蔡啸涛1,2,齐彦昌1,魏金山1,马成勇1

(1.钢铁研究总院焊接研究所,北京 100081;2.江苏科技大学苏州理工学院,张家港 215600)

摘 要:在大型液化天然气储罐建造过程中,采用 ENiCrMo-6镍基合金焊条焊接的06Ni9DR 钢焊缝射线探伤底片上常发现点状与絮状不明影像,采用显微组织观察、能谱分析、硬度测试、低温 冲击试验及热力学计算等方法,分析了不明影像的产生原因,并研究了不明影像对焊缝力学性能的 影响。结果表明:点状与絮状影像主要由大尺寸富钨夹杂物及富铌、钼析出相团簇造成;这些夹杂 物和析出相团簇区域的平均显微硬度分别为456,288HV,均高于基体的平均硬度,二者对焊接接 头的强度和低温冲击韧性的稳定性造成了不良影响;更换焊条批次后,焊缝中不明影像出现的概率 显著降低,不明影像的产生与镍基合金焊条生产过程中药皮组分混合不均匀或者药粉颗粒度不均 匀,造成焊缝金属中合金元素的异常偏聚有关。

关键词:镍基合金焊缝;不明影像;富钨颗粒;析出相团簇;焊接材料 中图分类号:TG444 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)08-0033-07

0 引 言

随着国民经济水平的高速发展和绿色环保政策 的出台,我国对液化天然气(liquefiednaturalgas, 33 蔡啸涛,等:液化天然气储罐低温镍基合金焊缝射线探伤底片中不明影像产生的原因 LNG)及其相关的低温储运设备用材料的需求日益 增加。以9Ni钢为主的镍系低温钢以其优异的低温 强韧性和良好的焊接性,而广泛应用于-163 ℃下 服役的大型 LNG 储罐中[1-3]。LNG 储罐中焊接接 头是薄弱环节,在低温服役过程中会经受严苛的热 胀冷缩过程。为保持良好的抗疲劳性能,同时获得 低温韧性良好的焊接接头,通常选用线膨胀系数与 9Ni钢较为接近的低碳镍基焊材进行焊接[4-6]。在 LNG 储罐建造施工中,横焊位置的焊接方法通常为 埋弧焊,而立焊位置一般采用手工电弧焊或自动气 体保护焊,其中 ENiCrMo-6低温镍基合金焊条是较 常用的焊接材料[7-8]。 某大型 LNG 储 罐 项 目 施 工 采 用 ENiCrMo-6 镍基合金焊条进行焊接,其焊缝的射线探伤合格率 较低,探伤底片上部分区域可见点状和絮状不明影 像,不明影像较周围区域略亮,对应焊缝在后续返修 及剖面检查时,却并未发现明显的未熔合、未焊透、 裂纹、夹渣、气孔等常规焊接缺陷。目前,该类不明 影像主要在 现 场 大 规 模 施 工 中 发 现,实 验 室 及 工 艺评定试板 中 较 为 少 见,国 内 外 文 献 中 也 未 有 相 关报道。此类不明影像对射线探伤评片过程造成 了较大干扰,对工程进度影响较大,同时对焊接质 量的影响 尚 不 明 确。为 此,作 者 采 用 显 微 组 织 观 察、能谱分 析、硬 度 测 试、低 温 冲 击 及 热 力 学 计 算 等方法,分析了底片上不明影像的产生原因,研究 了该不明影 像 对 焊 缝 力 学 性 能 的 影 响,并 探 讨 了 相关的改善措施。

