、表面氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，焊縫余高0.5～1.5mm，焊縫與母材圓滑過渡；試件經(jīng)射線探傷也未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透、夾渣等缺陷，焊接接頭質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

       6.2 拉伸試驗(yàn)

       拉伸試驗(yàn)將拉伸試樣固定在WE-100型萬能試驗(yàn)機(jī)上，然后對(duì)其施加拉應(yīng)力，造成試樣軸向伸長(zhǎng)直到破斷為止，是衡量材料強(qiáng)度的主要指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果試件編號(hào)拉伸強(qiáng)度（MPa）斷裂位置1761母材2764母材根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出拉伸試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求。

       6.3 彎曲試驗(yàn)

       彎曲試驗(yàn)是考核材料承受變形的能力，將加工好的標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣在WE-100型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。按照規(guī)范要求取4個(gè)側(cè)彎試樣，用63.5mm的壓頭直徑進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲角度180°，在彎曲后的試樣表面無裂紋且在任何方向上無長(zhǎng)度大于3mm的其他缺陷，試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求。

       6.4 沖擊試驗(yàn)

       沖擊檢驗(yàn)是將沖擊試樣放在JB-30B沖擊試驗(yàn)機(jī)上，用沖擊載荷使結(jié)合面的刻槽處發(fā)生破斷，以此破斷處單位面積上所消耗的沖擊功來確定焊接接頭的沖擊性能。本次沖擊試驗(yàn)采用-196℃的夏比型沖擊，在距焊縫表面1～2mm位置取樣，缺口位置分別位于焊縫中心、熔合線、熔合線1mm、熔合線2mm、熔合線5mm。

6.6 SSC(硫化物應(yīng)力腐蝕)試驗(yàn)

      取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)焊接板狀試樣，在25℃連續(xù)充99.2%CO2和0.8%H2S醋酸溶液（初始PH=3）中，以4點(diǎn)彎曲加載80%屈服強(qiáng)度（σs=698MPa）作用下，浸泡720小時(shí)，試樣均未斷裂。在10倍放大鏡下觀察未發(fā)現(xiàn)裂紋，依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)判定該批試樣硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)合格。

7結(jié)論

       7.1 采用鎢極氬弧焊打底、手工電弧焊填充、蓋面，配合ERNiCrMo-3焊絲、ENiCrMo-3焊條 焊接9Ni鋼，在合理的焊接工藝條件下，能夠得到高質(zhì)量的焊接接頭。

       7.2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求，基本掌握了9Ni鋼的鎢極氬弧焊打底、手工電弧焊填充、蓋面的管系焊接技術(shù)，為今后指導(dǎo)生產(chǎn)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。