1 引言
由于9Ni鋼具有良好的綜合性能和價格優(yōu)勢，因此在宇航、石油、化工、造船、海工、電力、冶金、機械和核能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
本文以鹽下油氣模塊項目建造為背景，在該項目中9Ni鋼不僅要求高的強度、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9Ni鋼管系的焊接工藝進行了研究。
2 9Ni鋼的焊接性分析
9Ni鋼由美國INCO公司于20世紀40年代開發(fā)研制，是 Ni元素含量9%的中合金鋼（低溫韌性可以達到-196℃）。相對于奧氏體不銹鋼和奧氏體鐵-鎳合金，9Ni鋼成本更低且強度更高；相對于鋁合金，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，對焊接工藝的要求極為嚴格。下面主要對9Ni鋼的焊接性進行分析。
2.1 冷裂紋
采用高鎳型和中鎳型焊條焊接9Ni鋼時，一般不產(chǎn)生冷裂紋；采用低鎳高錳型焊條時，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%），焊接時本不會產(chǎn)生硬化組織， 但如果選用含碳量較高的焊材也會因熔合、擴散使熔合區(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鋼時都存在熱裂紋問題，其中以高鎳型最嚴重。其原因是合金中含有S、P等元素，極易與鎳形成低熔點共晶物，造成晶間偏析；另外C和Si還會促使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)，都會引起低溫韌性下降。
2.3.2 焊接線能量和層間溫度會改變焊接熱循環(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
電弧磁偏吹會造成焊縫熔合不良，嚴重影響焊接質(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，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9Ni鋼的焊接有較大優(yōu)勢。
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 55%～65%，含碳量與9Ni鋼相近，均為低碳型，考慮母材對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，在嚴格控制擴散氫含量的條件下，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，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，每個區(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，以減少高溫停留時間。
由此可見，采用NiCrMo-3型焊材焊接9Ni鋼時，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）采用臨時點焊幾處定位焊縫，將坡口兩側(cè)磁場短路，定位焊縫待打底焊至該部位時用砂輪機磨掉。
4 試驗材料及方法
4.1 試驗材料
試驗?zāi)覆牟捎肏ENGYANG 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 | C | Si | Mn | Cr | Mo | Cu | Ni |
9Ni鋼 | 0.05 | 0.21 | 0.57 | 0.045 | 0.056 | 0.035 | 9.24 |
Al | S | P | |||||
0.02 | 0.004 | 0.006 |
表2 9Ni鋼管的力學(xué)性能
抗拉強度 Rm/MPa | 屈服強度 Rp0.2/MPa | 伸長量 A/% | 沖擊功（-195℃） KV/J | 屈強比 % |
750 | 698 | 27.5 | 108， 112，107 | 93 |
4.2 焊接方法
根據(jù)產(chǎn)品的實際情況，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 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | Mo |
ERNiCrMo-3 | 0.01 | 0.04 | 0.03 | 0.004 | 0.004 | 22.2 | 64.3 | 9.3 |
ENiCrMo-3 | 0.02 | 0.36 | 0.4 | 0.005 | 0.006 | 22.7 | 63.6 | 8.8 |
5 焊接工藝評定
5.1 焊前準備
5.1.1 9Ni鋼管的切割以及坡口加工盡量采用機械加工的方法，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)進行打磨。
5.1.2 因本次評定使用的管材壁厚較大，應(yīng)設(shè)計合適的坡口型式，考慮減少坡口面積和焊接變形，同時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)進行外觀檢查，不得有裂紋和分層，否則應(yīng)進行修補。
5.1.4 坡口及其兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)應(yīng)用機械方法及有機溶劑進行表面清理，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械性能和SSC(硫化物應(yīng)力腐蝕)試驗的關(guān)鍵。具體焊接參數(shù)，見表4。
表4 焊接參數(shù)
焊道 編號 | 焊接方法 | 焊材 型號 | 規(guī)格 (mm) | 電流 (A) | 電壓 (V) | 焊速 (mm/min) |
1～2 | GTAW | ERNiCrMo-3 | 2.4 | 110～130 | 15～16 | 50～70 |
3～61 | SMAW | ENiCrMo-3 | 3.2 | 80～100 | 19～23 | 110～160 |
5.3.1 因鎳基焊接材料焊接的焊縫金屬的熔點比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 在焊接收弧時一定要填滿弧坑，在收弧處多停留一會，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化晶粒。多道焊時要控制層間溫度，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 試驗結(jié)果與分析
6.1 無損檢驗
焊接結(jié)束后對試件進行外觀檢驗，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)量滿足標準要求。
6.2 拉伸試驗
拉伸試驗將拉伸試樣固定在WE-100型萬能試驗機上，然后對其施加拉應(yīng)力，造成試樣軸向伸長直到破斷為止，是衡量材料強度的主要指標。試驗結(jié)果如表5所示。
表5 拉伸試驗結(jié)果
試件編號 | 拉伸強度（MPa） | 斷裂位置 |
1 | 761 | 母材 |
2 | 764 | 母材 |
根據(jù)試驗結(jié)果可以看出拉伸試驗結(jié)果滿足規(guī)范要求。
6.3 彎曲試驗
彎曲試驗是考核材料承受變形的能力，將加工好的標準彎曲試樣在WE-100型萬能試驗機上進行彎曲試驗。按照規(guī)范要求取4個側(cè)彎試樣，用63.5mm的壓頭直徑進行彎曲試驗，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度大于3mm的其他缺陷，試驗結(jié)果滿足規(guī)范要求。
6.4 沖擊試驗
沖擊檢驗是將沖擊試樣放在JB-30B沖擊試驗機上，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，試驗結(jié)果如表6所示。
表6 沖擊試驗結(jié)果
缺口位置 | 單個沖擊值（J） | 平均沖擊值（J） |
焊縫中心 | 89、78、76 | 81 |
熔合線 | 80、82、76 | 79 |
熔合線+1 mm | 104、91、111 | 104 |
熔合線+2 mm | 78、99、85 | 87 |
熔合線+5 mm | 112、98、104 | 104 |
根據(jù)沖擊結(jié)果可以看出沖擊值均滿足規(guī)范要求（-196℃≥41J）。
6.5宏觀及硬度試驗
6.5.1 焊縫宏觀斷面檢查發(fā)現(xiàn)焊縫完全焊透、無裂紋等缺陷，宏觀試樣見圖3。
圖3 宏觀試樣照片
6.5.2 分別對焊接接頭的焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材的硬度進行測量，硬度值如表7所示。
表7 硬度試驗結(jié)果
取樣位置 | 硬度值（HV10） |
焊縫金屬 | 219～247 |
熱影響區(qū) | 253～290 |
母 材 | 230～256 |
6.6 SSC(硫化物應(yīng)力腐蝕)試驗
取3個標準焊接板狀試樣，在25℃連續(xù)充99.2%CO2和0.8%H2S醋酸溶液（初始PH=3）中，以4點彎曲加載80%屈服強度（σs=698MPa）作用下，浸泡720小時，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)的標準判定該批試樣硫化物應(yīng)力腐蝕試驗合格（見圖4）。
圖4 浸泡腐蝕之后壓應(yīng)力試樣表面形貌
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 焊接工藝評定試驗的各項性能指標均符合技術(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。
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