1 试样制备与试验方法

试验材料为取自某大型 LNG 储罐焊缝探伤底 片上存在不明影像的焊接接头。接头母材为厚度 20mm 的06Ni9DR 钢,经淬火+临界淬火+回火 处理后,其显微组织为回火马氏体和弥散分布的逆 转奥氏体,具有良好的低温强韧性[9-10] ;焊接所用材 料为?3.2mm 的 ENiCrMo-6进口镍基合金焊条, 其焊缝金属在-196 ℃下具备良好的韧性,焊材中 添加了铬、钼、铌、钨等合金元素,在起到固溶强化作 用的同时也促进了焊缝凝固后期各种第二相的形 成[11-12]。母材与焊条熔敷金属的化学成分、力学性 能分别如表1和表2所示。现场施工时采用手工电 弧焊进行多层多道焊接,焊前严格清理焊接区域及 周边的氧化皮、油污等影响焊接质量的杂质,焊前不 预热,焊接坡口类型为 V 型,坡口角度为60°,根部 间隙为2mm,焊接位置为立焊,焊接电流为100~ 110A,焊 接 电 压 为 24~25 V,焊 接 速 度 为 8~ 10cm·min -1,焊接热输入为14~20kJ·cm -1,采用 交流电源,层间温度控制在100℃以下,反面清根方 式为砂轮打磨。 表1 母材与焊条熔敷金属的化学成分 Table1 Chemicalcompositionofbasemetalanddepositedmetalofelectrode % 材料牌号 质量分数 C Si Mn S P Ni Cr Mo V Fe Nb W 06Ni9DR 0.050 0.28 0.72 0.0020 0.0031 9.20 - 0.064 0.005 余 - - ENiCrMo-6 0.042 0.48 3.07 0.0064 0.0087 67.14 13.9 6.610 - 5.29 1.42 1.42 表2 母材与焊条熔敷金属的力学性能 Table2 Mechanicalpropertiesofbasemetalanddeposited metalofelectrode 材料牌号 屈服强 度/MPa 抗拉强 度/MPa 断后伸长 率/% -196 ℃平均冲击 吸收能量/J 06Ni9DR 699 725 21.5 197 ENiCrMo-6 459 730 39.0 84 经过多次 X射线探伤后,精确定位试样上不明 影像的位置,根据不明影像的尺寸和分布,利用线切 割在不明影像密集的区域截取金相试样,经打磨、抛 光后,用体积分数4%硝酸酒精溶液对母材和热影 响区进行腐蚀,用质量分数10%铬酸溶液对镍基合 金焊缝区域进行电解腐蚀,采用 GX51型光学显微 镜(OM)、FEIQuanta650型热场发射扫描电子显微 镜(SEM)和 Xmax-50型能谱仪(EDS)进行显微组 织观察与微区成分分析。采用 EM500-2A 型显微 硬度计测焊缝横截面局部区域的维氏硬度,载荷为 1.96N,保载时间为10s。分别按照 GB/T2651— 2008和 GB/T2650—2008,在不明影像密集的焊缝 区域和正常焊缝区域取横向全厚度拉伸试样和焊缝 金属标准 V 型缺口夏比冲击试样,分别在 GNT-600 型万能试验机和 NI-300型冲击试验机上进行室温 拉伸试验和-196 ℃冲击试验,拉伸试验时的拉伸 速度为6mm·min -1,在扫描电镜下观察冲击断口 形貌。利用Jmatpro软件对焊条熔敷金属进行了元 素偏析计算。 34 蔡啸涛,等:液化天然气储罐低温镍基合金焊缝射线探伤底片中不明影像产生的原因

2 试验结果与讨论

2.1 接头宏观形貌

由图1可以看出,焊缝金属与母材熔合良好,接 头各区域在宏观上未发现明显缺陷,电解腐蚀后焊 缝各层道间未发现宏观缺陷,但由于母材对焊缝金 属的稀释程度不同,导致焊缝各区域呈现不同的腐 蚀状态,焊缝上表面的腐蚀程度高于焊缝根部,焊道 间界面的腐蚀程度较重,打底焊道的腐蚀程度最轻。

