1 引言

       由于9Ni鋼具有良好的綜合性能和價格優勢，因此在宇航、石油、化工、造船、海工、電力、冶金、機械和核能等領域得到廣泛應用。

      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性能。但其材質本身又具有易磁化、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，一般不產生冷裂紋；采用低鎳高錳型焊條時，焊接工藝條件不當，如采用過小線能量和受潮焊條，則有產生冷裂的可能性。在此情況下，冷裂紋的產生有三個方面。

      2.1.1 熔合區出現硬化層。9Ni鋼本身含碳量不高（≤0.10%），焊接時本不會產生硬化組織，  但如果選用含碳量較高的焊材也會因熔合、擴散使熔合區含碳量增高而產生硬化層。

     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）。

     2.1.3 焊接接頭應力集中，包括組織應力、熱應力和拘束應力。

     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，雜質在晶界上分布是連續的。

     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：焊縫金屬及熔合區的化學成分與焊材有關，如果焊材含碳量高，或者Ni-Cr當量匹配以及焊材與母材熔合后的Ni-Cr當量搭配落在不銹鋼組織圖中含馬氏體的區域內，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的峰值、溫度，從而影響熱影響區的金相組織。如峰值溫度過高，會使逆轉奧氏體減少并產生粗大的貝氏體，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，嚴重影響焊接質量。9Ni鋼具有高的導磁率和較高的剩磁感應強度，所以焊接過程中較容易發生電弧的磁偏吹現象。一般情況下，當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象比較常見，填充和蓋面焊接時一般不存在此現象。

      3  9Ni鋼的焊接問題預防措施

      3.1 冷、熱裂紋傾向的預防

      冷裂紋產生的原因是應力、淬硬組織和焊縫金屬擴散氫含量；熱裂紋的產生則與應力、雜質和化學成分有關。因此焊接材料的選擇至關重要。通過分析發現NiCrMo-3型焊材對9Ni鋼的焊接有較大優勢。

      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相近，從而避免因加熱不均勻的熱脹冷縮造成的熱應力。

      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，焊接接頭的低溫韌性問題一般出現在焊縫金屬、熔合區和粗晶區，焊縫金屬的低溫韌性主要與采用的焊接材料類型有關。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，每個區域的化學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，避免熔合區產生脆性組織，從而保證熔合區低溫韌性；熱影響區，在1100℃以上峰值溫度的熱循環作用下，會產生粗大的馬氏體和貝氏體組織，逆轉奧氏體減少，使低溫韌性下降。因此，應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

     試驗母材采用HENGYANG VALIN鋼管有限公司生產的9Ni鋼（直徑355.6mm ，壁厚50.8 mm），化學成分見表1，力學性能見表2。表1  9Ni鋼管的化學成分 （wt%）

型號CSiMnCrMoCuNi9Ni鋼0.050.210.570.0450.0560.0359.24AlSP

0.020.0040.006

表2  9Ni鋼管的力學性能

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%75069827.5108， 112，10793

4.2 焊接方法

       根據產品的實際情況，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，具體化學成分見表3。表3  焊材的化學成分 （wt%）

型號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進行打磨。

       5.1.2 因本次評定使用的管材壁厚較大，應設計合適的坡口型式，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 坡口加工完成后應進行外觀檢查，不得有裂紋和分層，否則應進行修補。

       5.1.4 坡口及其兩側各20mm范圍內應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燒穿現象，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

       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(硫化物應力腐蝕)試驗的關鍵。具體焊接參數，見表4。表4 焊接參數

焊道 編號焊接方法焊材型號規格(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，避免產生弧坑裂紋。如出現弧坑裂紋，應立即打磨處理。

       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，應采用小熱輸入施焊，熱輸入量應控制在20kJ/cm以下，多層焊層間溫度低于100℃，避免接頭過熱。

      6 試驗結果與分析

      6.1 無損檢驗

       焊接結束后對試件進行外觀檢驗，焊縫及熱影響區未發現咬邊、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；試件經射線探傷也未發現裂紋、未熔合、未焊透、夾渣等缺陷，焊接接頭質量滿足標準要求。

       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。試驗結果如表5所示。表5 拉伸試驗結果試件編號拉伸強度（MPa）斷裂位置1761母材2764母材根據試驗結果可以看出拉伸試驗結果滿足規范要求。

       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。按照規范要求取4個側彎試樣，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，試驗結果滿足規范要求。

       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，用沖擊載荷使結合面的刻槽處發生破斷，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。

6.6 SSC(硫化物應力腐蝕)試驗

      取3個標準焊接板狀試樣，在25℃連續充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現裂紋，依據相應的標準判定該批試樣硫化物應力腐蝕試驗合格。

7結論

       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，為今后指導生產提供了寶貴經驗。