2.2 焊缝显微组织与微区成分

在焊接接头的熔合区和热影响区中均未发现缺 陷,但 在 焊 缝 区 发 现 了 尺 寸 不 一 的 夹 杂 物,如 图2(a)和图2(b)所示。夹杂物周围的奥氏体枝晶 形态明显,析出相在枝晶间弥散析出,且大部分夹杂 物均位于不同焊道间的界面位置。在接头上多次取 样后,对焊缝中类似的夹杂物进行了观察统计,发现 不明 影 像 密 集 的 焊 缝 中,夹 杂 物 的 尺 寸 在 25~ 150μm 之间,平均密度约为12.0cm -1。除夹杂物 以外,还在焊缝中发现较多不规则和线状析出相团 簇,如图2(c)和图2(d)所示,与夹杂物类似,大部分 析出相团簇均分布于焊道间,该区域部分较大的析 出相在电解腐蚀过程中脱落,形成形态各异的深色 不规则组织,部分析出相团簇的尺寸较大,最大尺寸 可达300μm。 由图3可以看出,焊缝中夹杂物边缘平滑,周围 分 布着因析出物脱落而形成的孔洞,夹杂物区域的 图1 电解腐蚀前后焊接接头的宏观形貌 Fig 1 Macromorphologyofweldjointbefore a andafter b electrochemicaletching 图2 焊缝中不明影像密集区域夹杂物和析出相团簇的 OM 形貌 Fig 2 OM morphologyofinclusionsandprecipitateclustersatunknownimagedensepositioninweld a biginclusion b smallinclusion c irregularprecipitateclusterand d linearprecipitatecluster 35 蔡啸涛,等:液化天然气储罐低温镍基合金焊缝射线探伤底片中不明影像产生的原因 钨元素显著 偏 聚,夹 杂 物 周 围 孔 洞 区 域 的 铌 元 素 也存在一 定 富 集。由 图 4 可 以 看 出,析 出 相 团 簇 呈网状形态,分布范围较大,网状析出相团簇区域 内的 铌、钼 元 素 发 生 明 显 偏 聚,镍 元 素 则 相 对 贫化。 由图5和表3可知:焊缝正常区域的奥氏体基 体相上枝晶臂两侧分布着细长的链状析出相,该析 出相中的铌、钼元素存在一定程度的富集;夹杂物中 主要为钨质量分数大于97%的α-W 相,其附近基体 中除含有少量钨元素以外,其他成分与正常焊缝基 体相中 A2点的成分接近;与正常焊缝相比,网状析 出相团簇 区 域 的 析 出 相 数 量 明 显 增 多,且 析 出 相 (C1点)的铌、钼元素含量也明显高于基体(C2点) 和正常区域析出相(A1点)。

2.4 热力学计算

采用 多 元 热 动 力 学 金 属 材 料 相 图 计 算 软 件 JMatPro配合镍基合金模块数据库,对 ENiCrMo-6 镍基合金焊条熔敷金属凝固过程液相中的元素含量 进行计算,结果如图8所示。由图8可知,在焊接熔 池凝固过程中,随着固相质量分数的增加,残余液相 中的溶质元素含量发生相对富集或贫化,锰、钼、铌 元素在凝固末期向残余液相分配,而铁、镍、铬元素 则更易于向固相中分配,钨元素的偏析现象不明显。 通过电子探针分析方法,基于 Scheil公式估算得到 37 蔡啸涛,等:液化天然气储罐低温镍基合金焊缝射线探伤底片中不明影像产生的原因 图8 熔池金属凝固过程液相中的元素含量计算结果 Fig 8 Calculatedelementcontentinliquidduringpoolmetal solidification 镍基合金焊缝中铌、钼等元素的平衡分配系数均小 于1,说明二者具有向液相偏析的倾向[14],与作者的 计算结果基本相符。

3 结 论

(1)采用 ENiCrMo-6镍基合金焊条焊接的低 温镍基合金焊缝的射线探伤底片中的点状和絮状不 明影像主要由大尺寸富钨夹杂物和富铌、钼的析出 相团簇造成。 (2)富钨夹杂物和析出相团簇区域的平均显 微硬度分别为456,288HV,均高于富镍奥氏体基 体相的平均 硬 度,该 类 组 织 导 致 焊 接 接 头 的 强 度 和低温冲击 韧 性 降 低,并 对 二 者 的 稳 定 性 造 成 了 不良影响。 (3)更换焊条批次后,焊缝中不明影像出现的 概率显著降低,该类不明影像的产生与 ENiCrMo-6 镍基合金焊条生产过程中药皮组分混合不均匀或者 药粉颗粒度不均匀,造成焊缝金属中合金元素的异 常偏聚有关。

来源：材料与测试网